营养记忆、鹿角与一种独特的科学对象

背景

在发育生物学和再生医学的传统教科书中，我们通常依赖化学梯度、基因调控网络和分子通路来解释生物体的形态发生。然而，自然界中存在一些挑战这些经典模型的现象。作者是一位收集“怪异科学对象”的研究者，他分享了一段关于鹿角再生及其背后深层机制的独特经历。

20世纪60年代至90年代，Anthony B. Bubenik 和 George A. Bubenik 父子团队进行了一项非凡的研究。他们专注于鹿角（antlers）——一种每年脱落并重新生长的巨大结构。这一过程本身令人惊叹，因为它证明了大型成年哺乳动物具备强大的再生能力，能够以每天 1-1.5 厘米的速度生长骨骼、血管、神经以及鹿茸（皮肤）。需要区分的是，鹿角并非角（horns），后者结构更简单且不再生。这一发现彻底推翻了“成年哺乳动物无法再生复杂结构”的常见观点，对再生医学具有重大启示。

然而，Bubenik 父子发现的更深层现象是“营养记忆”（trophic memory）。

核心内容

1. 鹿角中的营养记忆现象

Bubenik 父子发现，如果鹿角的分支结构在特定位置受到损伤，它会形成一个小骨痂并愈合。鹿角会像往常一样脱落，但在下一年，新长出的鹿角会在前一年受损的位置长出一个异位分枝（ectopic tine）。

这种现象对于教学极具启发性，因为它展示了教科书之外的生物学事实。传统的发育生物学工具难以解释这一过程：

• 损伤点如何被感知？
• 整个结构脱落后，记忆存储在哪里？（是在头骨的生长板吗？）
• 几个月后，新结构如何根据“不再存在的细胞”的先前生理经验来指导骨骼生长动力学，使其在特定位置额外生长？

这种模式记忆在几年后会消失，生物体恢复常态。作者指出，这种模式记忆——作者将其群体视为在生理和形态发生空间中运行的集体智能的一种学习过程——揭示了基因编码硬件的动态生理可塑性。然而，几乎没有人讨论、教授或撰写关于这一现象的内容。

2. 珍贵的实物档案与实验难度

2005年，作者联系了当时在加拿大安大略省圭尔夫大学的 George A. Bubenik。George 最终告知作者他需要处理掉他的鹿角收藏，询问作者是否愿意继承。作者欣然接受。他们收到了13个精心标注的鹿角盒子。

这些样本记录了极高的实验成本和时间跨度：

• 需要追踪每只动物（鹿，而非果蝇）数年以建立基线。
• 在骨骼上制造缺口。
• 记录随后5-6年的营养记忆现象。
• 再记录几年的正常生长。
• 需要对大量动物进行实验以获得统计学意义。

盒子里装满了标记为“Lenny 1986”等字样的成套样本。作者认为，在当今强调快速结果的科研环境下，很难为这类数据集争取资金，因此这些数据很可能无法被复制。作者团队通过 Tufts 兽医学院对这些鹿角进行了 CT 扫描，部分样本悬挂在实验室前厅。George 是一位百科全书式的学者，于2018年去世，但他的遗产及其潜在影响力依然深远。

3. 涡虫模型：从鹿角到扁形动物

为了更易于研究营养记忆，作者团队在具有全身再生能力的涡虫（planarian flatworms）中建立了模型系统。

• 2008年的关键实验：作者让波士顿大学的学生 Laryssa Wozniak 在纯水中重新切割此前通过短暂调节生物电模式记忆而创造出的“双头涡虫”。尽管 Thomas Hunt Morgan 早在1903年左右就观察到了双头涡虫，但此前无人尝试在普通基因组下重新切割，因为人们认为移除异位头部后，生物体应恢复正常。
• 形态发生记忆的结果：通过认真对待形态发生记忆的概念，作者发现这些碎片再次再生为双头结构，尽管其基因未经编辑。Nestor Oviedo 和 Junji Morokuma 随后在多次切割中研究了这一现象。
• 跨代稳定性：双头特性在动物的正常生殖模式（分裂+再生）中保持稳定，这意味着它跨代遗传，形成了一种非传统的继承方式。虽然审稿人要求删除关于进化意义的讨论，但作者在其他地方探讨了这一现象对进化的重要性。

4. 第三种涡虫：不稳定的隐性涡虫

2019年，Fallon Durant 发现了第三种类型的涡虫，除了单头和双头之外，还有“不稳定的隐性涡虫”（destabilized cryptic worms）。

• 这些涡虫无法确定形态，就像双稳态视觉错觉一样，当被切成碎片时，会随机生成1个或2个头（永无止境）。
• 来自同一只涡虫的多块碎片会“抛硬币”决定生成1个头还是2个头。
• 这表明，每个器官内的细胞共享相同的构建故事，但不同涡虫之间的细胞可能无法达成一致，即它们对彼此是单头还是双头动物的一部分存在“分歧”。

5. 生物电记忆与反事实记忆

与鹿角类似，大规模的目标形态可以通过短暂的生理经验进行修订——即重写模式记忆。基因设定了带有默认模式结果的硬件，但像任何良好的认知系统一样，它具有从经验中学习的可重写记忆。

• 存储介质：“我应该长几个头？”的记忆存储在生物电电路中（由 Wendy Beane, Fallon Durant 等人在作者团队中表征）。
• 可视化：使用电压敏感染料成像，研究者现在可以 literally（字面上）看到组织中编码的生物电模式，预示着未来再生必须构建的目标。
• 反事实记忆：这是一种基本的反事实记忆，可能构成了高级大脑进行“心理时间旅行”（思考并记住当前不真实的事物）的进化基础。
• 读写能力：正如神经科学家试图读取和解码活体大脑中的记忆一样，我们现在可以读取和（部分地）写入形态发生集体智能的解剖目标记忆。

6. 科学界的反应与其他模型

当作者首次在一次会议上展示这些基因野生型但形态发生根本改变、重写且永久的目标形态的涡虫时，有人站起来说这是不可能的，“那些动物不可能存在”。Junji Morokuma 拍摄的视频显示，有时两个头会合作，有时不会。这引发了关于多脑生物共享信息及其存在体验的行为神经科学研究设想。

虽然双头动物发生了永久改变，但其他例子（如涡虫长出进化距离1-1.5亿年的不同物种的头）在几个月后会恢复正常，这与鹿角的情况类似。

此外，脊椎动物模型也证实了这一现象。在与 Jessica Whited 的合作中，发现蝾螈（axolotl）肢体在多次截肢后，最终会停止再生。

关键要点

• 营养记忆的定义：生物体在结构受损后，即使该结构完全脱落，新长出的结构仍会在原损伤位置重现特定形态特征（如鹿角的异位分枝）。
• 挑战传统模型：这一现象无法仅用基因编码、化学梯度或分子通路解释，揭示了基因硬件之外的生理可塑性和集体智能的学习能力。
• 不可复制的数据遗产：Bubenik 父子留下的13箱鹿角样本记录了长达数十年的追踪实验，这种耗时耗力的研究在当今快节奏的科研环境中极难复制。
• 涡虫作为模型系统：
  • 通过调节生物电模式，可创造双头涡虫。
  • 重新切割双头涡虫，其碎片仍再生为双头，证明记忆存储在基因组之外的生物电电路中。
  • 发现了“不稳定隐性涡虫”，其形态在切割时随机决定，显示细胞群体间的信息不一致性。
• 生物电即记忆：生物电模式编码了形态发生的目标，是一种“反事实记忆”，可能为高级认知功能（如心理时间旅行）提供进化基础。
• 普遍性：从鹿角到涡虫再到蝾螈，这种通过生理经验重写形态目标的现象在动物界具有普遍性。

意义与影响

**1. 对