斑馬魚實驗表明脆弱的淡水和海洋物種可能受到氣候變化的影響。當氣候發生變化時，哪些生物能生存，哪些會死亡？一種小的幼魚正在為大腦如何對溫度上升做出反應提供意想不到的見解。

“實際上這是非常不可思議的。整個大腦亮了起來，”挪威科技大學（NTNU）的博士生Anna Andreassen說。生物體，無論是魚還是人，往往會隨著溫度的升高而功能下降。許多人可能在一個有點太熱的夏日經歷過這種情況。但是，當身體變得不舒服的時候，身體內部究竟發生了什麼？

為了找出答案，NTNU生物系的生物學家們將遺傳技術與神經生理學技術相結合。

“我們想研究限制生物體熱耐力的機制。當地球溫度因氣候變化而上升時，哪些動物會生存下來，為什麼？我們選擇研究大腦，”Andreassen說。

斑馬魚在博士生Anna H. Andreassen進行的實驗中扮演主角，以了解腦細胞對溫度變化的反應。資料來源: Ingebjørg Hestvik

Anna H. Andreassen，NTNU的博士生。資料來源：挪威科技大學

居住在水中的動物正經歷著溫度上升到致命水平，穿越各大洲的熱浪也越來越頻繁。為了預測物種將如何適應氣候變化，了解什麼限制了在非常高的溫度下的生存是至關重要的。

“熱耐受性是一個已經研究了幾十年的話題，溫度影響大腦活動的想法是一個老話題。新的是，我們現在可以使用基因技術和神經生理學來研究這一現象，”Andreassen說。

特隆赫姆NTNU的研究人員研究了新孵化的斑馬魚幼蟲的大腦活動，同時逐步提高幼蟲周圍的溫度。

“這些魚經過基因改造，使大腦中的神經元在活動時發出一種熒光。當幼魚游動時，我們可以在顯微鏡下看到這種光。這些幼魚還有一個好處，就是它們是透明的。我們可以直接觀察到活的幼魚的大腦，”Andreassen說。

失去反應能力

通過這種方式，研究人員可以跟踪大腦活動，同時逐步提高魚在其中游泳的水溫。

“我們可以看到隨著溫度的升高，魚類的行為會發生明顯變化，當水溫開始變得極其溫暖時，它們就會失去平衡，並開始繞圈游動，肚皮朝上。”

研究人員戳了戳魚尾巴以檢查它們的反應，這通常會引發游泳反應。”在一定的溫度下，魚對外界刺激的反應停止了。它們仍然活著，但從生態學的角度來看，它們可以被認為是死了。在自然界中的這種情況下，它們將無法游離捕食者或找到通往更冷水的道路，”Andreassen說，他補充說這種情況在小型實驗魚中只是暫時的。只要我們讓它們再次進入較冷的水中，它們的狀態就會和之前一樣好。”

研究人員利用魚來獲得生物研究中許多問題的答案。部門工程師Eline Rypdal（右）協助照料動物。資料來源: Ingebjørg Hestvik

熱量使大腦關閉

到目前為止，實驗如研究人員所期望的那樣進行。通過在魚的眼睛前照射光線，他們還可以檢查大腦是否在感知視覺印象。隨著溫度的上升，大腦完全停止了對刺激的反應，完全不活躍。但隨後，當他們把溫度再調高一點時，事情發生了。

“整個大腦亮了起來。我可以最接近地描述我們所看到的是一種癲癇發作，”Andreassen說。

通常情況下，你只能在大腦的特定部位以小光點的形式看到大腦的活動。現在，驚奇的研究人員可以在顯微鏡下觀察到熒光是如何在幾秒鐘內擴散開來並覆蓋小魚幼蟲的整個大腦。

“我們知道斑馬魚的大腦與人類的大腦有相當多的共同點–70%的遺傳物質是相同的–研究人員推測，我們在這些魚幼蟲身上看到的東西與你在發燒的兒童大腦中看到的東西之間是否會有聯繫，”Andreassen說。接下來，研究人員希望將一種特殊類型的腦細胞–膠質細胞–置於顯微鏡下觀察。

“這裡讓人興奮的發現是加熱期間膠質細胞的活動。這些細胞在大腦的氧氣供應中起著核心作用–它們既檢查氧氣水平，又調節血流，從而調節氧氣供應。因為我們可以看到，氧氣水平會影響熱耐受性，一個假設是，大腦停止工作是因為膠質細胞不再能夠調節氧氣水平。”

差異推進進化

為了仔細觀察所發生的事情，特隆赫姆的研究人員開始操縱魚在水中游動的氧氣量，同時提高溫度。

“令我們驚訝的是，我們發現氧氣水平在控制熱耐力方面發揮了作用。當我們添加額外的氧氣時，幼魚在高溫下表現更好，有更高的大腦活動，而且與低氧的魚相比，在暴露於高溫上限時恢復得更快。

在測試氧氣濃度對熱耐受性的影響時，對其他物種的研究產生了相反的結果。

“因此，對氧氣水平的波動’不敏感’可能是地球上溫度上升時的一種進化優勢。研究結果表明，熱耐受性是在不同物種之間變化的。這可能是決定一個物種是否能夠適應氣候變化或將屈服於溫度上升的一個特徵。很多生物都生活在缺氧的環境中，那裡的溫度可以迅速變得高於正常水平。它們將特別脆弱，”Andreassen說。

她舉例生活在淺水區、河流中或潮間帶的生物體。”這些棲息地的氧氣水平可能發生大幅波動，往往與溫度波動同時發生。在這些棲息地，熱耐受性受氧氣水平限制的魚類可能比不受氧氣水平影響的魚類更掙扎。那些能夠在低氧水平下保持神經功能的動物可能是最能忍受高溫的動物。”