硬核科普:吃货是怎么进化的

  2019 北京大学出版社

  

  中国人常说“民以食为天”,忙碌一天之后,能吃上一顿色香味俱全的美食那是再幸福不过的事情了。连汉字的“和”都是由“禾”和“口”组成,口里有了粮食,人便可以悠然度日。

  纵观生物界,爱当“吃货”的不仅仅是人类。大到整个动物界,小到微小的细菌,活着都离不开“吃”。

  然而,对于低等生物来说,吃本身不是目的,吃是为了活着,然后繁殖,把基因传下去。作为高等动物的人类,活着也可以不为了繁殖,而是做他们认为比繁殖更有意义的事情。

  

  △比如······阅读?

  吃货是怎么进化出来的?

  动物要进食,首先需要知道哪些东西是身体可以利用的营养物,可以吃;哪些东西没有营养,甚至有毒,不能吃。这样的信息是视觉、听觉和触觉提供不了的,必须通过食物中某些特征性分子的结构来获得。而获得这些特征性分子信息的机制,就是味觉。

  

  △舔一舔,欢乐多

  随着不断进化,原始的微生物直接用细胞膜来“品尝”食物,而高等动物是用舌头上的味蕾来感受食物中的分子结构。

  今天,这篇硬科普就要为你介绍自然界中千奇百怪的吃货进化图鉴。

  01

  细菌打滚,是为了混口饭吃!

  让我们从生物最基本的形态开始。

  学过生物的你们,都听说过原核生物。从原核生物开始,例如细菌就知道向营养物浓度高的方向运动,或者避开有害物质。举个栗子,比如说大肠杆菌可以感知环境中的氨基酸和糖类,而向它们浓度高的方向游动。

  

  △大肠杆菌都在拼命打滚,你还有什么理由不努力

  那么,大肠杆菌是怎么知道哪里的水甜的呢?

  它是靠“全身”来感知的。在它全身细胞的膜上有感受营养物质的的受体。周围环境没营养的时候,这个分子可以细胞内的另一个分子相互作用,然后驱动大肠杆菌身上的鞭毛,向顺时针方向转动,也就是说让细菌“打滚”翻跟斗,从而接近有营养的水域。

  大肠杆菌是单细胞生物,它能够辨别食物分子,也可以看成是最原始的“味觉”。

  

  △美国艺术家设计的各类菌型冰棍儿

  但是,低等生物毕竟是低等生物,它们还有很多不完备之处。低等动物都没有神经系统,而我们所说的味觉是一种感觉,不但要有感受食物的结构,更重要的还是这种感受传递到神经中枢里。

  比方说,高等动物的大脑,可以对这种感受进行“解读”。是酸是甜?是好吃还是难吃?而这又是经过几亿年才进化出来的。

  02

  腿也能品尝

  昆虫已经有脑,昆虫脑的分区使得昆虫可以对味觉信号和嗅觉信号分开处理。例如味觉信号就是由食道下神经节处理的,味觉感受器主要在口器最前端的唇瓣上,同时也在腿上和翅膀上。

  所以昆虫可能是先用腿“尝”,再进一步用嘴“尝”。

  

  △喝水的蝴蝶

  典型的昆虫味觉感受器是外皮上空心的毛,毛的顶端有一个开口,内部有数个感觉神经细胞,通过它们的单根神经纤维与外界接触。

  例如,腿部的味觉感受器就有四个感觉神经细胞,分别为感受甜味的、感受苦味和高盐的、感受低盐溶液的和感受水的神经纤维。甜味、低盐溶液和水都能够使昆虫的口器伸出,表示昆虫准备进食或喝水,叫伸喙反射,可以作为昆虫对潜在性食物的正面反应。反之,苦味和高盐会使口器缩回,表示昆虫想回避这些物质。

  这些感觉神经元表明,昆虫已经有甜、苦、咸等味觉。

  

  △小蜜蜂和菠萝蜜

  当然,我们把昆虫对蔗糖的感觉当成是甜味,把昆虫对奎宁和黄连素的感觉定义为苦味,是根据人对这样物质的感觉来定义的。其实,我们并不知道昆虫对这些物质的具体感觉是什么。

  但是,昆虫对蔗糖的反应是伸出口器,对奎宁的反应是缩回口器,说明昆虫对蔗糖的感觉是愉悦的,对奎宁的感觉是不愉快的,和人类的反应类似。这也没有什么可奇怪的,因为甜味意味着糖类,是昆虫需要的物质,而苦味多意味着物质有毒,不能进食。

  有趣的是,昆虫还有专门对水的味觉受体,而且水能够使昆虫有进食或者饮水的正面伸喙反射,说明水对于昆虫也有可能是一种“味道”,只是我们无法知道在昆虫嘴里,水是什么味道。

  03

  “辣”原来不是味觉?

  进化之路不断前行,哺乳动物的味觉功能主要是口腔中的舌头来执行的。

  人舌头表面有许多乳头状的突起,叫舌乳头。与味 觉有关的舌乳头有三种:

  在舌尖和两侧的主要为菌状乳头,因为其形状有些像蘑菇。舌头后部的上面有8~12个圆顶样的突起,叫轮廓乳头。舌头后部的两侧各有几个片状突起,形状像树叶,叫叶状乳头。

  舌乳头的作用有些像大脑表面的皱褶,可以增加感受味道的表面积。

  

  △舌乳头分布图

  上面前三种乳头的表面都含有感觉味道的结构,叫做味蕾,总数有数千个。菌状乳头的味蕾主要在上表面,叶状乳头和轮廓乳头的味蕾主要在侧面。

  第四种乳头数量最多,但与味觉无关,其功能是触觉,感受食物的质地,如软、硬、粗、细、脆、绵等,增加动物对食物的感觉。

  每个味蕾含有 50~100个味觉细胞,聚集成球状, 埋在舌头的上皮细胞中。每个味觉细胞在味蕾开口处发出微绒毛,上面有味道感受器。溶解于唾液的外来味觉分子与之结合,触发神经冲动,通过味觉细胞在另一端发出的轴突将味觉信号传输至大脑。

  

  △舌头怎么“尝”味道

  哺乳动物的味觉大致可以分为五种:甜、鲜、苦、酸、咸,基本上和过去认为的酸、甜、苦、辣、咸五种味道一致,其中只有一个不一样。

  过去被认为是味道之一的辣味,现在已经知道是辣椒素结合于TRPV1受体所引起的感觉。由于TRPV1也可以被42摄氏度或以上的温度激活,所以辣和烫其实是同一种感觉。而且辣椒素在舌头以外的皮肤或黏膜上引起灼烧感,说明它不是味觉。

  

  鲜味过去不被认为是一种味道,但现在被发现是通过与感受甜的受体类似的受体感觉的。而且它在非味觉器官中不被感受到,所以被列为五种味道之一。

  

  《生命通史》

  作 者:朱钦士 著

  资深癌症学家厚积薄发的科普巨作,

  看穿众生万物的生命密码,

  解读基因写就的生命史诗。

  - 版权信息 -

  编辑:何畅

  观点资料来自

  《生命通史》

  图片来自网络

  

  中国人常说“民以食为天”,忙碌一天之后,能吃上一顿色香味俱全的美食那是再幸福不过的事情了。连汉字的“和”都是由“禾”和“口”组成,口里有了粮食,人便可以悠然度日。

  纵观生物界,爱当“吃货”的不仅仅是人类。大到整个动物界,小到微小的细菌,活着都离不开“吃”。

  然而,对于低等生物来说,吃本身不是目的,吃是为了活着,然后繁殖,把基因传下去。作为高等动物的人类,活着也可以不为了繁殖,而是做他们认为比繁殖更有意义的事情。

  

  △比如······阅读?

  吃货是怎么进化出来的?

  动物要进食,首先需要知道哪些东西是身体可以利用的营养物,可以吃;哪些东西没有营养,甚至有毒,不能吃。这样的信息是视觉、听觉和触觉提供不了的,必须通过食物中某些特征性分子的结构来获得。而获得这些特征性分子信息的机制,就是味觉。

  

  △舔一舔,欢乐多

  随着不断进化,原始的微生物直接用细胞膜来“品尝”食物,而高等动物是用舌头上的味蕾来感受食物中的分子结构。

  今天,这篇硬科普就要为你介绍自然界中千奇百怪的吃货进化图鉴。

  01

  细菌打滚,是为了混口饭吃!

  让我们从生物最基本的形态开始。

  学过生物的你们,都听说过原核生物。从原核生物开始,例如细菌就知道向营养物浓度高的方向运动,或者避开有害物质。举个栗子,比如说大肠杆菌可以感知环境中的氨基酸和糖类,而向它们浓度高的方向游动。

  

  △大肠杆菌都在拼命打滚,你还有什么理由不努力

  那么,大肠杆菌是怎么知道哪里的水甜的呢?

  它是靠“全身”来感知的。在它全身细胞的膜上有感受营养物质的的受体。周围环境没营养的时候,这个分子可以细胞内的另一个分子相互作用,然后驱动大肠杆菌身上的鞭毛,向顺时针方向转动,也就是说让细菌“打滚”翻跟斗,从而接近有营养的水域。

  大肠杆菌是单细胞生物,它能够辨别食物分子,也可以看成是最原始的“味觉”。

  

  △美国艺术家设计的各类菌型冰棍儿

  但是,低等生物毕竟是低等生物,它们还有很多不完备之处。低等动物都没有神经系统,而我们所说的味觉是一种感觉,不但要有感受食物的结构,更重要的还是这种感受传递到神经中枢里。

  比方说,高等动物的大脑,可以对这种感受进行“解读”。是酸是甜?是好吃还是难吃?而这又是经过几亿年才进化出来的。

  02

  腿也能品尝

  昆虫已经有脑,昆虫脑的分区使得昆虫可以对味觉信号和嗅觉信号分开处理。例如味觉信号就是由食道下神经节处理的,味觉感受器主要在口器最前端的唇瓣上,同时也在腿上和翅膀上。

  所以昆虫可能是先用腿“尝”,再进一步用嘴“尝”。

  

  △喝水的蝴蝶

  典型的昆虫味觉感受器是外皮上空心的毛,毛的顶端有一个开口,内部有数个感觉神经细胞,通过它们的单根神经纤维与外界接触。

  例如,腿部的味觉感受器就有四个感觉神经细胞,分别为感受甜味的、感受苦味和高盐的、感受低盐溶液的和感受水的神经纤维。甜味、低盐溶液和水都能够使昆虫的口器伸出,表示昆虫准备进食或喝水,叫伸喙反射,可以作为昆虫对潜在性食物的正面反应。反之,苦味和高盐会使口器缩回,表示昆虫想回避这些物质。

  这些感觉神经元表明,昆虫已经有甜、苦、咸等味觉。

  

  △小蜜蜂和菠萝蜜

  当然,我们把昆虫对蔗糖的感觉当成是甜味,把昆虫对奎宁和黄连素的感觉定义为苦味,是根据人对这样物质的感觉来定义的。其实,我们并不知道昆虫对这些物质的具体感觉是什么。

  但是,昆虫对蔗糖的反应是伸出口器,对奎宁的反应是缩回口器,说明昆虫对蔗糖的感觉是愉悦的,对奎宁的感觉是不愉快的,和人类的反应类似。这也没有什么可奇怪的,因为甜味意味着糖类,是昆虫需要的物质,而苦味多意味着物质有毒,不能进食。

  有趣的是,昆虫还有专门对水的味觉受体,而且水能够使昆虫有进食或者饮水的正面伸喙反射,说明水对于昆虫也有可能是一种“味道”,只是我们无法知道在昆虫嘴里,水是什么味道。

  03

  “辣”原来不是味觉?

  进化之路不断前行,哺乳动物的味觉功能主要是口腔中的舌头来执行的。

  人舌头表面有许多乳头状的突起,叫舌乳头。与味 觉有关的舌乳头有三种:

  在舌尖和两侧的主要为菌状乳头,因为其形状有些像蘑菇。舌头后部的上面有8~12个圆顶样的突起,叫轮廓乳头。舌头后部的两侧各有几个片状突起,形状像树叶,叫叶状乳头。

  舌乳头的作用有些像大脑表面的皱褶,可以增加感受味道的表面积。

  

  △舌乳头分布图

  上面前三种乳头的表面都含有感觉味道的结构,叫做味蕾,总数有数千个。菌状乳头的味蕾主要在上表面,叶状乳头和轮廓乳头的味蕾主要在侧面。

  第四种乳头数量最多,但与味觉无关,其功能是触觉,感受食物的质地,如软、硬、粗、细、脆、绵等,增加动物对食物的感觉。

  每个味蕾含有 50~100个味觉细胞,聚集成球状, 埋在舌头的上皮细胞中。每个味觉细胞在味蕾开口处发出微绒毛,上面有味道感受器。溶解于唾液的外来味觉分子与之结合,触发神经冲动,通过味觉细胞在另一端发出的轴突将味觉信号传输至大脑。

  

  △舌头怎么“尝”味道

  哺乳动物的味觉大致可以分为五种:甜、鲜、苦、酸、咸,基本上和过去认为的酸、甜、苦、辣、咸五种味道一致,其中只有一个不一样。

  过去被认为是味道之一的辣味,现在已经知道是辣椒素结合于TRPV1受体所引起的感觉。由于TRPV1也可以被42摄氏度或以上的温度激活,所以辣和烫其实是同一种感觉。而且辣椒素在舌头以外的皮肤或黏膜上引起灼烧感,说明它不是味觉。

  

  鲜味过去不被认为是一种味道,但现在被发现是通过与感受甜的受体类似的受体感觉的。而且它在非味觉器官中不被感受到,所以被列为五种味道之一。

  

  《生命通史》

  作 者:朱钦士 著

  资深癌症学家厚积薄发的科普巨作,

  看穿众生万物的生命密码,

  解读基因写就的生命史诗。

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  《生命通史》

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