科学家发现果蝇幼虫可以感知电场

虽然这对人类来说可能是一种陌生的感觉，但在动物王国中，电接收相对普遍。鲨鱼、蜜蜂甚至鸭嘴兽都有这种探测环境中电场的能力

加州大学圣巴巴拉分校的科学家们刚刚将果蝇列入了该名单。Matthieu-Louis领导的一个研究小组发现，果蝇幼虫可以通过头部的一小部分感觉神经元感知电场并向负电势导航

发表在《当代生物学》上的研究结果提供了一个巨大的机会。果蝇可以说是最常用的实验动物，是遗传学、神经生物学和衰老等不同领域研究的基础。揭示果蝇的电感受为研究这种感觉的基础开辟了新的途径，甚至可能导致生物工程的新技术。

在果蝇中发现第六感

“对我们来说，电感觉可能没有多大意义，因为我们没有对它做出反应。但人们越来越认识到，对许多动物来说，它实际上非常重要，”分子、细胞和发育生物学系副教授Louis说

因此，当他听说线虫秀丽隐杆线虫（另一种常用的模式生物）中发现了这种能力时，他很好奇果蝇是否也有这种能力

合著者Julia Riedl，Louis当时的学生，开始使用生物学研究中的一种常规技术进行研究：凝胶电泳，它利用电场推动分子通过具有小孔的凝胶。这通常用于对DNA片段进行分类，但Riedl用它将果蝇幼虫浸入电场中

现在在伦敦帝国理工学院工作的Riedl说：“每个经营实验室的人都有这个设备。”。“我们没有在那里放置DNA，而是将幼虫放在那里，它赋予了这种超级强大的行为。”幼虫重新定位，开始向负极移动

在观察动物的反应后，研究小组想找到负责这种反应的神经元。为此，他们需要一种关闭神经系统不同部分的方法。因此，他们针对GAL4基因。像GAL4这样的启动子基因充当路标，告诉细胞的机器从哪里开始将DNA复制成RNA，这是基因表达的关键一步

当GAL4被激活时，它会触发一种改良形式的破伤风毒素的产生。这就像一个分子“路障”，阻止目标神经元与其他神经元进行交流。通过使用在不同神经元中表达GAL4的幼虫谱系，研究小组可以沉默特定的神经元群，观察动物的行为是如何变化的

沉默不同的神经元使该小组能够确定哪些神经元对电接收至关重要。他们将感兴趣的神经元定位在幼虫头部两侧，靠近尖端，与嗅觉和味觉有关的区域

Riedl插入了一个基因，该基因编码一种在神经元活动时发出荧光的蛋白质，这样她就可以实时跟踪这种活动。在显微镜下将头部暴露在电场中证实了她的初步发现。“你不需要做花哨的分析，”她说。“如果神经元真的有反应，它们就会发光。”

“说实话，我简直不敢相信。这太清楚了，”她补充道

事实上，这个簇中只有一个神经元对电场有反应。当电极位于头部前方时，神经元受到抑制，当电极位于后方时，神经元被激活，从而触发幼虫重新定位

野生型（w1118）幼虫在开关场试验中的行为，如图2所示。来源：当代生物学（2025）。DOI:10.1016/j.cub.2025.03.014

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Louis和Riedl在2009年开始了减少不确定性的艰苦工作，当时Louis是西班牙巴塞罗那基因组调控中心（CRG）的研究员。他说：“这是一个有趣的项目，因为它花了15年多的时间才完成。”。“一场科学马拉松。”

部分原因是电场很难测量和可视化，而磁场可以用一些铁屑来揭示。研究小组担心，幼虫可能会对实验装置中的其他混杂因素做出反应，如电流、酸度或温度梯度

当Louis加入加州大学圣巴巴拉分校时，他能够与电化学学家Lior Sepunaru和机械工程师Alex Eden建立联系，他们可以在实验中模拟电场。Eden为该小组提供了他们在实验中描述环境所需的复杂模拟。虽然路易斯的实验室对运行模拟并不陌生，但他说：“这种建模比我们通常能做的要好几个数量级。”

通过更好地描述实验条件，研究小组现在可以开始系统地消除这些混杂因素。他们改用了一种在实验过程中不会改变酸度的电解质溶液。他们还加强了对凝胶中电阻加热的控制

“为了测试电流或电场是否真的是驱动行为的因素，我们想改变其中一个，而不是另一个，”Louis解释道，“这极难实现，因为两者是相互关联的。”

Eden的模拟表明，他们可以通过改变琼脂培养基的厚度来实现这一点。结果证实了他们的假设；幼虫对电场本身有反应，而不是它在琼脂凝胶中诱导的电流。具体来说，是他们头部的神经元检测到了电场、电场的强度和方向

NP2729>TNT幼虫的趋电损伤，如图4所示。来源：当代生物学（2025）。DOI:10.1016/j.cub.2025.03.014适应性推测

作者不确定果蝇幼虫进化为电接收的原因，但他们在此过程中提出了一些假设。电敏感性可能有助于幼虫在它们生活的腐烂水果中导航。果蝇幼虫在几天内就会发育，因此它们需要快速找到果肉更软、糖更多、酒精更少的区域。路易斯说，发酵可以产生一种电梯度，然后动物们用它来导航

此外，苹果的内部非常暗。Riedl补充道：“进化过程中形成的感官代表了环境的物理特性。”。“那么，如果有电场，为什么不感知它呢？”

或者，它可以帮助动物避免捕食。飞行昆虫会携带正电荷，因此这种对正电荷的厌恶可能是一种适应，可以帮助果蝇幼虫避开寄生蜂，寄生蜂可以在幼虫成年前占据90%的幼虫

Riedl指出，或者这可能是多种因素的组合，“既引导它们朝向水果中更有利的部分，又引导它们远离黄蜂的攻击。”

无论哪种方式，这一发现都更好地解释了果蝇的umwelt：特定物种的生物体感知和体验世界的方式，由它们的感觉器官和感知系统塑造

进一步的问题和新的机会

在科学家研究的大多数动物中，电接收涉及一种机械传感结构，可以检测到对静电荷的反应，就像你解开新衣服时手臂的毛发抽搐一样。但作者没有在果蝇幼虫身上观察到这一点：神经元似乎对电场有直接反应

作者可能还没有找到一个隐藏的装置，或者在这些电感神经元中可能发生了一些非常有趣的事情

此外，负责这种感觉的神经元嵌入了一个检测气味和味道的簇中。事实上，这些神经元仍然表达一种使它们对苦味物质敏感的基因。细胞可能对电场和苦味都有反应，因为这两种刺激都会引起相同的反应。也许电场的正极会让果蝇幼虫产生类似苦味的感觉，所以它们会避开它们

该小组认为他们的发现是朝着更广泛地理解电接收迈出的一步。路易斯实验室的博士生、合著者大卫·塔德雷斯说：“你有所有这些可以检测电场的不同动物。但因为它们都不是模型生物，所以很难找到这种感觉的遗传基础。”但由于果蝇是研究各种遗传问题的首选生物，该团队希望他们能够识别出与这种感觉相关的基因

研究电感觉的基础不仅仅是理解动物的感觉系统。细胞经常响应电场和电流而移动。路易斯解释说，对果蝇的研究可以揭示这种行为，这是伤口愈合的重要组成部分

这一发现也可能带来新的研究工具。例如，藻类中的光响应基因导致了光遗传学的发展：能够直接用光控制基因表达和神经活动。所有用于远程控制这些活动的分子工具都需要进入细胞，这可能非常具有侵入性。但是，一种利用电场的技术可以简单地穿透组织

Louis说：“在微小的果蝇幼虫中研究一种新的感官形态，可以为生物工程开辟新的方向。”