从打洞到空中结网：脑子很重要！| 科技最前线

编者按：“科技最前线”栏目，旨在介绍中国科学院最新的科技成果，以通俗易懂的形式介绍最新、最前沿的科技动态，欢迎关注。近期，中国科学院动物研究所以Single-cell transcriptomics reveals the brain evolution of web-building spiders为题在国际学术期刊《自然-生态与进化》发表论文，我们特邀请研究人员对成果进行介绍。

说到蜘蛛，很多人都会联想到它那天赋异禀的织网行为。在公园、地下室，最常见的节肢动物可能就是在蛛网中的蜘蛛了。

▲图1 公园中常见的蜘蛛（姜统尧 靳鹏宇 摄）

结网虽然是蜘蛛最“明星”的行为，但并非所有蜘蛛都结网，早期的蜘蛛营地表打洞生活。

▲图2 一些常见的打洞蜘蛛（图片来自网络）

在大约两亿年前，随着被子植物的繁盛，结网的蜘蛛种类不断增多，并占领了空中生态位。目前的主流观点认为，蜘蛛是由挖洞进化到结网和游猎的。

从简单的打洞到复杂的结网行为，意味着蜘蛛的脑也应该经历了特殊的演化。

为了解蜘蛛大脑的演化路线，研究人员将目光聚焦在了蘑菇体上。蘑菇体顾名思义，形状像蘑菇，也由冠、柄及叶三部分构成。在昆虫中，蘑菇体不仅与求偶、感觉辨别和感觉模式的整合（包括视觉、触觉和听觉）有关，甚至还会参与嗅觉学习和记忆。蜘蛛中结网类蜘蛛，尤其是圆网蛛类，拥有体积相对较大的蘑菇体，而挖洞的蜘蛛无蘑菇体。这一现象引起了研究人员的注意。

▲图3 蜘蛛结网行为的演化图和大脑结构的变化

那么，从打洞到结网的行为演化过程中，蜘蛛神经系统是如何改变的呢？对于非模式生物来说，了解其大脑的神经元组成一直非常困难，但近些年单细胞测序的发展使得更精细解析动物的神经系统成为可能。

▲图4 蜘蛛大脑的结构和主要细胞类型

最近，动物所的研究者们采用了单细胞测序技术，结合比较基因组、多组织的转录组数据，发现结网蜘蛛祖先中受到正选择的基因大量表达在脑部，特别是约1/3的基因表达在类蘑菇体神经元中。通过功能富集和RNAi实验，作者发现，结网蜘蛛中受到正选择的基因很多与学习记忆有关系。为了应对空中各种各样的风险，空中结网蜘蛛的智商也许比打洞蜘蛛高了很多。

▲图5 结圆网的蜘蛛（图片来自网络）

毕竟打洞的蜘蛛每天只要两件事，吃饭和睡觉。空中结网的蜘蛛还需要朝九晚五（有些甚至上的是夜班，晚上才出来活动），每天睡醒之后就得离开自己“家”，出去寻找合适的位置结网，还需要时刻小心鸟类或其他大型昆虫把网破坏掉（甚至有的蜘蛛会天降横祸被小鸟吃掉），网破坏掉之后还需要对网进行修修补补。没有好的空间记忆能力可完不成这些复杂的行为。相比之下，打洞蜘蛛虽然脑子可能笨一点，每天就是躺平，但是活得可比结网蜘蛛“悠闲自在”呢。

▲图6 结网蜘蛛和打洞蜘蛛

此外，通过和果蝇的大脑神经元类型进行比对，研究者发现蜘蛛大脑保留了大量的神经肽能神经元，还存在着大量在人类和其他脊椎动物中广泛存在，但在昆虫等无脊椎动物中丢失的古老神经元类型——去甲肾上腺素系统。在某种程度上，蜘蛛和人类的神经系统有很多共同之处，蜘蛛的神经系统可能为解析动物神经递质系统的起源和演化历史提供了重要的依据。

总之，我们虽然开始对蜘蛛各种神奇的行为和大脑的演化有了一些新的认识，但是蜘蛛的大脑中仍然蕴含着很多未知的秘密，真正了解蜘蛛结圆网背后的机制还需要我们付出更多的努力。

参考文献：

1.Jin P., Zhu B., Jia Y., Zhang Y., Wang W., Shen Y., Zhong Y., Zheng Y., Wang Y., Tong Y., Zhang W., Li S. 2023. Single-cell transcriptomics reveals the brain evolution of web-building spiders. Nat. Ecol. Evol. https://doi.org/10.1038/s41559-023-02238-y

2.Japyassú H.F., Laland K.N. 2017. Extended spider cognition. Anim. Cogn. 20:375–395. https://doi.org/10.1007/s10071-017-1069-7

3.Steinhoff P.O.M., Harzsch S., Uhl G. 2023. Comparative neuroanatomy of the central nervous system in web‐building and cursorial hunting spiders. J. Comp. Neurol. https://doi.org/10.1002/cne.25554

来源：中国科学院动物研究所