海星的頭在哪里？千古謎題有了新答案

海星的頭到底在哪里？|圖蟲創(chuàng)意

如果要給海星戴上一頂帽子，那么該把帽子戴在海星的什么地方？這個(gè)問題聽起來有點(diǎn)無厘頭，但它實(shí)際上涉及到動(dòng)物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)嚴(yán)肅的問題：海星的頭究竟在哪？

在生活中，無論我們是看到一條蠕蟲還是一條魚，我們都能輕易地分辨出它們的頭在哪、尾在哪。然而，對于擁有五只相同“手臂”，可以用其中任何一只“手臂”推動(dòng)自身在海床上移動(dòng)的海星，其頭部結(jié)構(gòu)卻困擾了博物學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)。

2023年11月1日，一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的新研究給出了一個(gè)令人意想不到的答案：海星雖然沒有一個(gè)具體的頭，卻擁有類似頭部的區(qū)域，分布在身體的中心，以及它每條“手臂**”**的中心。

海星的基因活動(dòng)圖譜

海星跟海膽或海參一樣，都屬于棘皮動(dòng)物。在幼年時(shí)期，海星以浮游生物的形式漂浮在海洋中。在成長過程中，它們會沉降到海底，上演一場“成長魔術(shù)”——從幼年時(shí)期的兩側(cè)對稱（跨中線對稱），轉(zhuǎn)變成被稱為五輻射對稱的五角星形的成年的形體構(gòu)型。

這種形體構(gòu)型是不尋常的。我們所知道的絕大部分動(dòng)物都是兩側(cè)對稱的。在過去的研究中，科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，動(dòng)物的兩側(cè)對稱形體構(gòu)型源自于一系列分子開關(guān)的作用，這些開關(guān)由基因編碼，在特定的頭部區(qū)域和軀干區(qū)域表達(dá)。包括人類、魚類等脊椎動(dòng)物，以及昆蟲、蠕蟲等無脊椎動(dòng)物在內(nèi)的絕大多數(shù)動(dòng)物物種，都有同樣的遺傳程序。

（注：基因表達(dá)，指的是由基因編碼的信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生功能性基因產(chǎn)物的過程。）

那么，海星是在什么樣的遺傳程序的驅(qū)動(dòng)下，從幼年時(shí)期的兩側(cè)對稱變成成年時(shí)期沒有清晰的頭尾的五輻射對稱的？

對這一問題的探索比想象中要困難得多。主要是因?yàn)椋瑱z測基因表達(dá)的方法是從小鼠、果蠅等少數(shù)幾種模式生物中發(fā)展出來的，這些方法在海星身上應(yīng)用時(shí)效果不佳。

在這項(xiàng)新的研究中，生物學(xué)家Laurent Formery是新論文的第一作者，他在研究生時(shí)期就開始關(guān)注海膽的早期發(fā)育。海膽在變成具有五重對稱的成年海膽之前，它們也是兩側(cè)對稱的。

論文的通訊作者是Christopher Lowe教授，多年來，他所領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)一直渴望能夠繪制發(fā)育中的海星的基因活動(dòng)圖譜。在Formery加入Lowe的研究團(tuán)隊(duì)后，F(xiàn)ormery在棘皮動(dòng)物發(fā)育方面的知識與Lowe在分子生物學(xué)技術(shù)方面的專業(yè)知識結(jié)合在了一起，他們成功地創(chuàng)建了海星的基因表達(dá)的3D圖譜。

揭示復(fù)雜的答案

在這項(xiàng)新研究中，研究人員采用RNA層析術(shù)和原位雜交技術(shù)對這一問題進(jìn)行了探索。RNA層析術(shù)可以精確定位基因在組織中的表達(dá)位置，而原位雜交能精確定位細(xì)胞中特定的RNA序列。

他們將海星的身體組織切成薄片，從三個(gè)不同的方向檢測了基因表達(dá)的差異：

1. 從海星的中心到“手臂”尖端

2. 從“頂部”到“下腹部”，

3. 從“手臂”的一側(cè)邊緣到另一側(cè)邊緣。

利用RNA層析術(shù)，他們確定了每個(gè)切片中表達(dá)的基因。

為了更好地觀測某些關(guān)鍵基因的活動(dòng)，他們用熒光染料對海星組織它們進(jìn)行了標(biāo)記。利用原位雜交技術(shù)，他們對組織樣本進(jìn)行了監(jiān)測，觀看基因會在何處表達(dá)，進(jìn)而創(chuàng)建了一張海星體內(nèi)的詳細(xì)的3D基因表達(dá)圖譜。

他們的研究結(jié)果表明，與大多數(shù)兩側(cè)對稱動(dòng)物的前腦相對應(yīng)的基因表達(dá)，位于海星“手臂”的中線；與中腦相對應(yīng)的基因表達(dá)位于“手臂”的邊緣。

總的來說，研究人員發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)對稱動(dòng)物的與頭部有關(guān)的基因，都在海星身上得到了表達(dá)；但兩側(cè)動(dòng)物的與軀干有關(guān)的基因，只有一個(gè)出現(xiàn)在了海星身上，這個(gè)基因位于海星“手臂”的非常邊緣的位置，表明沿著海星的周長，有一個(gè)類似尾巴的區(qū)域存在。

如此說來，海星并非沒有頭，而更像是失去了身體，只剩下一個(gè)在海底爬行的“頭”。

多樣的生物

這樣的結(jié)果表明，棘皮動(dòng)物，尤其是海星，是我們今天所知道的頭部與軀干分離的最典型例子。研究人員表示，大多數(shù)研究通常都關(guān)注與人類相似的動(dòng)物群體，但如果過于專注于這些熟悉的物種，就很難了解到新的信息。

我們的地球上生活著34種不同的動(dòng)物門，在大約6億多年的時(shí)間里，它們都為應(yīng)對同樣的基本生物學(xué)問題給出了不同的解決方案。在如此多的動(dòng)物之中，大多數(shù)是生活在海洋洞穴里的溫和的動(dòng)物。人們通常不會被這些動(dòng)物所吸引，但它們可能代表了生命的開始。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

團(tuán)隊(duì)：原理

審核：葉盛 北京航空航天大學(xué)教授

出品：中國科協(xié)科普部

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