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     幾個世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直對海星的頭部在哪、是如何構(gòu)成的感到困惑。我們在觀察蠕蟲、魚等動物時，能很明顯地看出哪一端是頭，哪一端是尾。但是，海星有五個相同的手臂，其中任何一個都可以帶頭推動海星穿過海床。這種不尋常的身體結(jié)構(gòu)使得許多人認(rèn)為，海星可能根本就沒有頭。

     然而，斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員此前發(fā)表了一項研究，發(fā)現(xiàn)事實可能完全相反。簡單地說，研究小組在幼年海星的幾乎所有部位都檢測到與頭部發(fā)育相關(guān)的基因特征，但編碼動物軀干和尾部的各個基因的表達(dá)卻基本缺失。

     這篇題為“Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms”的論文發(fā)表在《Nature》雜志上。它表明，海星不是沒有頭，而是在進(jìn)化過程中失去了身體，只剩下頭。

     第一作者、斯坦福大學(xué)生物系的Laurent Formery博士稱：“這就像海星完全沒有了軀干，只有一個頭在海底爬行。這與科學(xué)家對這些動物的假設(shè)完全不同?！?/span>

Patiria miniata 圖源：inaturalist·diomedea_exulans_li

不尋常的海星

     幾乎所有動物，包括人類，都是兩側(cè)對稱的，這意味著可以沿著從頭到尾的一條軸線分成鏡像的兩半。1995年，三位科學(xué)家獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，他們用果蠅證明了大多數(shù)動物從頭到尾的兩側(cè)身體結(jié)構(gòu)是在一系列分子開關(guān)的作用下產(chǎn)生的，這些開關(guān)由多個基因編碼，在特定的頭部和軀干部表達(dá)。

     此后，研究人員證實，絕大多數(shù)動物都采用相同的遺傳程序，包括人類和魚類等脊椎動物以及昆蟲和蠕蟲等無脊椎動物。

     但長期以來，海星的身體結(jié)構(gòu)一直困擾著科學(xué)家們對動物進(jìn)化的理解。成年海星（以及海膽和海參等棘皮動物）并不表現(xiàn)為兩側(cè)對稱，它們沒有清晰的頭部和尾部，而是具有五重對稱軸。沒有人能夠確定遺傳程序如何驅(qū)動這種不尋常的五重對稱性。

     一些科學(xué)家認(rèn)為，海星的從頭到尾的軸線可能從動物的背部延伸到其下腹，下腹被所謂的管足覆蓋。另一些人則認(rèn)為，海星的五條臂分別對應(yīng)著傳統(tǒng)的頭尾軸。

     然而，證實這些假設(shè)的工作卻面臨著挑戰(zhàn)，主要是因為在小鼠和果蠅等模式生物中開發(fā)的檢測基因表達(dá)的方法在幼年海星中效果不佳。

海星整體就是“頭”

     于是，研究人員轉(zhuǎn)向PacBio測序技術(shù)。傳統(tǒng)的測序方法需要將遺傳物質(zhì)打斷以確保準(zhǔn)確性，而PacBio的方法則不同，這種HiFi測序方法可從完整的DNA鏈中提取高度精確的數(shù)據(jù)，使得這一過程更快速、更高效。這正是Lowe及其團(tuán)隊從頭開始建立海星的研究流程所必需的。

     這項研究的資深作者之一、前PacBio科學(xué)研究員David Rank稱：“以往需要幾個月才能完成的測序工作現(xiàn)在可以在幾個小時內(nèi)完成，而且比五年前便宜了數(shù)百倍。這些進(jìn)步意味著我們可以從零開始，在一個以往未研究過的生物體上開展研究。”

     研究人員利用HiFi測序技術(shù)對海星的基因組進(jìn)行測序，并采用了一種稱為空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法進(jìn)行分析。通過這種方法，他們可以確定在生物體的不同位置上哪些海星基因是活躍的。

     為了尋找從頭到尾的軸線，他們檢查了三個不同方向的基因表達(dá)差異：從海星的中心到手臂的尖端，從頂部到下腹，從手臂的一側(cè)到另一側(cè)。然后，為了更仔細(xì)觀察某些關(guān)鍵基因的行為，他們用熒光染料逐一標(biāo)記這些基因，繪制出它們在海星體內(nèi)的詳細(xì)分布圖。

     研究人員發(fā)現(xiàn)，之前的兩種主要假設(shè)都不正確。相反他們發(fā)現(xiàn)，與人類及其他兩側(cè)對稱動物的前腦相對應(yīng)的基因在海星臂的中線處表達(dá)，與人類中腦相對應(yīng)的基因在海星臂的外緣處表達(dá)。人類頭部不同亞區(qū)的基因在海星各處都有表達(dá)，而通常與動物軀干相關(guān)的基因只有一個在海星臂的最外緣表達(dá)。因此看起來整個棘皮動物的身體結(jié)構(gòu)，大致相當(dāng)于其它動物群體的頭部。

     這表明，海星和其它棘皮動物或通過“拋棄”其雙側(cè)對稱祖先的軀干區(qū)域，進(jìn)化出了“五重對稱”結(jié)構(gòu)，這也讓它們的移動和進(jìn)食方式，都與雙側(cè)對稱的動物不同。

資料來源：生物通、科技日報等，如有不妥，請聯(lián)系小編刪除