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海星的頭到底在哪里?答案有了!
時間:2024-04-18點擊數:載入中...

     幾個世紀以來,科學家們一直對海星的頭部在哪、是如何構成的感到困惑。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構使得許多人認為,海星可能根本就沒有頭。


     然而,斯坦福大學和加州大學伯克利分校的研究人員此前發表了一項研究,發現事實可能完全相反。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育相關的基因特征,但編碼動物軀干和尾部的各個基因的表達卻基本缺失。


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


     第一作者、斯坦福大學生物系的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。這與科學家對這些動物的假設完全不同?!?/span>

海星.jpg

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,三位科學家獲得了諾貝爾生理學或醫學獎,他們用果蠅證明了大多數動物從頭到尾的兩側身體結構是在一系列分子開關的作用下產生的,這些開關由多個基因編碼,在特定的頭部和軀干部表達。

 

     此后,研究人員證實,絕大多數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,海星的身體結構一直困擾著科學家們對動物進化的理解。成年海星(以及海膽和海參等棘皮動物)并不表現為兩側對稱,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動這種不尋常的五重對稱性。

 

     一些科學家認為,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。另一些人則認為,海星的五條臂分別對應著傳統的頭尾軸。

 

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


     多年來,斯坦福大學的發育生物學家Christopher Lowe及其同事一直渴望繪制發育中的海星的基因組圖譜。不過,與經典的模式生物不同,海星缺乏相關的遺傳資源,需要從零開始繪制基因組圖譜。


海星整體就是“頭”

     于是,研究人員轉向PacBio測序技術。傳統的測序方法需要將遺傳物質打斷以確保準確性,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據,使得這一過程更快速、更高效。這正是Lowe及其團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科學研究員David Rank稱:“以往需要幾個月才能完成的測序工作現在可以在幾個小時內完成,而且比五年前便宜了數百倍。這些進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?!?/span>

 

     研究人員利用HiFi測序技術對海星的基因組進行測序,并采用了一種稱為空間轉錄組學的方法進行分析。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,從手臂的一側到另一側。然后,為了更仔細觀察某些關鍵基因的行為,他們用熒光染料逐一標記這些基因,繪制出它們在海星體內的詳細分布圖。

 

     研究人員發現,之前的兩種主要假設都不正確。相反他們發現,與人類及其他兩側對稱動物的前腦相對應的基因在海星臂的中線處表達,與人類中腦相對應的基因在海星臂的外緣處表達。人類頭部不同亞區的基因在海星各處都有表達,而通常與動物軀干相關的基因只有一個在海星臂的最外緣表達。因此看起來整個棘皮動物的身體結構,大致相當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”其雙側對稱祖先的軀干區域,進化出了“五重對稱”結構,這也讓它們的移動和進食方式,都與雙側對稱的動物不同。


資料來源:生物通、科技日報等,如有不妥,請聯系小編刪除

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