海星没有头？不对，Nature新研究发现海星只有头

几个世纪以来，博物学家一直感到困惑，海星的头部到底是由什么组成的。在观察蠕虫或鱼类时，很明显哪一端是头，哪一端是尾。但是，海星有五条相同的臂，如何区分生物体的前端和后端确实是个难题。这种不寻常的身体结构让许多人得出结论，海星也许根本就没有头。

然而，斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员近日发表了一项研究，发现事实可能完全相反。简单地说，研究小组在幼年海星的几乎所有部位都检测到与头部发育相关的基因特征，但编码动物躯干和尾部的各个基因的表达却基本缺失。

这篇题为“Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms”的论文于11月1日发表在《Nature》杂志上。它表明，海星不是没有头，而是在进化过程中失去了身体，只剩下头。

第一作者、斯坦福大学生物系的Laurent Formery博士称：“这就像海星完全没有了躯干，只有一个头在海底爬行。这与科学家对这些动物的假设完全不同。”

星形的拼图

几乎所有动物，包括人类，都是两侧对称的，这意味着它们可以沿着从头到尾的一条轴线分成镜像的两半。1995年，三位科学家获得了诺贝尔生理学或医学奖，他们用果蝇证明了大多数动物从头到尾的两侧身体结构是在一系列分子开关的作用下产生的，这些开关由多个基因编码，在特定的头部和躯干部表达。

此后，研究人员证实，绝大多数动物都采用相同的遗传程序，包括人类和鱼类等脊椎动物以及昆虫和蠕虫等无脊椎动物。

但长期以来，海星的身体结构一直困扰着科学家们对动物进化的理解。成年海星（以及海胆和海参等棘皮动物）并不表现为两侧对称，它们没有清晰的头部和尾部，而是具有五重对称轴。没有人能够确定遗传程序如何驱动这种不寻常的五重对称性。

一些科学家认为，海星的从头到尾的轴线可能从动物的背部延伸到其下腹，下腹被所谓的管足覆盖。另一些人则认为，海星的五条臂分别对应着传统的头尾轴。

然而，证实这些假设的工作却面临着挑战，主要是因为在小鼠和果蝇等模式生物中开发的检测基因表达的方法在幼年海星中效果不佳。多年来，斯坦福大学的发育生物学家Christopher Lowe及其同事一直渴望绘制发育中的海星的基因组图谱。不过，与经典的模式生物不同，海星缺乏相关的遗传资源，需要从零开始绘制基因组图谱。

改变规则的技术

于是，研究人员转向PacBio测序技术。传统的测序方法需要将遗传物质打断以确保准确性，而PacBio的方法则不同，这种HiFi测序方法可从完整的DNA链中提取高度精确的数据，使得这一过程更快速、更高效。这正是Lowe及其团队从头开始建立海星的研究流程所必需的。

这项研究的资深作者之一、前PacBio科学研究员David Rank称：“以往需要几个月才能完成的测序工作现在可以在几个小时内完成，而且比五年前便宜了数百倍。这些进步意味着我们可以从零开始，在一个以往未研究过的生物体上开展研究。”

研究人员利用HiFi测序技术对海星的基因组进行测序，并采用了一种称为空间转录组学的方法进行分析。通过这种方法，他们可以确定在生物体的不同位置上哪些海星基因是活跃的。

为了寻找从头到尾的轴线，他们检查了三个不同方向的基因表达差异：从海星的中心到手臂的尖端，从顶部到下腹，从手臂的一侧到另一侧。然后，为了更仔细观察某些关键基因的行为，他们用荧光染料逐一标记这些基因，绘制出它们在海星体内的详细分布图。

研究人员发现，之前的两种主要假设都不正确。相反他们发现，与人类及其他两侧对称动物的前脑相对应的基因在海星臂的中线处表达，与人类中脑相对应的基因在海星臂的外缘处表达。人类头部不同亚区的基因在海星各处都有表达，而通常与动物躯干相关的基因只有一个在海星臂的最外缘表达。

“这些结果表明，棘皮动物（特别是海星）是我们目前所知的头部与躯干部分离的典型例子，” Formery博士谈道，并补充说，化石中一些长相奇怪的海星祖先似乎确实存在躯干。“它带来了大量新问题，等待我们去探索。”

通往新发现的大门

研究小组下一步想要解决的问题是，在海星身上看到的遗传模式是否出现在海胆和海参身上。对于Formery博士来说，他还想研究一下海星是否能够帮助他们了解神经系统的进化。他说，目前还没有人完全了解棘皮动物的神经系统。

研究人员表示，更多地了解海星及其近亲不仅有助于解开动物进化的关键谜团，还能激发医学创新。海星通过数千条管足在水中行走，并将胃挤出体外来消化猎物。毫无疑问，这些不寻常的生物进化出了意想不到的策略来保持健康。如果我们花时间去了解，也许可以帮助我们对抗人类疾病。