長期以來人們一直認為海星沒有頭，但海星可能只是
海星不尋常的五軸對稱長期以來困擾著我們對動物進化的理解。鳴謝:uux.cn/陳·扎克伯格生物中心
（神秘的為海地球uux.cn）據陳·扎克伯格：幾個世紀以來，博物學家一直困惑于海星的星沒星頭部是由什么構成的，海星通常被稱為“海星”當你看一條蟲子或一條魚時，但海很清楚哪一端是長期頭，哪一端是人們尾。但是為海由于它們有五個相同的手臂——其中任何一個都可以率先推動海星穿過海底——任何人都無法猜測如何從背部確定有機體的前端。這種不尋常的星沒星身體結構讓許多人認為海星可能根本沒有頭。
但現在，但海由舊金山研究人員陳·扎克伯格生物中心領導的長期斯坦福大學和加州大學伯克利分校的實驗室發表了一項研究，發現事實更接近于絕對相反。人們簡而言之，為海雖然研究小組在幼年海星的星沒星幾乎所有地方都檢測到了與頭部發育相關的基因簽名，但編碼動物軀干和尾部的但海基因表達卻基本缺失。
研究人員利用各種高科技分子和基因組技術來了解不同基因在海星發育和生長過程中的表達位置。南安普敦的一個團隊使用微CT掃描以前所未有的細節了解了動物的形狀和結構。
在另一個令人驚訝的發現中，通常與頭部最前面部分相關的分子信號被定位在每個海星臂的中間，這些信號朝著臂的邊緣逐漸變得越來越靠后。
發表在11月1日《自然》雜志上的這項研究表明，海星遠非無頭，而是在進化過程中失去了身體，變成了僅有的頭。
“這就好像海星完全失去了一個軀干，最好描述為只是一個沿著海底爬行的頭，”博士后學者兼新研究的第一作者洛朗·福爾米說。"這根本不是科學家們對這些動物的假設。"
這項研究的三位共同資深作者中的兩位，斯坦福大學的海洋和發育生物學家克里斯托弗·洛和加州大學伯克利分校的動物物種分子進化專家丹尼爾·洛克薩爾，已經合作了十年。
星形拼圖
幾乎所有的動物，包括人類，都是左右對稱的，這意味著它們可以沿著從頭部到尾部的單一軸線分成鏡像的兩半。1995年，諾貝爾生理學或醫學獎授予了三位科學家，他們利用果蠅證明了大多數動物的頭至尾的雙側身體結構是由一系列分子開關的作用產生的，這些分子開關由基因編碼，在特定的頭部和軀干區域表達。
研究人員已經證實，絕大多數動物物種都有相同的遺傳程序，包括人類和魚類等脊椎動物，以及昆蟲和蠕蟲等許多無脊椎動物。
但是海星的身體結構一直困擾著科學家對動物進化的理解。成年海星——以及相關的棘皮動物，如海膽和海參——沒有顯示出兩側對稱，而是有五重對稱軸，沒有清晰的頭部或尾部。沒有人能夠確定基因編程是如何驅動這種不尋常的五重對稱的。
一些科學家提出，在海星中，頭尾軸可能從動物的裝甲背部延伸到腹部，腹部覆蓋著所謂的管足。其他人認為，海星的五條手臂中的每一條都對應著一條傳統的頭尾軸。
然而，最終確認這些假設的努力面臨著挑戰，這主要是因為主要在老鼠和蒼蠅等少數模式生物中開發的檢測基因表達的方法，在年輕的海星組織中并不適用。多年來，Lowe和他的同事一直渴望通過繪制發育中的海星的遺傳活動圖，將遺傳信息應用于這個問題。但是，如果沒有經過幾十年的研究為典型的模式生物開發的復雜的遺傳工具包，這樣一個全面的分析是令人生畏的。
改變游戲規則的技術
Lowe在Biohub調查人員的一次定期舊金山會議上遇到了這個問題的解決方案，另一名研究人員建議他聯系PacBio，這是一家位于硅谷的公司，生產基因組測序設備。在過去的五年里，PacBio一直在完善一項技術，利用郵票大小的芯片對大量遺傳物質進行測序，芯片上擠滿了數百萬個單獨的化學反應器，每個反應器都被啟動，以同時讀取內部捕獲的長段DNA。
與傳統測序不同，傳統測序需要將遺傳物質切成小塊以確保準確性，PacBio的方法稱為HiFi測序，可以從完整的基因大小的DNA鏈中提取高度準確的數據，使這一過程更快、更便宜。這正是Lowe和他的團隊從頭開始建立研究海星基因的過程所需要的。
“這種需要幾個月才能完成的測序現在可以在幾個小時內完成，比五年前便宜幾百倍，”大衛·蘭克說，他也是這項新研究的共同高級作者，也是前PacBio科學研究員。“這些進展意味著我們可以從一種通常不在實驗室研究的有機體中基本上從頭開始，并進行詳細的研究，這在10年前是不可能的。”
這項技術使研究人員能夠對海星的基因組進行測序，并采用一種稱為空間轉錄組學的方法，通過這種方法，他們可以確定哪些海星基因在生物體內的精確位置是活躍的。為了尋找表明頭尾軸的模式，研究人員檢查了身體三個不同方向的基因表達差異:從海星的中心到它的臂尖，從它的頂部到它的下腹部，以及從它的臂的一側邊緣到另一側。
然后，為了更近距離地觀察某些關鍵基因是如何表現的，他們用熒光染料逐一標記它們，以創建它們在海星體內分布的詳細地圖。
研究人員發現，海星身體平面結構的兩個突出假設都不正確。相反，他們發現人類和其他雙側對稱動物前腦的基因表達位于海星手臂的中線，而人類中腦的基因表達則位于手臂的外緣。
雖然標記人類和其他雙邊動物頭部不同區域的基因在海星中表達，但只有一種通常與動物軀干相關的基因在海星手臂的邊緣表達。
“這些結果表明，棘皮動物，特別是海星，擁有我們今天所知的頭部和軀干區域分離的最引人注目的例子，”Formery說，并補充說，化石記錄中保存的一些長相怪異的海星祖先似乎確實有一個軀干。“這只是開啟了我們現在可以開始探索的大量新問題。”
通過用熒光標記染色遺傳物質，研究人員可以檢查關鍵基因在海星體內的表現。信用:uux.cn/洛朗·福里
通往新發現的大門
該團隊希望下一步解決的問題包括，在海星中看到的基因模式是否也在海膽和海參中出現。就他而言，Formery也想研究海星可以教給我們什么關于神經系統的進化，他說，沒有人完全了解棘皮動物。
研究人員說，更多地了解海星及其親屬不僅有助于解開動物進化的關鍵謎團，還可能激發醫學創新。海星通過數千個管狀腳移動水來行走，并通過將胃擠出體外來消化獵物。有理由認為，這些不尋常的生物也進化出了完全意想不到的保持健康的策略——如果我們花時間去理解它們，可以擴展我們對抗人類疾病的方法。
“在研究頻率較低的生物中工作肯定更難，”Rokhsar說。“但如果我們抓住機會探索以不同尋常的方式運作的不同尋常的動物，這意味著我們正在拓寬我們的生物學視角，這最終將幫助我們解決生態和生物醫學問題。”
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