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《当然》:莫得头的海鞘,揭晓心与脑的迂腐计划

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《当然》:莫得头的海鞘,揭晓心与脑的迂腐计划

时间:2022-04-22 13:39 点击:187 次

  着手:Nature Portfolio 

  数个世纪以来,作者们一直将心灵视作人类情谊、道德和勇气的中枢。而比较之下,头脑则是冷静与感性的地点。早在1898年,美国墨客John Godfrey Saxe就曾态状过这种各别。不外他在诗中回想道,心灵和头脑是相互依存的。他写道,“两者融合,长短分明。”“失去了光,因何有热?”关联词,彼时的Saxe不会解析头脑和腹黑还有着深厚的生物学计划。

  头脑是尊荣,是灵敏,是安定的气度,

  无出其右,占据谛视大的位置,

  在它之下,有一颗腹黑,大辩不言,

  关注蔼然,但却总爱意气用事。

  ——John Godfrey Saxe,1898

  在夙昔的15年里,科学家们发现了二者的发育关联。比如,2010年,研讨人员发现,在小鼠胚胎中,阔别和分化后造成腹黑的一小群细胞雷同也造成了喉咙和头部的下半部分肌肉[1]。两者的重要部位着手于吞并群细胞。

  更令人惊诧的是,大脑和腹黑的计划早于脊椎动物的演化发祥,甚而可能早于头脑本人。研讨人员在研讨海鞘(sea squirts)时或然发现了这种计划。海鞘是一种附着在海床上的泡状海洋生物,它有两个启齿,其中一个用来吸水,另一个用来喷水,海鞘的英文名便由此而来*。

  *译者注

  squirt有喷射的含义。

  海鞘是脊椎动物的至亲。

  —

  Sue Daly/Nature Picture Library

  海鞘属于被囊类无脊椎动物。尽管天渊之隔,但它们是脊椎动物最近的现有支属。被囊动物莫得真实的头部,但是它们的头和腹黑之间的演化计划却很精采。“当我第一次传奇这件事的时候心想,乱说什么呢?”华盛顿大学的演化发育生物学家Billie Swalla笑道。

  研讨人员仍是在海鞘胚胎中发现了一组通过阔别和分化造成腹黑和肖似脊椎动物喉部肌肉的细胞。这标明,在数亿年前脊椎动物和无脊椎动物这两个谱系分化之前,头与心的计划就仍是出现了。当今Swalla和其他研讨人员正尽力追忆这种计划可上推多久,是否发祥于一种肖似海鞘的、不行径的无头动物,或者是一种在游水时面朝前线、头和腹黑一路演化的动物。“这个问题让我夜不可寐——虽然还有新冠亦然。”Swalla说。

  寻找计划

  大部分动物都有一颗腹黑。从最恶浊的意旨上来说,腹黑是指将血液泵送到全身的任何血管。但是脊椎动物的腹黑是一个特有的分层器官,具有保持血液有节拍流入和流出的组织。直到大要十年前,心室腹黑的演化发祥还依然是个谜,因为细长且可游动的文昌鱼在以前被认为是脊椎动物的至亲,然则在它们身上,腹黑这种器官的肖似形式并不显着。这种半透明的箭头状动物领有一套十分低级的轮回系统——一个浅薄的泵管——因此隧道主张者认为它们莫得“心”。其中的计划似乎遗失在时间的激流里了。

  直到2006年,科学家们的酷好心才又被从头点火:一项研讨标明,文昌鱼本体上并不是脊椎动物现有最近的支属[2]。这项研讨基于对数十种脊索动物(这一门包括脊椎动物、文昌鱼以及被囊动物)的遗传分析,发现脊椎动物的至亲其实是被囊动物(见“演化树”)。这种颠覆原有通晓的新发现领先让很多研讨人员感到战栗,因为文昌鱼的外形很像鱼,但是海鞘更像是一大团口香糖泡泡——至少从外面看是这样。这项研讨的作者们回想道,“因此,咱们不应该再将被囊动物视为‘原始’动物。”

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  参考文件6

  关联词,研讨过被囊动物剖解结构的海洋生物学家对这个恶果若干感到欣忭。加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研讨所(Scripps Institution of Oceanography)的演化发育学家Linda Holland认为,对于脊索动物躯体在演化进度中奈何演变的假定,与早期的谱系“格格不入”。比如,文昌鱼的腹黑与脊椎动物的腹黑毫无相似之处,而海鞘的却和脊椎动物有一定的相似性,而且构造复杂。

  在被囊动物不起眼的外在下,有一层分层的V型腹黑,周围环绕着螺旋形的肌肉纤维,这些肌肉纤维以渐进的方式扭动诽谤腹黑,使血液朝一个标的流动。它们的腹黑还不错逆转血流的标的。

  腹黑细胞启程了

  为了探索被囊动物腹黑的演化,加州大学伯克利分校的博士后研讨员Bradley Davidson在本世纪初将眼光投向了一种名为“玻璃海鞘”(Ciona intestinalis)的海鞘物种。一个多世纪以来,发育生物学家们一直在勤劳地跟踪胚胎中单个细胞的阔别和迁徙。Davidson也坚持了这一传统做法。Davidson对海鞘胚胎进行了基因惩办,使含有抒发脊椎动物腹黑造成基因(Mesp)的细胞在荧光灯下发出绿光。当他在高倍显微镜下知悉这些胚胎时,一团将在发育后期造成腹黑的约16个细胞被绿光点亮。

  2005年,另一位博士后研讨员Lionel Christiaen加入伯克利施行室,并决定叠加Davidson的施行。一天早上,他给胚胎和发光的细胞团拍照后就离开了校园。没什么极端原因,但他决定晚上再查验一下。“那天我满脑子都是科学,”Christiaen回忆道。他当今是挪威卑尔根大学萨斯海外海洋分子生物学中心(Sars International Center for Marine Molecular Biology)的演化生物学家。

  令他惊诧的是,一些发绿光的细胞仍是迁徙到了胚胎的另一侧,而且在动物正在发育的咽部隔壁造成了一个环。成年海鞘的咽部充满了水,大要将浮游生物过滤到消化系统,并开释出残余部分喷掉。在脊椎动物身上,咽部是喉的一部分,比如鱼类用它们的咽部惩办从展开的嘴里吞咽的水。Christiaen解析有研讨标明老鼠的腹黑肌肉和头部属半部分的一些肌肉来自于相通的胚胎细胞库[3]。他想解析是否能在被囊动物的胚胎中知悉到雷同的形式。

  - Fabio Buonocore -

  早在1983年,研讨脊椎动物发祥的生物学家提议了“新头”假说[4],态状特有的头部属方有一颗搏动腹黑的演化进程,那时腹黑和头部前体细胞的关联还不为人所知。他们态状了这样一个场景:当然聘用鼓励了一系列特征,校正了脊椎动物进食和捕猎的才能。其中一项顺应性变化是颌骨是由造成脊椎动物骨骼的神经嵴细胞演化而来。其他重要顺应还包括捕猎者新头部更为灵敏的嗅觉器官,和整合信号的复杂大脑。

  提议“新头”假说的研讨者们主要关注造成颌骨和其他骨骼的细胞,令颌骨自如行径的咽部和头下部周围肌肉的演化尚存空缺。几十年来,这些肌肉的演化一直难以捉摸,直到Christiaen在被囊动物胚胎中发现了带有被激活的Mesp基因的细胞环。

  Christiaen和共事们进行了第二次施行。这一次,他们让含有抒发下颌造成基因(Islet and Tbx1/10)的细胞在被囊动物胚胎中发出绿光。竟然,这些细胞来自于制造腹黑的吞并群细胞。在2010年的一份论述[5]中,该团队创造了“心咽(cardiopharyngeal)”一词来态状造成被囊动物腹黑和咽部的胚胎细胞。他们认为这些细胞可能存在于被囊动物和脊椎动物的共同祖宗中,甚而有可能有助于脊椎动物的轮回、呼吸和进食系统的共同演化。“心咽细胞出当今颌骨之前,”Christiaen说,“它们权术着带有肌肉的头骨造成。”

  有心在,不远行

  另一位在西班牙巴塞罗那大学研讨脊椎动物过头至亲发祥的演化生物学家Cristian Cañestro说,Christiaen的研讨标明,脊椎动物和被囊动物“临了的共同祖宗身上存在演化出‘新头’的机制”。然则那些祖宗确实有头吗?

  它们可能是有脑袋的,仅仅被囊动物丢掉了我方的脑袋。有两个事实扶持这一意见。被囊动物在附着于岩石或海床上之前,它们的幼体是不错解放泳动的,也有显着的前端和尾端。有一种名为“尾海鞘(larvaceans)”的被囊动物,形如游动的孑孓,一世都能解放出动。不到几厘米长的尾海鞘舞动着尾巴穿梭在海洋中,游动时会产生一股水流,流经它们在体魄周围造成的气泡状“屋子”,从而过滤浮游生物。

  尾海鞘

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  2016 MBARI

  一些研讨者认为,尾海鞘的存在似乎标明有这样一种可解放出动的被囊动物祖宗。Cañestro以为是时候多了解一下尾海鞘了,于是他在巴塞罗那的施行室地下室里养了一群尾海鞘。数百只尾海鞘住在一只装有轮回盐水的玻璃缸中,像灰尘一样轻盈飘地游来游去,渡过它们移时的生命。“在第五天的时候,”Cañestro解释道,“它们一刹开释出了数百个精子和卵子,漂流在水面上。”

  当他的研讨生Alfonso Ferrández寻找博士神气时,Cañestro将他带到这个地下室看尾海鞘,建议他研讨尾海鞘的腹黑发育。Ferrández便驱动寻找Mesp和其他已知的鸿沟被囊动物和脊椎动物腹黑发育的基因,但是却一无所获。他战胜指南,叠加施行,还使用各式想到机措施来筛选基因组序列,恶果都不著生效。最终,他和Cañestro认为尾海鞘根柢莫得大大都腹黑基因。基因缺失对于尾海鞘来说并不虞外——因为它们是动物王国中领有最小基因组的生物之一;但这很奇怪,因为它们仍然领有一颗跨越的腹黑,和这些基因在其他动物体内编码造成的相通体魄部位。“就在阿谁时候,我驱动对这个神气产生了极大的意思意思,”Ferrández说,“起始我对腹黑的演化史莫得那么进击,但这样一来就故风趣了。”

  当新冠肺炎席卷群众的时候,Ferrández带着这种关注连续进行研讨。即使在西班牙扩充严格的闭塞时间,他也赢得了许可,不错去施行室奉侍尾海鞘,连续做神气。尽管没能找到Mesp和其他已知的腹黑基因,Ferrández仍设法归附了一些有助于造成尾海鞘浅薄腹黑的基因。尾海鞘的腹黑仅有八个肌肉细胞,这些细胞有节拍地诽谤,将血液泵送到体魄各处。Cañestro说,在演化进程中,尾海鞘在基因缺失的情况下得以幸存,找到了其他方式来打造用于出动、进食和繁衍的体魄部位。“基因缺失不错是顺应性的。”

  该团队在客岁11月发表的一篇论文[6]中回想,尾海鞘似乎是被囊动物家眷中一个奇怪的分支,而非代表祖宗的情状。有鉴于此,研讨人员提议被囊动物的祖宗很有可能像海鞘那样不出动,而不是像形态变异性极大的尾海鞘那样解放活命。当今赴任于宾夕法尼亚州斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College)的Davidson说,“我很心爱这篇论文”。他认为这项责任展示了物千般种性是奈何从相通的起程点演化而来。

  但在这般千般性之中很难找到追忆动物祖宗的踪迹。尽管有尾海鞘的最新研讨,Holland如故很难笃信被囊动物原先是不动的。为解释她的论点,Holland列出多个原因讲解海鞘可能是个异类,还例举了尾海鞘和文昌鱼的几个共同特征,标明它们与更早期生物有所计划。在将来几年里,她和其他研讨人员将对细胞乃至基因进行一一研讨,连续揭示脊椎动物过头至亲是奈何发育的细节。他们还会研讨数亿年来基因组发生了哪些变化才使这一切成为可能。现时似乎唯独笃定的是,这些变化是在腹黑跃动之中发生的。

  “脊椎动物的腹黑可能是从肖似于被囊动物腹黑的组织演化而来的,但要解析被囊动物正在快速演化,”Holland沉思,“咱们也许始终无法确凿地解析它们的共同祖宗是什么模样的,只解析它有一颗心。”

  参考文件

  1。 Lescroart, F。 et al。 Development137, 3269–3279 (2010)。

  2。 Delsuc, F。, Brinkmann, H。, Chourrout, D。 & Philippe, H。 Nature439, 965–968 (2006)。

  3。 Nathan, E。 et al。 Development135, 647–657 (2008)。

  4。 Gans, C。 & Northcutt, R。 G。 Science 220, 268–273 (1983)。

  5。 Stolfi, A。 et al。 Science329, 565–568 (2010)。

  6。 Ferrández-Roldán, A。 et al。 Nature599, 431–435 (2021)。

  © nature

  doi: 10.1038/d41586-022-00413-y

  原文以An ancient link between heart and head — as seen in the blobby, headless sea squirt为标题发表在2022年2月14日《当然》的新闻特写版本上:

  https://www.nature.com/articles/d41586-022-00413-y?utm_source=wechat&utm_medium=social&utm_content=organic&utm_campaign=CONR_AUTCC_ENGM_CN_CNCM_NFHCN

  https://mp.weixin.qq.com/s/1lH-d1dqEIAkclPsUJdyuw

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