浙江
Patiria miniata
图源：inaturalist·diomedea_exulans_li
几个世纪以来，科学家们一直对海星的头部在哪、是如何构成的感到困惑。我们在观察蠕虫、鱼等动物时，能很明显地看出哪一端是头，哪一端是尾。但是，海星有五个相同的手臂，其中任何一个都可以带头推动海星穿过海床。这种不寻常的身体结构使得许多人认为，海星可能根本就没有头。
然而，斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员此前发表了一项研究，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。”
01
不寻常的海星
几乎所有动物，包括人类，都是两侧对称的，这意味着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。
Patiria miniata
图源：inaturalist·nmiller63003
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。
Oreaster reticulatus
图源：inaturalist·lkustra
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。
02
海星整体就是 “头”
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。因此看起来整个棘皮动物的身体结构，大致相当于其它动物群体的头部。
Plectaster decanus
图源：inaturalist·backyardzoology
这表明，海星和其它棘皮动物或通过“抛弃”其双侧对称祖先的躯干区域，进化出了“五重对称”结构，这也让它们的移动和进食方式，都与双侧对称的动物不同。
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