 圖為脊索動物代表——文昌魚。索動 脊索動物門包含頭索動物、物腹尾索動物、背翻脊椎動物，人類共同特征是祖先嘴巴曾經(jīng)轉(zhuǎn)在個體發(fā)育過程或某時期有 (支撐身體的) 脊索、背神經(jīng)管 (神經(jīng)集合成一束) 和分節(jié)的消失現(xiàn)揭肌節(jié)，脊椎動物 (如人類) 又多了脊椎骨和發(fā)達(dá)的又出頭部。 圖片來源│游智凱 ；圖片重制│林洵安  龍蝦一樣有神經(jīng)管，把牠翻過來，神經(jīng)管在上、腸子在下，很像脊索動物。 圖說設(shè)計│黃曉君、林洵安  脊索動物和玉柱蟲都屬于后口動物。 若胚胎發(fā)育出現(xiàn)的第一個開口變成嘴巴，稱為原口動物，若第一個開口變成肛門，腸子往前觸到另一邊打開成為嘴巴，稱為后口動物，像海膽、玉柱蟲、文昌魚以及人類。 數(shù)據(jù)源│蘇怡璇 ；圖片來源│蘇怡璇、維基百科； 圖說重制│林洵安  人青蛙的神經(jīng)管長在背面、果蠅在腹面，正是因為控制背腹體軸發(fā)育的蛋白質(zhì)濃度分布不一樣。 數(shù)據(jù)源│蘇怡璇 ；圖片來源│維基百科、Unsplash ；圖說設(shè)計│黃曉君、林洵安  玉柱蟲的正常胚胎以及加了BMP的胚胎比較圖。 上列顯示：正常玉柱蟲的神經(jīng)系統(tǒng)分布于腹背兩側(cè)之間，以控制纖毛擺動，幫助攝食。 下列顯示：加了BMP后的玉柱蟲胚胎，嘴巴無法形成，神經(jīng)聚集在腹面。 圖片來源│蘇怡璇；圖說重制│林洵安  蘇怡璇和游智凱是一對夫妻研究員， 蘇怡璇研究海膽，游智凱研究文昌魚，這次合作親緣相近的玉柱蟲，揭開脊索動物腹背翻轉(zhuǎn)之謎。 平常兩人常常帶著研究團隊進(jìn)行讀書會，研討論文、演化相關(guān)書籍，透過彼此激蕩，才能逐步拼湊線索，構(gòu)想出全新的理論。 攝影│林洵安 （神秘的地球uux.cn報道）據(jù)《研之有物》（采訪編輯：歐宇甜 美術(shù)編輯：林洵安）：大家都知道人類是脊索動物，但你可能不曉得：脊索動物的演化過程中腹背曾經(jīng)翻轉(zhuǎn)，只是到底如何翻轉(zhuǎn)，困擾了科學(xué)家一百多年。臺灣中研院細(xì)胞與個體生物學(xué)研究所蘇怡璇副研究員以及臨海研究站游智凱主任，從玉柱蟲研究找到線索，推論脊索動物祖先在演化過程中，原本腹部的口部曾經(jīng)消失，后來又在背部演化出新嘴巴，因為嘴巴位置定義哪里是腹部 (以及相對的背部)， 就這樣造成了腹背翻轉(zhuǎn)，最終演化出脊索動物，精彩論文已于 2019 年 6 月刊登在《美國國家科學(xué)院院刊 》(PNAS)。 跟著研之有物一起來了解！ 翻過來的龍蝦像脊索動物？ 脊索動物，是動物界中的一門，包括人類、鳥類、魚類等等。 脊索動物有個重要特征：神經(jīng)管位于背部、腸胃等消化系統(tǒng)位于腹部。 以文昌魚為例： 其他動物的神經(jīng)或是散漫分布 (如水螅)，或是環(huán)繞身體 (如海膽)。 蝦子和蚯蚓與脊索動物一樣身體左右對稱，神經(jīng)集中成一束，但牠們的腸子卻在背部 (如蝦子背上黑黑的腸線)，神經(jīng)管位于腹部，跟脊索動物剛好相反。 1822 年，法國自然學(xué)家圣伊萊爾 (Geoffroy Saint-Hilaire) 就曾盯著龍蝦發(fā)想：如果把龍蝦翻過來，不就很像脊索動物(神經(jīng)管在上、腸子在下)嗎？ 那么，動物的腹背是否曾經(jīng)發(fā)生翻轉(zhuǎn)呢？ 可惜的是，在圣伊萊爾的時代，人們?nèi)詧孕拧竸?chuàng)造論」，認(rèn)為每種動物是各自獨立出現(xiàn)在地球上，彼此沒有關(guān)系。 像圣伊萊爾這種超越時代、類似「演化論」的想法被斥為無稽之談。 直到 1859 年，達(dá)爾文發(fā)表《物種起源》，科學(xué)家才開始從演化的角度，探究脊索動物腹背翻轉(zhuǎn)的謎團。 1894 年，科學(xué)家戈斯登 (Walter Garstang) 注意到棘皮動物和半索動物幼體的嘴巴皆圍繞一圈神經(jīng)，推想這圈神經(jīng)后來集中成束，演化成脊索動物的神經(jīng)管。 后人接棒推測：這圈神經(jīng)繼續(xù)往腹部集中，腹部的嘴巴卻慢慢移動到背部，因為嘴巴決定腹部的位置，就這樣造成腹背翻轉(zhuǎn)...... 「但這些『推想』都沒有實際證據(jù)，像神經(jīng)往腹部集中、嘴巴移動到背面的說法，簡直匪夷所思，我決定從半索動物玉柱蟲下手，好好研究這個問題。 」蘇怡璇說。 玉柱蟲是什么？ 可以吃嗎？ 玉柱蟲是一種海洋底棲的半索動物 (hemichordates)，身體兩側(cè)對稱，吻部碩大，因此名為「玉柱」。 牠們喜歡躲在海灘的沙堆，靠著吞食沙子以攝取有機物維生，排出「沙便」，習(xí)性很像蚯蚓。 全世界的玉柱蟲有一百多種，小的僅 10 公分、小指粗，大的可達(dá) 1 公尺，先來瞧瞧本尊： 因為玉柱蟲和脊索動物都屬于后口動物，具有鰓裂，口部附近又有類似脊索的構(gòu)造，被認(rèn)為是最接近脊索動物者，常用來研究脊索動物的起源。 蘇怡璇和游智凱打算怎么開始？ 找出玉柱蟲和脊索動物之間的過渡型態(tài)？ 非也非也！ 他們采取了演化發(fā)育生物學(xué) (Evolutionary Developmental Biology 或簡稱 Evo-Devo) 的研究進(jìn)路。 演化發(fā)育生物學(xué)：從發(fā)育找演化答案 過去大多數(shù)演化學(xué)家認(rèn)為：研究演化可以尋找生物的中間型態(tài)。 因為生物演化要累積很多小小的突變，其中必存在物種轉(zhuǎn)變的中間型態(tài)。 但實際上，不同動物門之間型態(tài)差異可能很大，根本找不到中間型態(tài)。 演化發(fā)育生物學(xué)提供另一種思考： “比較不同生物的胚胎、幼生發(fā)育，推想牠們共同祖先的發(fā)育調(diào)控機制，并探討在演化過程中發(fā)育調(diào)控機制發(fā)生了什么事 ，以至于演化出非常不同的動物型態(tài)。” 「從發(fā)育看演化，靠譜嗎？ 」這就得說到動物的發(fā)育調(diào)控機制和演化的關(guān)系...... 在演化的過程中，動物即使型態(tài)差異很大，從共同祖先繼承的發(fā)育調(diào)控機制卻幾乎一樣，就像有張基本藍(lán)圖，決定了動物如何發(fā)育 。 比方說：具有親緣關(guān)系的海膽和海星，外表看起來很不一樣，但兩者部分的發(fā)育調(diào)控機制卻是雷同的，所以胚胎和幼生也很相似。 那么，為什么會演化出型態(tài)很不一樣的后代呢？ 「當(dāng)共同祖先調(diào)控發(fā)育的基因出現(xiàn)些微突變，改變了發(fā)育機制，就可能演化出外觀差異很大的后代，例如海膽與海星。 」游智凱補充道。 玉柱蟲和脊索動物具有親緣關(guān)系，可能與脊索動物的起源有關(guān)。 如果能找到某種方法改變玉柱蟲的發(fā)育調(diào)控機制，使?fàn)蚣顾鲃游锏男蛻B(tài)發(fā)育，也許就能破解脊索動物腹背翻轉(zhuǎn)的之謎。 什么方法？ 蘇怡璇和游智凱聯(lián)想到一種可以調(diào)控動物發(fā)育的物質(zhì)：骨骼形成蛋白 BMP。 BMP：決定腹背的關(guān)鍵蛋白質(zhì) 動物的骨骼形成蛋白 BMP （Bone Morphogenic Protein），是一種可控制動物胚胎骨骼發(fā)育、神經(jīng)發(fā)育、背腹體軸發(fā)育的蛋白質(zhì)。 以青蛙胚胎來說，腹部的 BMP 濃度較高，背部有另一種會抑制 BMP 的物質(zhì) chordin，所以BMP 濃度較低。 青蛙背部和腹部的細(xì)胞分別接收到不同濃度的 BMP，就知道自己所在地是背部還是腹部，然后開啟不同的基因，讓背部順利長出神經(jīng)管。 另一方面，研究果蠅胚胎的科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，果蠅背部有一種跟 BMP 分子很像的蛋白質(zhì) DPP，也會影響神經(jīng)發(fā)育，腹部有另一種物質(zhì) sog 跟 chordin 類似，會抑制 DPP 功能。 不過因為 DPP 在果蠅背面的濃度比較高、腹面濃度比較低，所以果蠅跟青蛙相反，是在腹面長出神經(jīng)管。 那么，BMP 對玉柱蟲的神經(jīng)發(fā)育有什么影響？ 是否跟背腹體軸的翻轉(zhuǎn)有關(guān)？ 」游智凱和蘇怡璇設(shè)計實驗來破解。 脊索動物腹背翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵：嘴巴消失又出現(xiàn)！ 他們在玉柱蟲胚胎的嘴巴和神經(jīng)系統(tǒng)即將形成的關(guān)鍵期，加入 BMP，讓濃度在幾個小時內(nèi)突然提高。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常的胚胎會在腸子的腹側(cè)打開一個嘴巴，但加了 BMP 的胚胎雖然也有腸子，嘴巴卻消失了！ 而且因為腹部的 chordin 會抑制 BMP，導(dǎo)致 BMP 濃度比較低，于是圍繞口部的神經(jīng)統(tǒng)統(tǒng)聚集到腹部。 他們用海膽幼生做一樣的實驗，得到相同結(jié)果：嘴巴消失，神經(jīng)系統(tǒng)都集中到腹部！ 于是他們大膽推測：玉柱蟲和海膽的祖先有相同的發(fā)育機制，在胚胎發(fā)育期由于 BMP 濃度改變，導(dǎo)致腹部的嘴巴消失，神經(jīng)系統(tǒng)集中到腹部，成為類似像脊索動物神經(jīng)管的先驅(qū)。 后來，胚胎又在背部長出了新嘴巴，因為嘴巴定義了腹部位置，于是具有神經(jīng)管的腹部就「變成」背部，更合理解釋脊索動物背腹體軸翻轉(zhuǎn)的過程。 精彩的研究成果，已于 2019 年 6 月獲刊于《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)。 蘇怡璇表示，「實驗的執(zhí)行本身并不難，難的是實驗的設(shè)計與看到結(jié)果時，能否理解代表的意義，畢竟其中牽涉的理論是幾個世代的科學(xué)家，苦思了一、兩百年依然持續(xù)爭論的問題。 」 只是，在漫長的演化長河中曾出現(xiàn)無嘴的動物型態(tài)，還是令人匪夷所思！ 牠們可以存活？ 真的會長出新嘴巴？ 于是蘇怡璇繼續(xù)飼養(yǎng)那些「沒有嘴巴」的玉柱蟲幼生，喂食帶熒光的藻類。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：牠們可以存活至少十日，而且體內(nèi)變得亮亮的，表示真的有藻類進(jìn)入！ 可惜沒有看到新嘴巴的生成，推測玉柱蟲可能找到新開口來攝取藻類。 「我們是透過實驗證據(jù)提出另一個想法，不敢說一定是對的，畢竟沒有人知道5億年前演化到底怎么發(fā)生。 」游智凱總結(jié)。 在演化的世界里，永遠(yuǎn)有無限的謎團，等待一代代的科學(xué)家接棒破解。 |