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没有头的海鞘,揭晓心与脑的古老联系

身体各部分之间的重要联系,有助于人们深入了解脊椎动物近亲的演化。

 

撰文 | Amy Maxmen

翻译 | 施普林格·自然上海办公室

 

数个世纪以来,作家们一直将心灵视作人类激情、道德和勇气的核心。而相比之下,头脑则是冷静与理性的所在。早在1898年,美国诗人John Godfrey Saxe就曾描述过这种差异。不过他在诗中总结道,心灵和头脑是相互依存的。他写道,“两者结合,相得益彰。”“失去了光,何以有热?”然而,彼时的Saxe不会知道头脑和心脏还有着深厚的生物学联系。“

头脑是尊严,是智慧,是从容的气度,

高高在上,占据着重要的位置,

在它之下,有一颗心脏,深藏不露,

热情温暖,但却总爱意气用事。

—— John Godfrey Saxe,1898

在过去的15年里,科学家们发现了二者的发育关联。比如,2010年,研究人员发现,在小鼠胚胎中,分裂和分化后形成心脏的一小群细胞同样也形成了喉咙和头部的下半部分肌肉[3]。两者的关键部位来源于同一群细胞。

插画:Fabio Buonocore

更令人惊讶的是,大脑和心脏的联系早于脊椎动物的演化起源,甚至可能早于头脑本身。研究人员在研究海鞘(sea squirts)时偶然发现了这种联系。海鞘是一种附着在海床上的泡状海洋生物,它有两个开口,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。(译注:squirt有喷射的含义)海鞘属于被囊类无脊椎动物。尽管天差地别,但它们是脊椎动物最近的现存亲属。被囊动物没有真正的头部,但是它们的头和心脏之间的演化联系却很紧密。“当我第一次听说这件事的时候心想,瞎说什么呢?”华盛顿大学的演化发育生物学家Billie Swalla笑道。研究人员已经在海鞘胚胎中发现了一组通过分裂和分化形成心脏和类似脊椎动物喉部肌肉的细胞。这表明,在数亿年前脊椎动物和无脊椎动物这两个谱系分化之前,头与心的联系就已经出现了。现在Swalla和其他研究人员正努力追溯这种联系可上推多久,是否起源于一种类似海鞘的、不活动的无头动物,或者是一种在游泳时面朝前方、头和心脏一起演化的动物。“这个问题让我夜不能寐——当然还有新冠也是。” Swalla说。
 

寻找联系

大部分动物都有一颗心脏。从最模糊的意义上来说,心脏是指将血液泵送到全身的任何血管。但是脊椎动物的心脏是一个独特的分层器官,具有保持血液有节奏流入和流出的组织。直到大约十年前,心室心脏的演化起源还依然是个谜,因为细长且可游动的文昌鱼在以前被认为是脊椎动物的近亲,可是在它们身上,心脏这种器官的类似形式并不明显。这种半透明的箭头状动物拥有一套非常初级的循环系统——一个简单的泵管——因此纯粹主义者认为它们没有“心”。其中的联系似乎遗失在时间的洪流里了。
直到2006年,科学家们的好奇心才又被重新点燃:一项研究表明,文昌鱼实际上并不是脊椎动物现存最近的亲属[2]这项研究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,发现脊椎动物的近亲其实是被囊动物(见“演化树”)。这种颠覆原有认知的新发现最初让许多研究人员感到震惊,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。这项研究的作者们总结道,“因此,我们不应该再将被囊动物视为‘原始’动物。”

来源:参考文献[6]

然而,研究过被囊动物解剖结构的海洋生物学家对这个结果多少感到欣慰。加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)的演化发育学家Linda Holland认为,关于脊索动物躯体在演化进程中如何演变的假设,与早期的谱系“自相矛盾”。比如,文昌鱼的心脏与脊椎动物的心脏毫无相似之处,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表下,有一层分层的V型心脏,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收缩心脏,使血液朝一个方向流动。它们的心脏还可以逆转血流的方向。
 

心脏细胞上路了

为了探索被囊动物心脏的演化,加州大学伯克利分校的博士后研究员Bradley Davidson在本世纪初将目光投向了一种名为“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费力地追踪胚胎中单个细胞的分裂和迁移。Davidson也沿袭了这一传统做法。Davidson对海鞘胚胎进行了基因处理,使含有表达脊椎动物心脏形成基因(Mesp)的细胞在荧光灯下发出绿光。当他在高倍显微镜下观察这些胚胎时,一团将在发育后期形成心脏的约16个细胞被绿光点亮。

2005年,另一位博士后研究员Lionel Christiaen加入伯克利实验室,并决定重复Davidson的实验。一天早上,他给胚胎和发光的细胞团拍照后就离开了校园。没什么特别原因,但他决定晚上再检查一下。“那天我满脑子都是科学,”Christiaen回忆道。他现在是挪威卑尔根大学萨斯国际海洋分子生物学中心(Sars International Center for Marine Molecular Biology)的演化生物学家。令他惊讶的是,一些发绿光的细胞已经迁移到了胚胎的另一侧,并且在动物正在发育的咽部附近形成了一个环。成年海鞘的咽部充满了水,能够将浮游生物过滤到消化系统,并释放出残余部分喷掉。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处理从张开的嘴里吞咽的水。Christiaen知道有研究表明老鼠的心脏肌肉和头部下半部分的一些肌肉来自于相同的胚胎细胞库[3]。他想知道是否能在被囊动物的胚胎中观察到同样的现象。

早在1983年,研究脊椎动物起源的生物学家提出了“新头”假说[4],描述独特的头部下方有一颗搏动心脏的演化过程,当时心脏和头部前体细胞的关联还不为人所知。他们描述了这样一个场景:自然选择推动了一系列特征,改进了脊椎动物进食和捕猎的能力。其中一项适应性变化是颌骨是由形成脊椎动物骨骼的神经嵴细胞演化而来。其他关键适应还包括捕猎者新头部更为灵敏的感觉器官,和整合信号的复杂大脑。提出“新头”假说的研究者们主要关注形成颌骨和其他骨骼的细胞,令颌骨自如活动的咽部和头下部周围肌肉的演化尚存空白。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。

海鞘是脊椎动物的近亲。来源:Sue Daly/Nature Picture LibraryChristiaen

和同事们进行了第二次实验。这一次,他们让含有表达下颌形成基因(Islet and Tbx1/10)的细胞在被囊动物胚胎中发出绿光。果然,这些细胞来自于制造心脏的同一群细胞。在2010年的一份报告[5]中,该团队创造了“心咽(cardiopharyngeal)”一词来描述形成被囊动物心脏和咽部的胚胎细胞。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先中,甚至有可能有助于脊椎动物的循环、呼吸和进食系统的共同演化。“心咽细胞出现在颌骨之前,”Christiaen说,“它们预备着带有肌肉的头骨形成。”
有心在 不远行

 

另一位在西班牙巴塞罗那大学研究脊椎动物及其近亲起源的演化生物学家Cristian Cañestro说,Christiaen的研究表明,脊椎动物和被囊动物“最后的共同祖先身上存在演化出‘新头’的机制”。可是那些祖先真的有头吗?
它们可能是有脑袋的,只是被囊动物丢掉了自己的脑袋。有两个事实支撑这一观点。被囊动物在附着于岩石或海床上之前,它们的幼体是可以自由泳动的,也有明显的前端和尾端。有一种名为“尾海鞘(larvaceans)”的被囊动物,形如游动的孑孓,一生都能自由移动。不到几厘米长的尾海鞘摆动着尾巴穿梭在海洋中,游动时会产生一股水流,流经它们在身体周围形成的气泡状“房子”,从而过滤浮游生物。一些研究者认为,尾海鞘的存在似乎表明有这样一种可自由移动的被囊动物祖先。Cañestro觉得是时候多了解一下尾海鞘了,于是他在巴塞罗那的实验室地下室里养了一群尾海鞘。数百只尾海鞘住在一只装有循环盐水的玻璃缸中,像灰尘一样轻飘飘地游来游去,度过它们短暂的生命。“在第五天的时候,”Cañestro解释道,“它们突然释放出了数百个精子和卵子,漂浮在水面上。”当他的研究生Alfonso Ferrández寻找博士项目时,Cañestro将他带到这个地下室看尾海鞘,建议他研究尾海鞘的心脏发育。Ferrández便开始寻找Mesp和其他已知的控制被囊动物和脊椎动物心脏发育的基因,但是却一无所获。他遵循指南,重复实验,还使用各种计算机程序来筛选基因组序列,结果都无济于事。最终,他和Cañestro认为尾海鞘根本没有大多数心脏基因。基因缺失对于尾海鞘来说并不意外——因为它们是动物王国中拥有最小基因组的生物之一;但这很奇怪,因为它们仍然拥有一颗跳动的心脏,和这些基因在其他动物体内编码形成的相同身体部位。“

就在那个时候,我开始对这个项目产生了极大的兴趣,”Ferrández说,“起初我对心脏的演化史没有那么热切,但这么一来就有意思了。”当新冠肺炎席卷全球的时候,Ferrández带着这种热情继续进行研究。即使在西班牙实施严格的封锁期间,他也获得了许可,可以去实验室养活尾海鞘,继续做项目。尽管没能找到Mesp和其他已知的心脏基因,Ferrández仍设法恢复了一些有助于形成尾海鞘简单心脏的基因。尾海鞘的心脏仅有八个肌肉细胞,这些细胞有节奏地收缩,将血液泵送到身体各处。

Cañestro说,在演化过程中,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移动、进食和繁殖的身体部位。“基因缺失可以是适应性的。”该团队在去年11月发表的一篇论文[6]中总结,尾海鞘似乎是被囊动物家族中一个奇怪的分支,而非代表祖先的状况。有鉴于此,研究人员提出被囊动物的祖先很有可能像海鞘那样不移动,而不是像形态变异性极大的尾海鞘那样自由生活。现在就职于宾夕法尼亚州斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College)的Davidson说,“我很喜欢这篇论文”。他认为这项工作展示了物种多样性是如何从相同的起点演化而来。但在这般多样性之中很难找到追溯动物祖先的线索。尽管有尾海鞘的最新研究,Holland还是很难相信被囊动物原先是不动的。为证明她的论点,Holland列出多个原因说明海鞘可能是个异类,还例举了尾海鞘和文昌鱼的几个共同特征,表明它们与更早期生物有所联系。在未来几年里,她和其他研究人员将对细胞乃至基因进行逐个研究,继续揭示脊椎动物及其近亲是如何发育的细节。他们还会研究数亿年来基因组发生了哪些变化才使这一切成为可能。目前似乎唯一确定的是,这些变化是在心脏跃动之中发生的。“脊椎动物的心脏可能是从类似于被囊动物心脏的组织演化而来的,但要知道被囊动物正在快速演化,”Holland沉思,“我们也许永远无法确切地知道它们的共同祖先是什么样子的,只知道它有一颗心。”

 

参考文献

[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).

 

本文经授权转载自微信公众号“Nature Portfolio”。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《自然》的新闻特写版块上。

原文链接: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

 



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