海星的头在哪里？千古谜题有了新答案

海星的头到底在哪里？|图虫创意

如果要给海星戴上一顶帽子，那么该把帽子戴在海星的什么地方？这个问题听起来有点无厘头，但它实际上涉及到动物学和发育生物学领域中的一个严肃的问题：海星的头究竟在哪？

在生活中，无论我们是看到一条蠕虫还是一条鱼，我们都能轻易地分辨出它们的头在哪、尾在哪。然而，对于拥有五只相同“手臂”，可以用其中任何一只“手臂”推动自身在海床上移动的海星，其头部结构却困扰了博物学家几个世纪。

2023年11月1日，一项新发表于《自然》杂志的新研究给出了一个令人意想不到的答案：海星虽然没有一个具体的头，却拥有类似头部的区域，分布在身体的中心，以及它每条“手臂**”**的中心。

海星的基因活动图谱

海星跟海胆或海参一样，都属于棘皮动物。在幼年时期，海星以浮游生物的形式漂浮在海洋中。在成长过程中，它们会沉降到海底，上演一场“成长魔术”——从幼年时期的两侧对称（跨中线对称），转变成被称为五辐射对称的五角星形的成年的形体构型。

这种形体构型是不寻常的。我们所知道的绝大部分动物都是两侧对称的。在过去的研究中，科学家已经证实，动物的两侧对称形体构型源自于一系列分子开关的作用，这些开关由基因编码，在特定的头部区域和躯干区域表达。包括人类、鱼类等脊椎动物，以及昆虫、蠕虫等无脊椎动物在内的绝大多数动物物种，都有同样的遗传程序。

（注：基因表达，指的是由基因编码的信息，经过转录和翻译，产生功能性基因产物的过程。）

那么，海星是在什么样的遗传程序的驱动下，从幼年时期的两侧对称变成成年时期没有清晰的头尾的五辐射对称的？

对这一问题的探索比想象中要困难得多。主要是因为，检测基因表达的方法是从小鼠、果蝇等少数几种模式生物中发展出来的，这些方法在海星身上应用时效果不佳。

在这项新的研究中，生物学家Laurent Formery是新论文的第一作者，他在研究生时期就开始关注海胆的早期发育。海胆在变成具有五重对称的成年海胆之前，它们也是两侧对称的。

论文的通讯作者是Christopher Lowe教授，多年来，他所领导的实验室团队一直渴望能够绘制发育中的海星的基因活动图谱。在Formery加入Lowe的研究团队后，Formery在棘皮动物发育方面的知识与Lowe在分子生物学技术方面的专业知识结合在了一起，他们成功地创建了海星的基因表达的3D图谱。

揭示复杂的答案

在这项新研究中，研究人员采用RNA层析术和原位杂交技术对这一问题进行了探索。RNA层析术可以精确定位基因在组织中的表达位置，而原位杂交能精确定位细胞中特定的RNA序列。

他们将海星的身体组织切成薄片，从三个不同的方向检测了基因表达的差异：

1. 从海星的中心到“手臂”尖端

2. 从“顶部”到“下腹部”，

3. 从“手臂”的一侧边缘到另一侧边缘。

利用RNA层析术，他们确定了每个切片中表达的基因。

为了更好地观测某些关键基因的活动，他们用荧光染料对海星组织它们进行了标记。利用原位杂交技术，他们对组织样本进行了监测，观看基因会在何处表达，进而创建了一张海星体内的详细的3D基因表达图谱。

他们的研究结果表明，与大多数两侧对称动物的前脑相对应的基因表达，位于海星“手臂”的中线；与中脑相对应的基因表达位于“手臂”的边缘。

总的来说，研究人员发现，两侧对称动物的与头部有关的基因，都在海星身上得到了表达；但两侧动物的与躯干有关的基因，只有一个出现在了海星身上，这个基因位于海星“手臂”的非常边缘的位置，表明沿着海星的周长，有一个类似尾巴的区域存在。

如此说来，海星并非没有头，而更像是失去了身体，只剩下一个在海底爬行的“头”。

多样的生物

这样的结果表明，棘皮动物，尤其是海星，是我们今天所知道的头部与躯干分离的最典型例子。研究人员表示，大多数研究通常都关注与人类相似的动物群体，但如果过于专注于这些熟悉的物种，就很难了解到新的信息。

我们的地球上生活着34种不同的动物门，在大约6亿多年的时间里，它们都为应对同样的基本生物学问题给出了不同的解决方案。在如此多的动物之中，大多数是生活在海洋洞穴里的温和的动物。人们通常不会被这些动物所吸引，但它们可能代表了生命的开始。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队：原理

审核：叶盛 北京航空航天大学教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司