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海星不寻常的五轴对称长期以来困扰着我们对动物进化的理解。鸣谢:uux.cn/陈·扎克伯格生物中心
（神秘的为海地球uux.cn）据陈·扎克伯格：几个世纪以来，博物学家一直困惑于海星的星没星头部是由什么构成的，海星通常被称为“海星”当你看一条虫子或一条鱼时，但海很清楚哪一端是长期头，哪一端是人们尾。但是为海由于它们有五个相同的手臂——其中任何一个都可以率先推动海星穿过海底——任何人都无法猜测如何从背部确定有机体的前端。这种不寻常的星没星身体结构让许多人认为海星可能根本没有头。
但现在，但海由旧金山研究人员陈·扎克伯格生物中心领导的长期斯坦福大学和加州大学伯克利分校的实验室发表了一项研究，发现事实更接近于绝对相反。人们简而言之，为海虽然研究小组在幼年海星的星没星几乎所有地方都检测到了与头部发育相关的基因签名，但编码动物躯干和尾部的但海基因表达却基本缺失。
研究人员利用各种高科技分子和基因组技术来了解不同基因在海星发育和生长过程中的表达位置。南安普敦的一个团队使用微CT扫描以前所未有的细节了解了动物的形状和结构。
在另一个令人惊讶的发现中，通常与头部最前面部分相关的分子信号被定位在每个海星臂的中间，这些信号朝着臂的边缘逐渐变得越来越靠后。
发表在11月1日《自然》杂志上的这项研究表明，海星远非无头，而是在进化过程中失去了身体，变成了仅有的头。
“这就好像海星完全失去了一个躯干，最好描述为只是一个沿着海底爬行的头，”博士后学者兼新研究的第一作者洛朗·福尔米说。"这根本不是科学家们对这些动物的假设。"
这项研究的三位共同资深作者中的两位，斯坦福大学的海洋和发育生物学家克里斯托弗·洛和加州大学伯克利分校的动物物种分子进化专家丹尼尔·洛克萨尔，已经合作了十年。
星形拼图
几乎所有的动物，包括人类，都是左右对称的，这意味着它们可以沿着从头部到尾部的单一轴线分成镜像的两半。1995年，诺贝尔生理学或医学奖授予了三位科学家，他们利用果蝇证明了大多数动物的头至尾的双侧身体结构是由一系列分子开关的作用产生的，这些分子开关由基因编码，在特定的头部和躯干区域表达。
研究人员已经证实，绝大多数动物物种都有相同的遗传程序，包括人类和鱼类等脊椎动物，以及昆虫和蠕虫等许多无脊椎动物。
但是海星的身体结构一直困扰着科学家对动物进化的理解。成年海星——以及相关的棘皮动物，如海胆和海参——没有显示出两侧对称，而是有五重对称轴，没有清晰的头部或尾部。没有人能够确定基因编程是如何驱动这种不寻常的五重对称的。
一些科学家提出，在海星中，头尾轴可能从动物的装甲背部延伸到腹部，腹部覆盖着所谓的管足。其他人认为，海星的五条手臂中的每一条都对应着一条传统的头尾轴。
然而，最终确认这些假设的努力面临着挑战，这主要是因为主要在老鼠和苍蝇等少数模式生物中开发的检测基因表达的方法，在年轻的海星组织中并不适用。多年来，Lowe和他的同事一直渴望通过绘制发育中的海星的遗传活动图，将遗传信息应用于这个问题。但是，如果没有经过几十年的研究为典型的模式生物开发的复杂的遗传工具包，这样一个全面的分析是令人生畏的。
改变游戏规则的技术
Lowe在Biohub调查人员的一次定期旧金山会议上遇到了这个问题的解决方案，另一名研究人员建议他联系PacBio，这是一家位于硅谷的公司，生产基因组测序设备。在过去的五年里，PacBio一直在完善一项技术，利用邮票大小的芯片对大量遗传物质进行测序，芯片上挤满了数百万个单独的化学反应器，每个反应器都被启动，以同时读取内部捕获的长段DNA。
与传统测序不同，传统测序需要将遗传物质切成小块以确保准确性，PacBio的方法称为HiFi测序，可以从完整的基因大小的DNA链中提取高度准确的数据，使这一过程更快、更便宜。这正是Lowe和他的团队从头开始建立研究海星基因的过程所需要的。
“这种需要几个月才能完成的测序现在可以在几个小时内完成，比五年前便宜几百倍，”大卫·兰克说，他也是这项新研究的共同高级作者，也是前PacBio科学研究员。“这些进展意味着我们可以从一种通常不在实验室研究的有机体中基本上从头开始，并进行详细的研究，这在10年前是不可能的。”
这项技术使研究人员能够对海星的基因组进行测序，并采用一种称为空间转录组学的方法，通过这种方法，他们可以确定哪些海星基因在生物体内的精确位置是活跃的。为了寻找表明头尾轴的模式，研究人员检查了身体三个不同方向的基因表达差异:从海星的中心到它的臂尖，从它的顶部到它的下腹部，以及从它的臂的一侧边缘到另一侧。
然后，为了更近距离地观察某些关键基因是如何表现的，他们用荧光染料逐一标记它们，以创建它们在海星体内分布的详细地图。
研究人员发现，海星身体平面结构的两个突出假设都不正确。相反，他们发现人类和其他双侧对称动物前脑的基因表达位于海星手臂的中线，而人类中脑的基因表达则位于手臂的外缘。
虽然标记人类和其他双边动物头部不同区域的基因在海星中表达，但只有一种通常与动物躯干相关的基因在海星手臂的边缘表达。
“这些结果表明，棘皮动物，特别是海星，拥有我们今天所知的头部和躯干区域分离的最引人注目的例子，”Formery说，并补充说，化石记录中保存的一些长相怪异的海星祖先似乎确实有一个躯干。“这只是开启了我们现在可以开始探索的大量新问题。”

通过用荧光标记染色遗传物质，研究人员可以检查关键基因在海星体内的表现。信用:uux.cn/洛朗·福里
通往新发现的大门
该团队希望下一步解决的问题包括，在海星中看到的基因模式是否也在海胆和海参中出现。就他而言，Formery也想研究海星可以教给我们什么关于神经系统的进化，他说，没有人完全了解棘皮动物。
研究人员说，更多地了解海星及其亲属不仅有助于解开动物进化的关键谜团，还可能激发医学创新。海星通过数千个管状脚移动水来行走，并通过将胃挤出体外来消化猎物。有理由认为，这些不寻常的生物也进化出了完全意想不到的保持健康的策略——如果我们花时间去理解它们，可以扩展我们对抗人类疾病的方法。
“在研究频率较低的生物中工作肯定更难，”Rokhsar说。“但如果我们抓住机会探索以不同寻常的方式运作的不同寻常的动物，这意味着我们正在拓宽我们的生物学视角，这最终将帮助我们解决生态和生物医学问题。”