海星不同寻常的五轴对称性长期困扰着我们对动物进化的理解。

　　几个世纪以来,自然学家一直在对海星(通常称为海星)的头是什么感到困惑。"当你看着一条虫子或一条鱼的时候,很明显哪边是头,哪边是尾巴。但是他们的五个相同的手臂--其中任何一个都可以带头推动海星穿过海底--这是任何人的猜测，如何从背后确定生物体的前端。这个不寻常的身体计划已经导致许多人得出结论，海星可能根本没有头。

　　但是现在,斯坦福大学和加州大学伯克利分校的实验室,都是由陈扎克伯格的旧金山生物中心研究员领导的,发表了一项研究发现,真相更接近绝对相反。简而言之,当团队发现 基因签名几乎所有的青少年都有头部发育海星 ,动物躯干和尾巴部分编码的基因表达大多缺失。

　　研究人员利用各种高科技分子和基因组技术来了解海星发育和成长过程中不同基因在哪里表达。南安普顿的一个研究小组用显微扫描技术来了解这种动物的形状和结构。

　　在另一个令人吃惊的发现中，通常与头部前部有关的分子特征大部分被定位在海星每个手臂的中间，这些特征逐渐向手臂边缘移动。

　　研究，11月出版1/1 自然界这意味着，海星远不是无头海星，而是在进化过程中失去了自己的身体,变成了仅有的头。

　　"这就像是海星完全失去了一根树干,最好描述为一个头在海底爬行，"博士后和新研究的主要作者洛朗福梅里说。"这完全不是科学家对这些动物的假设。"

　　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展生物学家克里斯多夫洛和加州大学伯克利分校的丹尼尔罗克萨,动物物种分子进化的专家,已经合作了十年。

　　一个星形的拼图

　　几乎所有的动物,包括人类,都是双侧对称的,这意味着它们可以沿着从头到尾巴的一个轴分裂成两个镜像的半部分。1995年,三位使用果蝇的科学家获得了诺贝尔生理学或医学奖,以证明在大多数动物身上看到的双侧、头到尾的身体计划产生于一系列分子开关的作用,这些分子开关由基因编码,表达在明确的头部和树干区域。

　　从那以后研究人员也证实 遗传规划 大多数动物物种共有,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。

　　但是海星的身体规划长期以来一直困扰着科学家对动物进化的理解。成年海星和类似海胆和海参等类棘皮动物没有显示双侧对称性,而是有五倍对称轴,没有一个清晰的头或尾巴。而且没有人能够确定基因规划是如何推动这种不寻常的五倍对称性的。

　　一些科学家已经提出,在海星中,头-尾轴可能从动物的装甲背延伸到它的下腹部,这是地毯上的所谓管脚。其他人认为海星的五个臂对应于传统的头到尾轴的复制品。

　　然而,确定这些假说的努力面临挑战,主要是因为主要在老鼠和苍蝇等少数模式生物体内开发的基因表达检测方法在年轻海星的组织中不起作用。多年来,洛威和他的同事们一直渴望 遗传信息 通过绘制海星发育过程中的遗传活动图来解决这个问题。但是,如果没有经过数十年的研究为典型的模式生物开发出的复杂的遗传工具包,这种全面的分析是令人生畏的。

　　改变游戏技术

　　洛威在旧金山生物中心研究人员的一次定期会议上找到了解决这个问题的办法,在那里,另一位研究人员建议他联系位于硅谷的一家制造基因测序设备的公司--帕科奥。在过去的五年里,帕科维奥一直在完善一项技术,利用邮票大小的芯片来对大量的遗传物质进行排序,这些芯片里装着数百万个单个的化学反应堆,每个反应堆都准备同时读取长段的内部捕获的DNA。

　　传统的测序要求将遗传物质切成小块以确保准确性,与之不同的是,称为hifi测序的方法可以从完整的基因大小的DNA链中提取高度准确的数据,从而使这个过程更快、更便宜。这正是洛威和他的团队需要建立一个从地面研究海星遗传学的过程的原因。

　　"这种需要几个月时间的排序现在可以在几个小时内完成,而且要比五年前便宜几百倍,"大卫·赖克说,他也是这项新研究的共同高级作者,也是前太平洋生物科学研究所的一名研究员。"这些进展意味着,我们可以从零开始,从一个通常不在实验室中研究的有机体开始,并将10年前不可能进行的详细研究组合在一起。"

　　这项技术使研究人员能够对海星的基因组进行排序,并采用一种叫做空间转录法的方法,通过这种方法,他们可以确定哪些海星基因在生物体的精确位置上是活跃的。研究人员研究了身体三个不同方向的基因表达差异,从海星的中心到手臂尖,从上到下腹部,从手臂的一边到另一边。

　　然后,为了更仔细地观察某些关键基因的行为,他们用荧光染料逐一标记它们,以绘制它们在海星体内分布的详细地图。

　　研究人员发现海星体平面结构的两个显著假设都不正确。相反,他们看到 基因表达 与人类和其他双侧对称动物的前脑相对应的是位于海星手臂中线的位置,其遗传表达与中脑对手臂外缘的表达相对应。

　　虽然标志着人类和其他双边生物头的不同次区域的基因是在海星中表达的,但只有一个典型的与动物的树干相关的基因是在海星手臂的最边缘表达的。

　　"这些结果表明,棘皮类动物,特别是海星,有一个我们今天知道的最引人注目的例子,使头部和树干区域脱钩,"福梅里说,并补充说,保存在化石记录中的一些看起来像双星的海星祖先似乎有一个树干。"它只是打开了大量新的问题,我们现在可以开始探讨。"

　　新发现的大门

　　研究小组希望接下来讨论的问题是海星中的遗传模式是否也出现在海胆和海参中。就他而言,福梅里还想了解海星能教给我们什么样的神经系统的进化,他说,没有人能完全理解这种神经系统。

　　研究人员说,更多地了解海星及其近亲不仅有助于解决动物进化的关键奥秘,而且还能激发医学创新。海星通过移动的水通过几千管英尺和消化他们的猎物挤出他们的身体外的胃。毫无疑问,这些不同寻常的生物也进化出了完全出乎意料的保持健康的策略--如果我们花时间去了解它们,就可以扩大我们对抗人类疾病的方法。

　　罗克萨说:"在不太经常被研究的生物体中工作肯定很困难。""但是,如果我们利用这个机会去探索以不寻常方式运作的不寻常动物,那就意味着我们正在拓宽我们对生物学的视野,这最终将帮助我们解决生态和生物医学问题。"