 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)，困擾了科學家一百多年。臺灣中研院細胞與個體生物學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，達爾文發(fā)表《物種起源》，科學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 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 (Evolutionary Developmental Biology 或簡稱 Evo-Devo) 的研究進路。 演化發(fā)育生物學：從發(fā)育找演化答案 過去大多數(shù)演化學家認為：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，使牠朝向脊索動物的型態(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，永遠有無限的謎團，等待一代代的科學家接棒破解。 |