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內(nèi)容摘要：海星不尋常的五軸對(duì)稱(chēng)長(zhǎng)期以來(lái)困擾著我們對(duì)動(dòng)物進(jìn)化的理解。鳴謝:uux.cn/陳·扎克伯格生物中心神秘的地球uux.cn）據(jù)陳·扎克伯格：幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，博物學(xué)家一直困惑于海星的頭部是由什么構(gòu)成的，海星通 溫州外圍（外圍上門(mén)）外圍女預(yù)約（電話微信199-7144-9724）一二線城市快速預(yù)約，30分鐘可以到達(dá)

海星不尋常的五軸對(duì)稱(chēng)長(zhǎng)期以來(lái)困擾著我們對(duì)動(dòng)物進(jìn)化的理解。鳴謝:uux.cn/陳·扎克伯格生物中心
（神秘的為海溫州外圍（外圍上門(mén)）外圍女預(yù)約（電話微信199-7144-9724）一二線城市快速預(yù)約，30分鐘可以到達(dá)地球uux.cn）據(jù)陳·扎克伯格：幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，博物學(xué)家一直困惑于海星的星沒(méi)星頭部是由什么構(gòu)成的，海星通常被稱(chēng)為“海星”當(dāng)你看一條蟲(chóng)子或一條魚(yú)時(shí)，但海很清楚哪一端是長(zhǎng)期頭，哪一端是人們尾。但是為海由于它們有五個(gè)相同的手臂——其中任何一個(gè)都可以率先推動(dòng)海星穿過(guò)海底——任何人都無(wú)法猜測(cè)如何從背部確定有機(jī)體的前端。這種不尋常的星沒(méi)星身體結(jié)構(gòu)讓許多人認(rèn)為海星可能根本沒(méi)有頭。
但現(xiàn)在，但海由舊金山研究人員陳·扎克伯格生物中心領(lǐng)導(dǎo)的長(zhǎng)期斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了一項(xiàng)研究，發(fā)現(xiàn)事實(shí)更接近于絕對(duì)相反。人們簡(jiǎn)而言之，為海雖然研究小組在幼年海星的星沒(méi)星幾乎所有地方都檢測(cè)到了與頭部發(fā)育相關(guān)的基因簽名，但編碼動(dòng)物軀干和尾部的但海基因表達(dá)卻基本缺失。
研究人員利用各種高科技分子和基因組技術(shù)來(lái)了解不同基因在海星發(fā)育和生長(zhǎng)過(guò)程中的溫州外圍（外圍上門(mén)）外圍女預(yù)約（電話微信199-7144-9724）一二線城市快速預(yù)約，30分鐘可以到達(dá)表達(dá)位置。南安普敦的一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用微CT掃描以前所未有的細(xì)節(jié)了解了動(dòng)物的形狀和結(jié)構(gòu)。
在另一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)中，通常與頭部最前面部分相關(guān)的分子信號(hào)被定位在每個(gè)海星臂的中間，這些信號(hào)朝著臂的邊緣逐漸變得越來(lái)越靠后。
發(fā)表在11月1日《自然》雜志上的這項(xiàng)研究表明，海星遠(yuǎn)非無(wú)頭，而是在進(jìn)化過(guò)程中失去了身體，變成了僅有的頭。
“這就好像海星完全失去了一個(gè)軀干，最好描述為只是一個(gè)沿著海底爬行的頭，”博士后學(xué)者兼新研究的第一作者洛朗·福爾米說(shuō)。"這根本不是科學(xué)家們對(duì)這些動(dòng)物的假設(shè)。"
這項(xiàng)研究的三位共同資深作者中的兩位，斯坦福大學(xué)的海洋和發(fā)育生物學(xué)家克里斯托弗·洛和加州大學(xué)伯克利分校的動(dòng)物物種分子進(jìn)化專(zhuān)家丹尼爾·洛克薩爾，已經(jīng)合作了十年。
星形拼圖
幾乎所有的動(dòng)物，包括人類(lèi)，都是左右對(duì)稱(chēng)的，這意味著它們可以沿著從頭部到尾部的單一軸線分成鏡像的兩半。1995年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了三位科學(xué)家，他們利用果蠅證明了大多數(shù)動(dòng)物的頭至尾的雙側(cè)身體結(jié)構(gòu)是由一系列分子開(kāi)關(guān)的作用產(chǎn)生的，這些分子開(kāi)關(guān)由基因編碼，在特定的頭部和軀干區(qū)域表達(dá)。
研究人員已經(jīng)證實(shí)，絕大多數(shù)動(dòng)物物種都有相同的遺傳程序，包括人類(lèi)和魚(yú)類(lèi)等脊椎動(dòng)物，以及昆蟲(chóng)和蠕蟲(chóng)等許多無(wú)脊椎動(dòng)物。
但是海星的身體結(jié)構(gòu)一直困擾著科學(xué)家對(duì)動(dòng)物進(jìn)化的理解。成年海星——以及相關(guān)的棘皮動(dòng)物，如海膽和海參——沒(méi)有顯示出兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，而是有五重對(duì)稱(chēng)軸，沒(méi)有清晰的頭部或尾部。沒(méi)有人能夠確定基因編程是如何驅(qū)動(dòng)這種不尋常的五重對(duì)稱(chēng)的。
一些科學(xué)家提出，在海星中，頭尾軸可能從動(dòng)物的裝甲背部延伸到腹部，腹部覆蓋著所謂的管足。其他人認(rèn)為，海星的五條手臂中的每一條都對(duì)應(yīng)著一條傳統(tǒng)的頭尾軸。
然而，最終確認(rèn)這些假設(shè)的努力面臨著挑戰(zhàn)，這主要是因?yàn)橹饕诶鲜蠛蜕n蠅等少數(shù)模式生物中開(kāi)發(fā)的檢測(cè)基因表達(dá)的方法，在年輕的海星組織中并不適用。多年來(lái)，Lowe和他的同事一直渴望通過(guò)繪制發(fā)育中的海星的遺傳活動(dòng)圖，將遺傳信息應(yīng)用于這個(gè)問(wèn)題。但是，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)幾十年的研究為典型的模式生物開(kāi)發(fā)的復(fù)雜的遺傳工具包，這樣一個(gè)全面的分析是令人生畏的。
改變游戲規(guī)則的技術(shù)
Lowe在Biohub調(diào)查人員的一次定期舊金山會(huì)議上遇到了這個(gè)問(wèn)題的解決方案，另一名研究人員建議他聯(lián)系PacBio，這是一家位于硅谷的公司，生產(chǎn)基因組測(cè)序設(shè)備。在過(guò)去的五年里，PacBio一直在完善一項(xiàng)技術(shù)，利用郵票大小的芯片對(duì)大量遺傳物質(zhì)進(jìn)行測(cè)序，芯片上擠滿了數(shù)百萬(wàn)個(gè)單獨(dú)的化學(xué)反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器都被啟動(dòng)，以同時(shí)讀取內(nèi)部捕獲的長(zhǎng)段DNA。
與傳統(tǒng)測(cè)序不同，傳統(tǒng)測(cè)序需要將遺傳物質(zhì)切成小塊以確保準(zhǔn)確性，PacBio的方法稱(chēng)為HiFi測(cè)序，可以從完整的基因大小的DNA鏈中提取高度準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使這一過(guò)程更快、更便宜。這正是Lowe和他的團(tuán)隊(duì)從頭開(kāi)始建立研究海星基因的過(guò)程所需要的。
“這種需要幾個(gè)月才能完成的測(cè)序現(xiàn)在可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，比五年前便宜幾百倍，”大衛(wèi)·蘭克說(shuō)，他也是這項(xiàng)新研究的共同高級(jí)作者，也是前PacBio科學(xué)研究員。“這些進(jìn)展意味著我們可以從一種通常不在實(shí)驗(yàn)室研究的有機(jī)體中基本上從頭開(kāi)始，并進(jìn)行詳細(xì)的研究，這在10年前是不可能的。”
這項(xiàng)技術(shù)使研究人員能夠?qū)Ｐ堑幕蚪M進(jìn)行測(cè)序，并采用一種稱(chēng)為空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法，通過(guò)這種方法，他們可以確定哪些海星基因在生物體內(nèi)的精確位置是活躍的。為了尋找表明頭尾軸的模式，研究人員檢查了身體三個(gè)不同方向的基因表達(dá)差異:從海星的中心到它的臂尖，從它的頂部到它的下腹部，以及從它的臂的一側(cè)邊緣到另一側(cè)。
然后，為了更近距離地觀察某些關(guān)鍵基因是如何表現(xiàn)的，他們用熒光染料逐一標(biāo)記它們，以創(chuàng)建它們?cè)诤Ｐ求w內(nèi)分布的詳細(xì)地圖。
研究人員發(fā)現(xiàn)，海星身體平面結(jié)構(gòu)的兩個(gè)突出假設(shè)都不正確。相反，他們發(fā)現(xiàn)人類(lèi)和其他雙側(cè)對(duì)稱(chēng)動(dòng)物前腦的基因表達(dá)位于海星手臂的中線，而人類(lèi)中腦的基因表達(dá)則位于手臂的外緣。
雖然標(biāo)記人類(lèi)和其他雙邊動(dòng)物頭部不同區(qū)域的基因在海星中表達(dá)，但只有一種通常與動(dòng)物軀干相關(guān)的基因在海星手臂的邊緣表達(dá)。
“這些結(jié)果表明，棘皮動(dòng)物，特別是海星，擁有我們今天所知的頭部和軀干區(qū)域分離的最引人注目的例子，”Formery說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)，化石記錄中保存的一些長(zhǎng)相怪異的海星祖先似乎確實(shí)有一個(gè)軀干。“這只是開(kāi)啟了我們現(xiàn)在可以開(kāi)始探索的大量新問(wèn)題。”

通過(guò)用熒光標(biāo)記染色遺傳物質(zhì)，研究人員可以檢查關(guān)鍵基因在海星體內(nèi)的表現(xiàn)。信用:uux.cn/洛朗·福里
通往新發(fā)現(xiàn)的大門(mén)
該團(tuán)隊(duì)希望下一步解決的問(wèn)題包括，在海星中看到的基因模式是否也在海膽和海參中出現(xiàn)。就他而言，F(xiàn)ormery也想研究海星可以教給我們什么關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)的進(jìn)化，他說(shuō)，沒(méi)有人完全了解棘皮動(dòng)物。
研究人員說(shuō)，更多地了解海星及其親屬不僅有助于解開(kāi)動(dòng)物進(jìn)化的關(guān)鍵謎團(tuán)，還可能激發(fā)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新。海星通過(guò)數(shù)千個(gè)管狀腳移動(dòng)水來(lái)行走，并通過(guò)將胃擠出體外來(lái)消化獵物。有理由認(rèn)為，這些不尋常的生物也進(jìn)化出了完全意想不到的保持健康的策略——如果我們花時(shí)間去理解它們，可以擴(kuò)展我們對(duì)抗人類(lèi)疾病的方法。
“在研究頻率較低的生物中工作肯定更難，”Rokhsar說(shuō)。“但如果我們抓住機(jī)會(huì)探索以不同尋常的方式運(yùn)作的不同尋常的動(dòng)物，這意味著我們正在拓寬我們的生物學(xué)視角，這最終將幫助我們解決生態(tài)和生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題。”