原文作者：Amy Maxmen
身體各部分之間的重要聯(lián)系，有助于人們深入了解脊椎動物近親的演化
數(shù)個世紀(jì)以來，作家們一直將心靈視作人類激情、道德和勇氣的核心。而相比之下，頭腦則是冷靜與理性的所在。早在1898年，美國詩人John Godfrey Saxe就曾描述過這種差異。不過他在詩中總結(jié)道，心靈和頭腦是相互依存的。他寫道，“兩者結(jié)合，相得益彰?！薄笆チ斯?，何以有熱？”然而，彼時的Saxe不會知道頭腦和心臟還有著深厚的生物學(xué)聯(lián)系。
頭腦是尊嚴(yán)，是智慧，是從容的氣度，
高高在上，占據(jù)著重要的位置，
在它之下，有一顆心臟，深藏不露，
熱情溫暖，但卻總愛意氣用事。
—— John Godfrey Saxe，1898
在過去的15年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了二者的發(fā)育關(guān)聯(lián)。比如，2010年，研究人員發(fā)現(xiàn)，在小鼠胚胎中，分裂和分化后形成心臟的一小群細(xì)胞同樣也形成了喉嚨和頭部的下半部分肌肉[1]。兩者的關(guān)鍵部位來源于同一群細(xì)胞。
插畫：Fabio Buonocore
更令人驚訝的是，大腦和心臟的聯(lián)系早于脊椎動物的演化起源，甚至可能早于頭腦本身。研究人員在研究海鞘（sea squirts）時偶然發(fā)現(xiàn)了這種聯(lián)系。海鞘是一種附著在海床上的泡狀海洋生物，它有兩個開口，其中一個用來吸水，另一個用來噴水，海鞘的英文名便由此而來。（譯注：squirt有噴射的含義）
海鞘屬于被囊類無脊椎動物。盡管天差地別，但它們是脊椎動物最近的現(xiàn)存親屬。被囊動物沒有真正的頭部，但是它們的頭和心臟之間的演化聯(lián)系卻很緊密?！爱?dāng)我第一次聽說這件事的時候心想，瞎說什么呢？”華盛頓大學(xué)的演化發(fā)育生物學(xué)家Billie Swalla笑道。
研究人員已經(jīng)在海鞘胚胎中發(fā)現(xiàn)了一組通過分裂和分化形成心臟和類似脊椎動物喉部肌肉的細(xì)胞。這表明，在數(shù)億年前脊椎動物和無脊椎動物這兩個譜系分化之前，頭與心的聯(lián)系就已經(jīng)出現(xiàn)了?，F(xiàn)在Swalla和其他研究人員正努力追溯這種聯(lián)系可上推多久，是否起源于一種類似海鞘的、不活動的無頭動物，或者是一種在游泳時面朝前方、頭和心臟一起演化的動物。“這個問題讓我夜不能寐——當(dāng)然還有新冠也是?！?Swalla說。
尋找聯(lián)系
大部分動物都有一顆心臟。從最模糊的意義上來說，心臟是指將血液泵送到全身的任何血管。但是脊椎動物的心臟是一個獨(dú)特的分層器官，具有保持血液有節(jié)奏流入和流出的組織。直到大約十年前，心室心臟的演化起源還依然是個謎，因?yàn)榧?xì)長且可游動的文昌魚在以前被認(rèn)為是脊椎動物的近親，可是在它們身上，心臟這種器官的類似形式并不明顯。這種半透明的箭頭狀動物擁有一套非常初級的循環(huán)系統(tǒng)——一個簡單的泵管——因此純粹主義者認(rèn)為它們沒有“心”。其中的聯(lián)系似乎遺失在時間的洪流里了。
直到2006年，科學(xué)家們的好奇心才又被重新點(diǎn)燃：一項(xiàng)研究表明，文昌魚實(shí)際上并不是脊椎動物現(xiàn)存最近的親屬[2]。這項(xiàng)研究基于對數(shù)十種脊索動物（這一門包括脊椎動物、文昌魚以及被囊動物）的遺傳分析，發(fā)現(xiàn)脊椎動物的近親其實(shí)是被囊動物（見“演化樹”）。這種顛覆原有認(rèn)知的新發(fā)現(xiàn)最初讓許多研究人員感到震驚，因?yàn)槲牟~的外形很像魚，但是海鞘更像是一大團(tuán)口香糖泡泡——至少從外面看是這樣。這項(xiàng)研究的作者們總結(jié)道，“因此，我們不應(yīng)該再將被囊動物視為'原始’動物?！?/p>
來源：參考文獻(xiàn)6
然而，研究過被囊動物解剖結(jié)構(gòu)的海洋生物學(xué)家對這個結(jié)果多少感到欣慰。加州大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的演化發(fā)育學(xué)家Linda Holland認(rèn)為，關(guān)于脊索動物軀體在演化進(jìn)程中如何演變的假設(shè)，與早期的譜系“自相矛盾”。比如，文昌魚的心臟與脊椎動物的心臟毫無相似之處，而海鞘的卻和脊椎動物有一定的相似性，而且構(gòu)造復(fù)雜。
在被囊動物不起眼的外表下，有一層分層的V型心臟，周圍環(huán)繞著螺旋形的肌肉纖維，這些肌肉纖維以漸進(jìn)的方式扭動收縮心臟，使血液朝一個方向流動。它們的心臟還可以逆轉(zhuǎn)血流的方向。
心臟細(xì)胞上路了
為了探索被囊動物心臟的演化，加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究員Bradley Davidson在本世紀(jì)初將目光投向了一種名為“玻璃海鞘”（Ciona intestinalis）的海鞘物種。一個多世紀(jì)以來，發(fā)育生物學(xué)家們一直在費(fèi)力地追蹤胚胎中單個細(xì)胞的分裂和遷移。Davidson也沿襲了這一傳統(tǒng)做法。Davidson對海鞘胚胎進(jìn)行了基因處理，使含有表達(dá)脊椎動物心臟形成基因（Mesp）的細(xì)胞在熒光燈下發(fā)出綠光。當(dāng)他在高倍顯微鏡下觀察這些胚胎時，一團(tuán)將在發(fā)育后期形成心臟的約16個細(xì)胞被綠光點(diǎn)亮。
2005年，另一位博士后研究員Lionel Christiaen加入伯克利實(shí)驗(yàn)室，并決定重復(fù)Davidson的實(shí)驗(yàn)。一天早上，他給胚胎和發(fā)光的細(xì)胞團(tuán)拍照后就離開了校園。沒什么特別原因，但他決定晚上再檢查一下。“那天我滿腦子都是科學(xué)，”Christiaen回憶道。他現(xiàn)在是挪威卑爾根大學(xué)薩斯國際海洋分子生物學(xué)中心（Sars International Center for Marine Molecular Biology）的演化生物學(xué)家。
令他驚訝的是，一些發(fā)綠光的細(xì)胞已經(jīng)遷移到了胚胎的另一側(cè)，并且在動物正在發(fā)育的咽部附近形成了一個環(huán)。成年海鞘的咽部充滿了水，能夠?qū)⒏∮紊镞^濾到消化系統(tǒng)，并釋放出殘余部分噴掉。在脊椎動物身上，咽部是喉的一部分，比如魚類用它們的咽部處理從張開的嘴里吞咽的水。Christiaen知道有研究表明老鼠的心臟肌肉和頭部下半部分的一些肌肉來自于相同的胚胎細(xì)胞庫[3]。他想知道是否能在被囊動物的胚胎中觀察到同樣的現(xiàn)象。
早在1983年，研究脊椎動物起源的生物學(xué)家提出了“新頭”假說[4]，描述獨(dú)特的頭部下方有一顆搏動心臟的演化過程，當(dāng)時心臟和頭部前體細(xì)胞的關(guān)聯(lián)還不為人所知。他們描述了這樣一個場景：自然選擇推動了一系列特征，改進(jìn)了脊椎動物進(jìn)食和捕獵的能力。其中一項(xiàng)適應(yīng)性變化是頜骨是由形成脊椎動物骨骼的神經(jīng)嵴細(xì)胞演化而來。其他關(guān)鍵適應(yīng)還包括捕獵者新頭部更為靈敏的感覺器官，和整合信號的復(fù)雜大腦。
提出“新頭”假說的研究者們主要關(guān)注形成頜骨和其他骨骼的細(xì)胞，令頜骨自如活動的咽部和頭下部周圍肌肉的演化尚存空白。幾十年來，這些肌肉的演化一直難以捉摸，直到Christiaen在被囊動物胚胎中發(fā)現(xiàn)了帶有被激活的Mesp基因的細(xì)胞環(huán)。
海鞘是脊椎動物的近親。來源：Sue Daly/Nature Picture Library
Christiaen和同事們進(jìn)行了第二次實(shí)驗(yàn)。這一次，他們讓含有表達(dá)下頜形成基因（Islet and Tbx1/10）的細(xì)胞在被囊動物胚胎中發(fā)出綠光。果然，這些細(xì)胞來自于制造心臟的同一群細(xì)胞。在2010年的一份報告[5]中，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了“心咽（cardiopharyngeal）”一詞來描述形成被囊動物心臟和咽部的胚胎細(xì)胞。他們認(rèn)為這些細(xì)胞可能存在于被囊動物和脊椎動物的共同祖先中，甚至有可能有助于脊椎動物的循環(huán)、呼吸和進(jìn)食系統(tǒng)的共同演化。“心咽細(xì)胞出現(xiàn)在頜骨之前，”Christiaen說，“它們預(yù)備著帶有肌肉的頭骨形成?！?/p>
有心在 不遠(yuǎn)行
另一位在西班牙巴塞羅那大學(xué)研究脊椎動物及其近親起源的演化生物學(xué)家Cristian Ca?estro說，Christiaen的研究表明，脊椎動物和被囊動物“最后的共同祖先身上存在演化出'新頭’的機(jī)制”?？墒悄切┳嫦日娴挠蓄^嗎？
它們可能是有腦袋的，只是被囊動物丟掉了自己的腦袋。有兩個事實(shí)支撐這一觀點(diǎn)。被囊動物在附著于巖石或海床上之前，它們的幼體是可以自由泳動的，也有明顯的前端和尾端。有一種名為“尾海鞘（larvaceans）”的被囊動物，形如游動的孑孓，一生都能自由移動。不到幾厘米長的尾海鞘擺動著尾巴穿梭在海洋中，游動時會產(chǎn)生一股水流，流經(jīng)它們在身體周圍形成的氣泡狀“房子”，從而過濾浮游生物。
一些研究者認(rèn)為，尾海鞘的存在似乎表明有這樣一種可自由移動的被囊動物祖先。Ca?estro覺得是時候多了解一下尾海鞘了，于是他在巴塞羅那的實(shí)驗(yàn)室地下室里養(yǎng)了一群尾海鞘。數(shù)百只尾海鞘住在一只裝有循環(huán)鹽水的玻璃缸中，像灰塵一樣輕飄飄地游來游去，度過它們短暫的生命?！霸诘谖逄斓臅r候，”Ca?estro解釋道，“它們突然釋放出了數(shù)百個精子和卵子，漂浮在水面上。”
當(dāng)他的研究生Alfonso Ferrández尋找博士項(xiàng)目時，Ca?estro將他帶到這個地下室看尾海鞘，建議他研究尾海鞘的心臟發(fā)育。Ferrández便開始尋找Mesp和其他已知的控制被囊動物和脊椎動物心臟發(fā)育的基因，但是卻一無所獲。他遵循指南，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，還使用各種計算機(jī)程序來篩選基因組序列，結(jié)果都無濟(jì)于事。最終，他和Ca?estro認(rèn)為尾海鞘根本沒有大多數(shù)心臟基因。基因缺失對于尾海鞘來說并不意外——因?yàn)樗鼈兪莿游锿鯂袚碛凶钚』蚪M的生物之一；但這很奇怪，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀粨碛幸活w跳動的心臟，和這些基因在其他動物體內(nèi)編碼形成的相同身體部位?！熬驮谀莻€時候，我開始對這個項(xiàng)目產(chǎn)生了極大的興趣，”Ferrández說，“起初我對心臟的演化史沒有那么熱切，但這么一來就有意思了?！?/p>
當(dāng)新冠肺炎席卷全球的時候，F(xiàn)errández帶著這種熱情繼續(xù)進(jìn)行研究。即使在西班牙實(shí)施嚴(yán)格的封鎖期間，他也獲得了許可，可以去實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)活尾海鞘，繼續(xù)做項(xiàng)目。盡管沒能找到Mesp和其他已知的心臟基因，F(xiàn)errández仍設(shè)法恢復(fù)了一些有助于形成尾海鞘簡單心臟的基因。尾海鞘的心臟僅有八個肌肉細(xì)胞，這些細(xì)胞有節(jié)奏地收縮，將血液泵送到身體各處。Ca?estro說，在演化過程中，尾海鞘在基因缺失的情況下得以幸存，找到了其他方式來打造用于移動、進(jìn)食和繁殖的身體部位?！盎蛉笔Э梢允沁m應(yīng)性的。”
該團(tuán)隊(duì)在去年11月發(fā)表的一篇論文[6]中總結(jié)，尾海鞘似乎是被囊動物家族中一個奇怪的分支，而非代表祖先的狀況。有鑒于此，研究人員提出被囊動物的祖先很有可能像海鞘那樣不移動，而不是像形態(tài)變異性極大的尾海鞘那樣自由生活。現(xiàn)在就職于賓夕法尼亞州斯沃斯莫爾學(xué)院（Swarthmore College）的Davidson說，“我很喜歡這篇論文”。他認(rèn)為這項(xiàng)工作展示了物種多樣性是如何從相同的起點(diǎn)演化而來。
但在這般多樣性之中很難找到追溯動物祖先的線索。盡管有尾海鞘的最新研究，Holland還是很難相信被囊動物原先是不動的。為證明她的論點(diǎn)，Holland列出多個原因說明海鞘可能是個異類，還例舉了尾海鞘和文昌魚的幾個共同特征，表明它們與更早期生物有所聯(lián)系。在未來幾年里，她和其他研究人員將對細(xì)胞乃至基因進(jìn)行逐個研究，繼續(xù)揭示脊椎動物及其近親是如何發(fā)育的細(xì)節(jié)。他們還會研究數(shù)億年來基因組發(fā)生了哪些變化才使這一切成為可能。目前似乎唯一確定的是，這些變化是在心臟躍動之中發(fā)生的。
“脊椎動物的心臟可能是從類似于被囊動物心臟的組織演化而來的，但要知道被囊動物正在快速演化，”Holland沉思，“我們也許永遠(yuǎn)無法確切地知道它們的共同祖先是什么樣子的，只知道它有一顆心?！?/p>
參考文獻(xiàn)：
1. Lescroart, F. et al. Development137, 3269–3279 (2010).
2. Delsuc, F., Brinkmann, H., Chourrout, D. & Philippe, H. Nature439, 965–968 (2006).
3. Nathan, E. et al. Development135, 647–657 (2008).
4. Gans, C. & Northcutt, R. G. Science 220, 268–273 (1983).
5. Stolfi, A. et al. Science329, 565–568 (2010).
6. Ferrández-Roldán, A. et al. Nature599, 431–435 (2021).
原文以An ancient link between heart and head — as seen in the blobby, headless sea squirt為標(biāo)題發(fā)表在2022年2月14日《自然》的新聞特寫版塊上
? nature
doi: 10.1038/d41586-022-00413-y
