2022年04月21日 11:36
【科學快訊】
來源：Nature Portfolio ；
數個世紀以來，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。不過他在詩中總結道，心靈和頭腦是相互依存的。他寫道，「兩者結合，相得益彰。」「失去了光，何以有熱？」然而，彼時的Saxe不會知道頭腦和心髒還有著深厚的生物學聯系。
頭腦是尊嚴，是智慧，是從容的氣度，
高高在上，占據著重要的位置，
在它之下，有一顆心髒，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年裏，科學家們發現了二者的發育關聯。比如，2010年，研究人員發現，在小鼠胚胎中，分裂和分化後形成心髒的一小群細胞同樣也形成了喉嚨和頭部的下半部分肌肉<1>。兩者的關鍵部位來源於同一群細胞。
更令人驚訝的是，大腦和心髒的聯系早於脊椎動物的演化起源，甚至可能早於頭腦本身。研究人員在研究海鞘（sea squirts）時偶然發現了這種聯系。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*。
*譯者注
squirt有噴射的含義。
海鞘是脊椎動物的近親。
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Sue Daly/Nature Picture Library
海鞘屬於被囊類無脊椎動物。盡管天差地別，但它們是脊椎動物最近的現存親屬。被囊動物沒有真正的頭部，但是它們的頭和心髒之間的演化聯系卻很緊密。「當我第一次聽說這件事的時候心想，瞎說什麼呢？」華盛頓大學的演化發育生物學家Billie Swalla笑道。
研究人員已經在海鞘胚胎中發現了一組通過分裂和分化形成心髒和類似脊椎動物喉部肌肉的細胞。這表明，在數億年前脊椎動物和無脊椎動物這兩個譜系分化之前，頭與心的聯系就已經出現了。現在Swalla和其他研究人員正努力追溯這種聯系可上推多久，是否起源於一種類似海鞘的、不活動的無頭動物，或者是一種在遊泳時面朝前方、頭和心髒一起演化的動物。「這個問題讓我夜不能寐——當然還有新冠也是。」Swalla說。
尋找聯系
大部分動物都有一顆心髒。從最模糊的意義上來說，心髒是指將血液泵送到全身的任何血管。但是脊椎動物的心髒是一個獨特的分層器官，具有保持血液有節奏流入和流出的組織。直到大約十年前，心室心髒的演化起源還依然是個謎，因為細長且可遊動的文昌魚在以前被認為是脊椎動物的近親，可是在它們身上，心髒這種器官的類似形式並不明顯。這種半透明的箭頭狀動物擁有一套非常初級的循環系統——一個簡單的泵管——因此純粹主義者認為它們沒有「心」。其中的聯系似乎遺失在時間的洪流裏了。
直到2006年，科學家們的好奇心才又被重新點燃：一項研究表明，文昌魚實際上並不是脊椎動物現存最近的親屬<2>。這項研究基於對數十種脊索動物（這一門包括脊椎動物、文昌魚以及被囊動物）的遺傳分析，發現脊椎動物的近親其實是被囊動物（見「演化樹」）。這種顛覆原有認知的新發現最初讓許多研究人員感到震驚，因為文昌魚的外形很像魚，但是海鞘更像是一大團口香糖泡泡——至少從外面看是這樣。這項研究的作者們總結道，「因此，我們不應該再將被囊動物視為‘原始’動物。」
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參考文獻6
然而，研究過被囊動物解剖結構的海洋生物學家對這個結果多少感到欣慰。加州大學聖地亞哥分校斯克裏普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的演化發育學家Linda Holland認為，關於脊索動物軀體在演化進程中如何演變的假設，與早期的譜系「自相矛盾」。比如，文昌魚的心髒與脊椎動物的心髒毫無相似之處，而海鞘的卻和脊椎動物有一定的相似性，而且構造複雜。
在被囊動物不起眼的外表下，有一層分層的V型心髒，周圍環繞著螺旋形的肌肉纖維，這些肌肉纖維以漸進的方式扭動收縮心髒，使血液朝一個方向流動。它們的心髒還可以逆轉血流的方向。
心髒細胞上路了
為了探索被囊動物心髒的演化，加州大學伯克利分校的博士後研究員Bradley Davidson在本世紀初將目光投向了一種名為「玻璃海鞘」（Ciona intestinalis）的海鞘物種。一個多世紀以來，發育生物學家們一直在費力地追蹤胚胎中單個細胞的分裂和遷移。Davidson也沿襲了這一傳統做法。Davidson對海鞘胚胎進行了基因處理，使含有表達脊椎動物心髒形成基因（Mesp）的細胞在熒光燈下發出綠光。當他在高倍顯微鏡下觀察這些胚胎時，一團將在發育後期形成心髒的約16個細胞被綠光點亮。
2005年，另一位博士後研究員Lionel Christiaen加入伯克利實驗室，並決定重複Davidson的實驗。一天早上，他給胚胎和發光的細胞團拍照後就離開了校園。沒什麼特別原因，但他決定晚上再檢查一下。「那天我滿腦子都是科學，」Christiaen回憶道。他現在是挪威卑爾根大學薩斯國際海洋分子生物學中心（Sars International Center for Marine Molecular Biology）的演化生物學家。
令他驚訝的是，一些發綠光的細胞已經遷移到了胚胎的另一側，並且在動物正在發育的咽部附近形成了一個環。成年海鞘的咽部充滿了水，能夠將浮遊生物過濾到消化系統，並釋放出殘餘部分噴掉。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裏吞咽的水。Christiaen知道有研究表明老鼠的心髒肌肉和頭部下半部分的一些肌肉來自於相同的胚胎細胞庫<3>。他想知道是否能在被囊動物的胚胎中觀察到同樣的現象。
- Fabio Buonocore -
早在1983年，研究脊椎動物起源的生物學家提出了「新頭」假說<4>，描述獨特的頭部下方有一顆搏動心髒的演化過程，當時心髒和頭部前體細胞的關聯還不為人所知。他們描述了這樣一個場景：自然選擇推動了一系列特征，改進了脊椎動物進食和捕獵的能力。其中一項適應性變化是頜骨是由形成脊椎動物骨骼的神經脊細胞演化而來。其他關鍵適應還包括捕獵者新頭部更為靈敏的感覺器官，和整合信號的複雜大腦。
提出「新頭」假說的研究者們主要關注形成頜骨和其他骨骼的細胞，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現了帶有被激活的Mesp基因的細胞環。
Christiaen和同事們進行了第二次實驗。這一次，他們讓含有表達下頜形成基因（Islet and Tbx1/10）的細胞在被囊動物胚胎中發出綠光。果然，這些細胞來自於制造心髒的同一群細胞。在2010年的一份報告<5>中，該團隊創造了「心咽（cardiopharyngeal）」一詞來描述形成被囊動物心髒和咽部的胚胎細胞。他們認為這些細胞可能存在於被囊動物和脊椎動物的共同祖先中，甚至有可能有助於脊椎動物的循環、呼吸和進食系統的共同演化。「心咽細胞出現在頜骨之前，」Christiaen說，「它們預備著帶有肌肉的頭骨形成。」
有心在，不遠行
另一位在西班牙巴塞羅那大學研究脊椎動物及其近親起源的演化生物學家Cristian Cañestro說，Christiaen的研究表明，脊椎動物和被囊動物「最後的共同祖先身上存在演化出‘新頭’的機制」。可是那些祖先真的有頭嗎？
它們可能是有腦袋的，只是被囊動物丟掉了自己的腦袋。有兩個事實支撐這一觀點。被囊動物在附著於岩石或海床上之前，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，形如遊動的孑孓，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，遊動時會產生一股水流，流經它們在身體周圍形成的氣泡狀「房子」，從而過濾浮遊生物。
尾海鞘
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2016 MBARI
一些研究者認為，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。Cañestro覺得是時候多了解一下尾海鞘了，於是他在巴塞羅那的實驗室地下室裏養了一群尾海鞘。數百只尾海鞘住在一只裝有循環鹽水的玻璃缸中，像灰塵一樣輕飄飄地遊來遊去，度過它們短暫的生命。「在第五天的時候，」Cañestro解釋道，「它們突然釋放出了數百個精子和卵子，漂浮在水面上。」
當他的研究生Alfonso Ferrández尋找博士項目時，Cañestro將他帶到這個地下室看尾海鞘，建議他研究尾海鞘的心髒發育。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髒發育的基因，但是卻一無所獲。他遵循指南，重複實驗，還使用各種計算機程序來篩選基因組序列，結果都無濟於事。最終，他和Cañestro認為尾海鞘根本沒有大多數心髒基因。基因缺失對於尾海鞘來說並不意外——因為它們是動物王國中擁有最小基因組的生物之一；但這很奇怪，因為它們仍然擁有一顆跳動的心髒，和這些基因在其他動物體內編碼形成的相同身體部位。「就在那個時候，我開始對這個項目產生了極大的興趣，」Ferrández說，「起初我對心髒的演化史沒有那麼熱切，但這麼一來就有意思了。」
當新冠肺炎席卷全球的時候，Ferrández帶著這種熱情繼續進行研究。即使在西班牙實施嚴格的封鎖期間，他也獲得了許可，可以去實驗室養活尾海鞘，繼續做項目。盡管沒能找到Mesp和其他已知的心髒基因，Ferrández仍設法恢複了一些有助於形成尾海鞘簡單心髒的基因。尾海鞘的心髒僅有八個肌肉細胞，這些細胞有節奏地收縮，將血液泵送到身體各處。Cañestro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於移動、進食和繁殖的身體部位。「基因缺失可以是適應性的。」
該團隊在去年11月發表的一篇論文<6>中總結，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。有鑒於此，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，而不是像形態變異性極大的尾海鞘那樣自由生活。現在就職於賓夕法尼亞州斯沃斯莫爾學院（Swarthmore College）的Davidson說，「我很喜歡這篇論文」。他認為這項工作展示了物種多樣性是如何從相同的起點演化而來。
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，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系。在未來幾年裏，她和其他研究人員將對細胞乃至基因進行逐個研究，繼續揭示脊椎動物及其近親是如何發育的細節。他們還會研究數億年來基因組發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，這些變化是在心髒躍動之中發生的。
「脊椎動物的心髒可能是從類似於被囊動物心髒的組織演化而來的，但要知道被囊動物正在快速演化，」Holland沉思，「我們也許永遠無法確切地知道它們的共同祖先是什麼樣子的，只知道它有一顆心。」
參考文獻
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Ferrández-Roldán， A。 et al。
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© nature
doi： 10.1038/d41586-022-00413-y
原文以An ancient link between heart and head — as seen in the blobby， headless sea squirt為標題發表在2022年2月14日《自然》的新聞特寫版塊上：
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