2024年 7月 20日, 星期六
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大脑与心脏连接的开端——甚至早于脊椎动物的进化起源

过去的 15 年中,科学家们探索了心脏和大脑之间的发展联系。例如,在 2010 年,研究人员发现,小鼠胚胎中分裂和分化形成心脏的细胞与喉咙和下头的肌肉细胞来自同一个细胞池,两者的关键部件的来源是有同一处。

心头连接的开端—— 海鞘?

实际上,胚胎的头心连接早于脊椎动物的进化起源,甚至可能早于头本身。研究人员在研究海鞘时偶然发现了这种联系,这种海鞘是一种水滴状、久坐不动的海洋生物,被发现附着在海底,它们有两个开口——一个用于吸水,另一个用于将水喷出——因此得名。海鞘属于一组无脊椎动物,称为被囊动物,尽管它们有许多差异,但它们是脊椎动物的近亲。被囊动物没有真正的头部,但头部和心脏之间的进化联系在它们身上却很牢固。

图片来源:百度百科

       研究人员在海鞘胚胎中发现了一组细胞,这些细胞分裂和分化形成心脏和肌肉,其结构类似于脊椎动物喉咙的一部分。这表明,数亿年前,在这两个谱系彼此分离之前,就产生了一种头心联系。现在,研究人员正试图确定这种联系可以追溯到多远,以及它是否出现在一种类似于海鞘的不动、无头的动物身上,或者是一种在游泳时面向前方、头部随着它的进化而进化的动物。

被囊动物是脊椎动物的祖先?

在脊椎动物中,心脏是一个独特的、分层的器官,具有节奏的流入和流出部分。

2006年的时候,基于对数十种脊索动物的遗传分析,发现与脊椎动物关系最密切的是被囊动物,这有点让人震惊,因为海鞘看起来像是一大团口香糖。但不可否认,海鞘的心脏的确具有一定的相似性,并且很复杂。在被囊动物不起眼的外表之下,是一个分层的 V 形心脏,周围环绕着螺旋形的肌肉纤维,这些肌肉纤维以一种渐进的、绞拧的方式收缩器官,使液体保持朝着一个方向流动,同时心脏也可以逆转流动的方向。

图片来源:知乎

2000年代初期,戴维森对海鞘胚胎进行了基因操作,使表达Mesp基因(与脊椎动物心脏形成的基因) 的细胞在荧光灯下发出绿光。当他在显微镜下观察胚胎时,一团大约 16 个将在发育后期形成心脏的细胞亮了起来。

2005 年的一天早上,研究员克里斯蒂安试图重复戴维森的试验,他在显微镜下观察胚胎后离开了校园。当他晚上再次观察的时候,发现一些发光的绿色细胞已经迁移到胚胎的另一侧,它们在动物发育中的咽部附近形成了一个环。在成年海鞘中,咽部充满水,将浮游生物过滤到消化系统,然后释放其余部分喷出。在脊椎动物中,咽是喉咙的一部分。鱼用它们的嘴来处理从张开的嘴里吞下的水。接着,克里斯蒂安与他的同事一起进行了第二次实验。这一次,他们制造了表达脊椎动物下颌形成相关基因的细胞——Islet and Tbx1/10——在被囊类胚胎中发出绿光。果然,这些细胞来自于创造心脏的同一个细胞池。

2010 年的一份报告中,该团队创造了“心咽”一词来描述形成被囊动物心脏和咽部的胚胎细胞,他们认为这些细胞可能存在于被囊动物和脊椎动物的共同祖先中。此外,他们表明这些特殊细胞将有助于脊椎动物的循环、呼吸和摄食系统的共同进化,心咽细胞在下颌出现之前。

游动的被囊动物

还有一种被囊动物,一小群名为 larvaceans 的动物——因为它们表面上看起来像游泳的幼虫——它们一生都在移动。不到几厘米长的幼虫在海洋中摸索着摆动它们的尾巴。这种运动会产生一股水流,流过它们在身体周围生成的气泡状“房子”,从而过滤掉浮游生物。

对于一些研究人员来说,幼虫的存在似乎表明有一种旅行的被囊动物祖先。研究者将数百只幼虫被关在一个装有循环盐水的玻璃罐中,研究它们的心脏发育,寻找 Mesp 和其他已知的控制被囊动物和脊椎动物心脏发育的基因。但实验并不顺利,他们最终得出结论幼虫中大多数心脏基因根本不存在。

尽管Mesp 和其他已知基因丢失了,但幼虫设法恢复了一些有助于形成有机体简单心脏的基因,该心脏仅包含八个肌肉细胞,它们有节奏地收缩以泵送身体周围的液体。随着进化时间的推移,幼虫在基因丢失中幸存下来,寻找其他方法来构建允许它们移动、进食和繁殖的身体部位,也许基因损失可以是适应性的

未来的研究

尽管进行了幼虫研究,但有研究者仍不相信被囊动物最初是不动的,并列举了幼虫与柳叶虫共有的特征,表明它们与早期的存在状态保持着联系。

在接下来的几年里,研究人员将继续揭示脊椎动物及其近亲如何发育的细节,一个细胞,一个基因,他们将了解数亿年来发生了哪些基因组发生了变化,而这些变化都发生在一颗跳动的心脏的砰砰声中。

参考文献:

1.An ancient link between heart and head — as seen in the blobby, headless sea squirt

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