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Dec. 02 2019

人類祖先嘴巴曾經消失又出現?揭開脊索動物腹背翻轉之謎

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  • 圖為脊索動物代表——文昌魚。脊索動物門包含頭索動物、尾索動物、脊椎動物,共同特徵是在個體發育過程或某時期有 (支撐身體的) 脊索、背神經管 (神經集合成一束) 和分節的肌節,脊椎動物 (如人類) 又多了脊椎骨和發達的頭部。 圖片來源│游智凱 ;圖片重製│林洵安

  • 龍蝦一樣有神經管,把牠翻過來,神經管在上、腸子在下,很像脊索動物。 圖說設計│黃曉君、林洵安

  • 脊索動物和玉柱蟲都屬於後口動物。若胚胎發育出現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,稱為後口動物,像海膽、玉柱蟲、文昌魚以及人類。 資料來源│蘇怡璇 ;圖片來源│蘇怡璇、維基百科; 圖說重製│林洵安

  • 人青蛙的神經管長在背面、果蠅在腹面,正是因為控制背腹體軸發育的蛋白質濃度分布不一樣。 資料來源│蘇怡璇 ;圖片來源│維基百科、Unsplash ;圖說設計│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:正常玉柱蟲的神經系統分布於腹背兩側之間,以控制纖毛擺動,幫助攝食。下列顯示:加了BMP後的玉柱蟲胚胎,嘴巴無法形成,神經聚集在腹面。 圖片來源│蘇怡璇;圖說重製│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、演化相關書籍,透過彼此激盪,才能逐步拼湊線索,構想出全新的理論。 攝影│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翻轉,只是到底如何翻轉,困擾了科學家一百多年。 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消失,後來又在背部演化出新嘴巴,因為嘴巴位置定義哪裡是腹部 (以及相對的背部),就這樣造成了腹背翻轉,最終演化出脊索動物,精彩論文已於 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徵:神經管位於背部、腸胃等消化系統位於腹部。以文昌魚為例:

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圖為脊索動物代表——文昌魚。脊索動物門包含頭索動物、尾索動物、脊椎動物,共同特徵是在個體發育過程或某時期有 (支撐身體的) 脊索、背神經管 (神經集合成一束) 和分節的肌節,脊椎動物 (如人類) 又多了脊椎骨和發達的頭部。 圖片來源│游智凱 ;圖片重製│林洵安

其他動物的神經或是散漫分布 (如水螅),或是環繞身體 (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),神經管位於腹部,跟脊索動物剛好相反。

1822 年,法國自然學家聖伊萊爾 (Geoffroy Saint-Hilaire) 就曾盯著龍蝦發想:如果把龍蝦翻過來,不就很像脊索動物(神經管在上、腸子在下)嗎?那麼,動物的腹背是否曾經發生翻轉呢?

龍蝦一樣有神經管,把牠翻過來,神經管在上、腸子在下,很像脊索動物。 圖說設計│黃曉君、林洵安

可惜的是,在聖伊萊爾的時代,人們仍堅信「創造論」,認為每種動物是各自獨立出現在地球上,彼此沒有關係。像聖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的謎團。

1894 年,科學家戈斯登 (Walter Garstang) 注意到棘皮動物半索動物幼體的嘴巴皆圍繞一圈神經,推想這圈神經後來集中成束,演化成脊索動物的神經管。後人接棒推測:這圈神經繼續往腹部集中,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……

「但這些『推想』都沒有實際證據,像神經往腹部集中、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。

玉柱蟲是什麼?可以吃嗎?

玉柱蟲是一種海洋底棲的半索動物 (hemichordates),身體兩側對稱,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於後口動物,具有鰓裂,口部附近又有類似脊索的構造,被認為是最接近脊索動物者,常用來研究脊索動物的起源。

脊索動物和玉柱蟲都屬於後口動物。若胚胎發育出現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,稱為後口動物,像海膽、玉柱蟲、文昌魚以及人類。 資料來源│蘇怡璇 ;圖片來源│蘇怡璇、維基百科; 圖說重製│林洵安

蘇怡璇和游智凱打算怎麼開始?找出玉柱蟲和脊索動物之間的過渡型態?非也非也!他們採取了演化發育生物學 (Evolutionary Developmental Biology 或簡稱 Evo-Devo) 的研究進路。

演化發育生物學:從發育找演化答案

過去大多數演化學家認為:研究演化可以尋找生物的中間型態。因為生物演化要累積很多小小的突變,其中必存在物種轉變的中間型態。但實際上,不同動物門之間型態差異可能很大,根本找不到中間型態。

演化發育生物學提供另一種思考:

"比較不同生物的胚胎、幼生發育,推想牠們共同祖先的發育調控機制,並探討在演化過程中發育調控機制發生了什麼事 ,以至於演化出非常不同的動物型態。"

「從發育看演化,靠譜嗎?」這就得說到動物的發育調控機制和演化的關係……

在演化的過程中,動物即使型態差異很大,從共同祖先繼承的發育調控機制卻幾乎一樣,就像有張基本藍圖,決定了動物如何發育 。比方說:具有親緣關係的海膽和海星,外表看起來很不一樣,但兩者部分的發育調控機制卻是雷同的,所以胚胎和幼生也很相似。

那麼,為什麼會演化出型態很不一樣的後代呢?「當共同祖先調控發育的基因出現些微突變,改變了發育機制,就可能演化出外觀差異很大的後代,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係,可能與脊索動物的起源有關。如果能找到某種方法改變玉柱蟲的發育調控機制,使牠朝向脊索動物的型態發育,也許就能破解脊索動物腹背翻轉的之謎。

什麼方法?蘇怡璇和游智凱聯想到一種可以調控動物發育的物質:骨骼形成蛋白 BMP。

BMP:決定腹背的關鍵蛋白質

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育、神經發育、背腹體軸發育的蛋白質。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 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,然後開啟不同的基因,讓背部順利長出神經管。

另一方面,研究果蠅胚胎的科學家也發現,果蠅背部有一種跟 BMP 分子很像的蛋白質 DPP,也會影響神經發育,腹部有另一種物質 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,是在腹面長出神經管。

人青蛙的神經管長在背面、果蠅在腹面,正是因為控制背腹體軸發育的蛋白質濃度分布不一樣。 資料來源│蘇怡璇 ;圖片來源│維基百科、Unsplash ;圖說設計│黃曉君、林洵安

「那麼,BMP 對玉柱蟲的神經發育有什麼影響?是否跟背腹體軸的翻轉有關?」游智凱和蘇怡璇設計實驗來破解。

脊索動物腹背翻轉的關鍵:嘴巴消失又出現!

他們在玉柱蟲胚胎的嘴巴和神經系統即將形成的關鍵期,加入 BMP,讓濃度在幾個小時內突然提高。結果發現,正常的胚胎會在腸子的腹側打開一個嘴巴,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,於是圍繞口部的神經統統聚集到腹部。

他們用海膽幼生做一樣的實驗,得到相同結果:嘴巴消失,神經系統都集中到腹部!

於是他們大膽推測:玉柱蟲和海膽的祖先有相同的發育機制,在胚胎發育期由於 BMP 濃度改變,導致腹部的嘴巴消失,神經系統集中到腹部,成為類似像脊索動物神經管的先驅。後來,胚胎又在背部長出了新嘴巴,因為嘴巴定義了腹部位置,於是具有神經管的腹部就「變成」背部,更合理解釋脊索動物背腹體軸翻轉的過程。精彩的研究成果,已於 2019 年 6 月獲刊於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

玉柱蟲的正常胚胎以及加了BMP的胚胎比較圖。上列顯示:正常玉柱蟲的神經系統分布於腹背兩側之間,以控制纖毛擺動,幫助攝食。下列顯示:加了BMP後的玉柱蟲胚胎,嘴巴無法形成,神經聚集在腹面。 圖片來源│蘇怡璇;圖說重製│林洵安

蘇怡璇表示,「實驗的執行本身並不難,難的是實驗的設計與看到結果時,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、兩百年依然持續爭論的問題。」

只是,在漫長的演化長河中曾出現無嘴的動物型態,還是令人匪夷所思!牠們可以存活?真的會長出新嘴巴?於是蘇怡璇繼續飼養那些「沒有嘴巴」的玉柱蟲幼生,餵食帶螢光的藻類。

結果發現:牠們可以存活至少十日,而且體內變得亮亮的,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麼發生。」游智凱總結。在演化的世界裡,永遠有無限的謎團,等待一代代的科學家接棒破解。

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、演化相關書籍,透過彼此激盪,才能逐步拼湊線索,構想出全新的理論。 攝影│林洵安

本文轉載自《研之有物》,一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。

DEC. 2019

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