海星的頭在哪？沒有一個具體的頭，分布在身體以及它每條手臂”的中心

如果要給海星戴上一頂帽子，那麼該把帽子戴在海星的什麼地方？這個問題聽起來有點無厘頭，但它實際上涉及到動物學和發育生物學領域中的一個嚴肅的問題：海星的頭究竟在哪？

在生活中，無論我們是看到一條蠕蟲還是一條魚，我們都能輕易地分辨出它們的頭在哪、尾在哪。然而，對于擁有五隻相同“手臂”，可以用其中任何一隻“手臂”推動自身在海床上移動的海星，其頭部結構卻困擾了博物學家幾個世紀。

2023年11月1日，一項新發表于《自然》雜志的新研究給出了一個令人意想不到的答案：海星雖然沒有一個具體的頭，卻擁有類似頭部的區域，分布在身體的中心，以及它每條手臂”的中心。

海星的基因活動圖譜

海星跟海膽或海參一樣，都屬于棘皮動物。在幼年時期，海星以浮遊生物的形式漂浮在海洋中。在成長過程中，它們會沉降到海底，上演一場成長魔術”——從幼年時期的兩側對稱（跨中線對稱），轉變成被稱為五輻射對稱的五角星形的成年的形體構型。

這是種不尋常的形體構型。我們所知道的絕大部分動物都是兩側對稱的。在過去的研究中，科學家已經證明，動物的兩側對稱形體構型源自于一系列分子開關的作用，這些開關由基因編碼，在特定的頭部區域和軀幹區域表達。包括人類、魚類等脊椎動物，以及昆蟲、蠕蟲等無脊椎動物在内的絕大多數動物物種，都有同樣的遺傳程式。

那麼，海星是在什麼樣的遺傳程式的驅動下，從幼年時期的兩側對稱變成成年時期沒有清晰的頭尾的五輻射對稱的？

對這一問題的探索比想象中要困難得多。主要是因為，檢測基因表達的方法是從小鼠、果蠅等少數幾種模式生物中發展出來的，這些方法在海星身上應用時效果不佳。

在這項新的研究中，生物學家Laurent Formery是新論文的第一作者，他在研究所學生時期就開始關注海膽的早期發育。海膽在變成具有五重對稱的成年海膽之前，它們也是兩側對稱的。

論文的通訊作者是Christopher Lowe教授，多年來，他所上司的實驗室團隊一直渴望能夠繪制發育中的海星的基因活動圖譜。在Formery加入Lowe的研究團隊後，Formery在棘皮動物發育方面的知識與Lowe在分子生物學技術方面的專業知識結合在了一起，他們成功地建立了海星的基因表達的3D圖譜。

揭示複雜的答案

在這項新研究中，研究人員采用RNA層析術和原位雜交技術對這一問題進行了探索。RNA層析術可以精确定位基因在組織中的表達位置，而原位雜交能精确定位細胞中特定的RNA序列。

他們将海星的身體組織切成薄片，從三個不同的方向檢測了基因表達的差異。這三個方向分别是：

1. 從海星的中心到“手臂”尖端，

2. 從“頂部”到“下腹部”，

3. 從“手臂”的一側邊緣到另一側邊緣。

利用RNA層析術，他們确定了每個切片中表達的基因。

為了更好地觀測某些關鍵基因的活動，他們用熒光染料對海星組織它們進行了标記。利用原位雜交技術，他們對組織樣本進行了監測，觀看基因會在何處表達，進而建立了一張海星體内的詳細的3D基因表達圖譜。

他們的研究結果表明，與大多數兩側對稱動物的前腦相對應的基因表達，位于海星“手臂”的中線；與中腦相對應的基因表達位于“手臂”的邊緣。

總的來說，研究人員發現，兩側對稱動物的與頭部有關的基因，都在海星身上得到了表達；但兩側動物的與軀幹有關的基因，隻有一個出現在了海星身上，這個基因位于海星“手臂”的非常邊緣的位置，表明沿着海星的周長，有一個類似尾巴的區域存在。

如此說來，海星并非沒有頭，而更像是失去了身體，隻剩下一個在海底爬行的“頭”。

多樣的生物

這樣的結果表明，棘皮動物，尤其是海星，是我們今天所知道的頭部與軀幹分離的最典型例子。

我們的地球上生活着34種不同的動物門，在大約6億多年的時間裡，它們都為應對同樣的基本生物學問題給出了不同的解決方案。在如此多的動物之中，大多數是生活在海洋洞穴裡的溫和的動物。人們通常不會被這些動物所吸引，但它們可能代表了生命的開始。

研究人員表示，大多數研究通常都關注與人類相似的動物群體，但如果過于專注于這些熟悉的物種，就很難了解到新的資訊。是以，科學家或許應該嘗試探索一些不同尋常的動物，這不僅可以拓寬我們的生物學視角，也有望幫助我們解決一些生态學和生物醫學問題。