现在,关闭手机屏幕,看着倒影中自己的脸。
如果你从中心画一条垂直线,你的左右两侧几乎是一样的,这意味着你是一种“两侧对称的动物”。
你身边的动物也是如此:猫、狗、鱼缸里的鱼,甚至你刚打死的蟑螂,都是左右对称的。
这样的身体范本诞生在大约 6 亿年前,那时,在诸多辐射对称(参考今天的水母)或压根不对称(例如一些海绵)的动物中,最早一批两侧对称的生物出现了。
图片来源:Frdric Ducarme/wikipedia CC BY-SA 3.0
然而,在自然界中,总有一些生物选择反其道而行之,海胆就是其中之一。
幼年的海胆长得就像一只外星飞船,拥有六条透明的“手臂”,和一个尖尖的“驾驶舱”。最重要的是,它是标准的左右对称生物。
然而,一场剧烈的变态即将来临:
在这个幼体内,一个全新的身体正在慢慢长大,并将最终破体而出,吞掉过去的自己,长成我们熟悉的海胆的样子。
图片来源:维基百科
这时的海胆就变成了一种具有放射状对称结构的生物。这个发展过程几乎打破了动物进化中最根深蒂固的界限。
从辐射对称到两侧对称,这个看似简单的转变,其实是一场演化上的飞跃。可以想象,只有当两侧对称时,我们说“前”、“后”、“左”、“右”才有意义。
对于动物来说,明确的方向意味着更主动的运动能力和更大的生存机会。
更重要的是,双边对称还给我们带来了“上”和“下”。
有一种理论认为两侧对称开启了“头”的形成—— 我们的神经逐渐集中在前方,或者说上方的方向,最终整合成一个紧密的结构,负责我们最重要的感知和思维系统—— 这就是我们的心灵。
因此,这也使得径向对称的海胆看起来并不像有大脑。
全身都是脑早在20世纪90年代,解剖生物学家就认为海胆是没有大脑的生物。
切开海胆的硬壳后,在它底部的嘴的周围,是一圈非常简陋的中央神经环,这个环上分出五条主要的神经索,像自行车辐条一样,延伸到身体各处——这就是肉眼能够看到的海胆的全部神经结构。这个结构太简单了,看上去不像是一个复杂的处理中心,所以当时的科学家得出了一个逻辑推论:海胆没有大脑。
这种简单的神经环和神经索网络可能只负责一些最简单的信号传输,以达到协调运动反射的目的。如管脚收缩、触碰时刺倾斜等。
然而,最近发表在《科学·进展》(《科学进展》)上的一项研究发现,海胆可能并不像我们想象的那么无脑。他们满脑子都是!
分子标记和染色技术帮助研究人员识别身体各个部位的基因表达(图片来源:原论文)
消失的身体这项研究决定直接观察海胆的基因在成年期间如何发挥作用,而不是简单的解剖。来自意大利那不勒斯安东多恩动物研究所的一组海洋生物学家领导了对刚刚完成变态的青色副甲鱼细胞中激活的基因的详细分析。
这样,研究人员不仅可以准确识别它是神经细胞、皮肤细胞还是肌肉细胞,还可以推断出其具体功能。
研究小组发现,海胆的神经元远多于集中在简单神经环中的神经元。事实上,海胆中最丰富的细胞是神经元。
这些神经元分布在海胆全身,多达数百种,而且同时表达着棘皮动物特有的“头部”基因,以及在脊椎动物中枢神经系统中普遍存在的基因。这说明海胆不仅充满了神经,而且这些神经形成了一个类似于大脑的综合系统。
而那些与躯干相关的基因仅限于海胆的内部结构和消化道、水管系统等器官。
换句话说,海胆其实并没有真正的躯体,它的结构是一个头,加上了一些必要的器官。
图片来源:Periklis Paganos
海胆神经元还表现出多种分子特征表达,其中许多特征可能是您所熟悉的:多巴胺、血清素、乙酰胆碱等。
研究人员在论文中写道,这也证实了“海胆的神经系统非常复杂”,“远远超出了相互连接的神经元和神经节的简单网络。”
虽然海胆没有眼睛,但它们仍然可以对光线做出反应。这要归功于它体内的细胞可以感知光。
研究人员发现,海胆有15 种独特的感光细胞类型,感光细胞遍布全身。整体结构甚至可以与人类视网膜相媲美。
如果用人类来比喻的话,可能海胆就是一个长满了眼睛,而且所有眼睛都长在大脑上,没有躯体,只有最中央存在一套消化系统的诡异模样。演化特例海胆的发现并不是一个孤立的案例。在进化树上,棘皮动物占据着非常特殊的地位。它们与我们的关系甚至比昆虫和章鱼等看似“聪明”的无脊椎动物更为密切。
然而,他们却选择了一条完全不同的进化道路。近年来,我们几乎重新认识了整个棘皮动物门。
2023年,发表在《自然》杂志《自然》上的一项类似研究回答了关于另一个棘皮动物门的著名问题:海星的头到底在哪里?
研究小组将海星切成薄片,从三个不同方向检测基因表达的差异,最终确定海星的头部也分布在全身各处。
具体来说,海星的头分别位于身体的中心,以及每条“手臂”的中心。而与躯干有关的基因,只出现在海星“手臂”非常边缘的位置。
照片来源:Laurent Formy/年度最佳形象奖
就像海胆一样,与其说是海星没有头,不如说它们是没有了身体,只剩下了一个头在海底爬行。“我们的研究结果表明,没有传统中枢神经系统的动物仍然可以发育出类似大脑的组织,”柏林自然历史博物馆的Jack Ullrich-Lter 说,他是该研究的第一作者,发表于《科学·进展》。 “这从根本上改变了我们对复杂神经系统进化的理解。”
虽然,我们吃的是海胆——的性腺,它很可能不能被认为是大脑的一部分。
参考文献
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx7753#sec-3
[2]https://www.museumfuernaturkunde.berlin/en/museum/media/press/researchers-discover-all-body-brain-sea-urchins
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06669-2
[4]https://www.popularmechanics.com/science/animals/a69443677/all-brain-creature/