面向海葵的新研究成果指出了多細胞生物的早期演化事件它們生來就是掠食者嗎?
最早的動物是掠食者還是像今天生活在海洋中的海綿一樣的濾食者?與藻類的共生又扮演了什麼角色,例如造礁珊瑚?海德堡大學托馬斯-W-霍爾施泰因教授領導的研究小組對海葵的發展過程進行了研究,其驚人的發現表明,捕食性的生活方式塑造了海葵的進化過程,並對其神經系統的起源產生了重大影響。
圖為海葵Aiptasia(青色細胞核和綠色刺細胞)的早期刨形幼蟲階段捕食橈足類Tisbe sp.的甲殼類稚蟲(綠色)。圖片來源:Ira Mägele 與Ulrike Engel
研究人員能夠證明,小型海葵Aiptasia 的年輕生命階段(幼蟲)會主動捕食活的獵物,而不依賴藻類。為了捕捉獵物,海葵幼蟲使用了特化的刺細胞和簡單的神經元網路。
在多細胞生物的早期胚胎發育過程中,胃形成扮演關鍵角色。”最簡單的胃管是由一個空心的細胞球–胚泡–發育而成,形成一個帶有腸道和口腔的幼蟲階段;想像一下把一個球從一側向內推。所有動物都要經過這個胃器階段,在動物進化之初,這個階段也可能存在,”魯佩托-卡羅拉生物研究中心(COS)的發育和進化生物學家霍爾施泰因教授解釋。
圖為小海葵Aiptasia 的幼蟲(青色核)與攝入的橈足類Tisbe sp.的甲殼類稚蟲(綠色)。圖片來源:Ira Mägele 與Ulrike Engel
Ira Mägele(他的研究小組成員)成功地證明,早在胃後期,海葵幼蟲就能用刺細胞捕獲大小合適的獵物,用嘴將其吞下,並在原始腸道中消化。
Aiptasia 海葵是研究珊瑚和其他刺胞動物內共生現象的模型系統。
“珊瑚生活在營養貧乏的水域中,幼蟲或幼小的珊瑚蟲會吸收共生藻細胞。”托馬斯-霍爾施泰因說:”然而這一過程對成蟲很重要,但不會導致幼蟲的生長和定居,這表明營養是生命週期結束的關鍵一步。”
對營養條件進行的實驗室研究表明,小青魚幼蟲的食物必須足夠小,而且必須是活的。Tisbe橈足類的甲殼幼蟲小50 到80 微米,與Aiptasia 幼蟲大小相似,因此是理想的食物。
幼蟲不斷迅速長大,然後在基質上定居並變態為初級息肉。Ira Mägele解釋說:”透過這種方式,我們首次培育出了成熟的珊瑚蟲及其後代。”
奧地利維也納大學的參與研究人員伊麗莎白-漢伯頓博士強調:”通過關閉Aiptasia 的生命週期,最終將有可能對這種重要的內共生模式生物進行功能研究所需的分子遺傳實驗”。
來自慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學的安妮卡-古塞博士(Annika Guse)教授也是這項研究的合著者之一,她認為這種實驗方法是該模式系統研究工作的突破。
正如霍爾施泰因教授所強調的,所獲得的數據描繪了一幅新的圖景,即捕食性生活方式是刺胞動物胃器的主要特徵。進化理論家恩斯特-海克爾(1834-1919 年)首次提出了”胃器假說”。
“但海克爾假想的胃器是一種過濾微粒的生命形式,就像海綿一樣。與此相反,Aiptasia 和其他刺胞動物的捕食性胃管具有專門的刺細胞,用於捕捉獵物”。
這位海德堡生物學家補充說,類似胃蟲的捕食性生活方式具有排泄毒素的外生細胞器,同樣也存在於單細胞生物和簡單蠕蟲中,這種捕食性生活方式可能是多細胞生物早期進化以及複雜、有組織的神經系統發展的關鍵驅動力。