幾個世紀以來，博物學家一直感到困惑，海星的頭部到底是由什麼組成的。在觀察蠕蟲或魚類時，很明顯哪一端是頭，哪一端是尾。但是，海星有五個相同的手臂，如何區分生物的前端和後端確實是個難題。這種不尋常的身體結構讓許多人得出結論，海星也許根本沒有頭。

然而，史丹佛大學和加州大學柏克萊分校的研究人員近日發表了一項研究，發現事實可能完全相反。簡單地說，研究小組在幼年海星的幾乎所有部位都檢測到與頭部發育相關的基因特徵，但編碼動物軀幹和尾部的各個基因的表達卻基本缺失。

這篇題為「Molecular evidence of anteroposterior patterning in adult echinoderms」的論文於11月1日發表在《Nature》雜誌上。它表明，海星不是沒有頭，而是在進化過程中失去了身體，只剩下頭。

第一作者、史丹佛大學生物系的Laurent Formery博士稱：“這就像海星完全沒有了軀幹，只有一個頭在海底爬行。這與科學家對這些動物的假設完全不同。”

星形的拼圖

幾乎所有動物，包括人類，都是兩側對稱的，這意味著它們可以沿著從頭到尾的一條軸線分成鏡像的兩半。1995年，三位科學家獲得了諾貝爾生理學或醫學獎，他們用果蠅證明了大多數動物從頭到尾的兩側身體結構是在一系列分子開關的作用下產生的，這些開關由多個基因編碼，在特定的頭部和軀幹部表達。

此後，研究人員證實，絕大多數動物都採用相同的遺傳程序，包括人類和魚類等脊椎動物以及昆蟲和蠕蟲等無脊椎動物。

但長期以來，海星的身體結構一直困擾著科學家對動物演化的理解。成年海星（以及海膽和海參等棘皮動物）並不表現為兩側對稱，它們沒有清晰的頭部和尾部，而是具有五重對稱軸。沒有人能夠確定遺傳程式如何驅動這種不尋常的五重對稱性。

一些科學家認為，海星的從頭到尾的軸線可能從動物的背部延伸到其下腹，下腹被所謂的管足覆蓋。另一些人則認為，海星的五條臂分別對應著傳統的頭尾軸。

然而，證實這些假設的工作卻面臨挑戰，主要是因為在小鼠和果蠅等模式生物中開發的檢測基因表現的方法在幼年海星中效果不佳。多年來，史丹佛大學的發育生物學家Christopher Lowe及其同事一直渴望繪製發育中的海星的基因組圖譜。不過，與經典的模式生物不同，海星缺乏相關的遺傳資源，需要從零開始繪製基因組圖譜。

改變規則的技術

於是，研究人員轉向PacBio定序技術。傳統的定序方法需要打斷遺傳物質以確保準確性，而PacBio的方法則不同，這種HiFi定序方法可從完整的DNA鏈中提取高度精確的數據，使得這一過程更快速、更有效率。這正是Lowe及其團隊從頭開始建立海星的研究流程所必需的。

這項研究的資深作者之一、前PacBio科學研究員David Rank表示：「以往需要幾個月才能完成的定序工作現在可以在幾個小時內完成，而且比五年前便宜了數百倍。這些進步意味著我們可以從零開始，在一個以往未研究過的生物體上開展研究。”

研究人員利用HiFi定序技術對海星的基因組進行定序，並採用了一種稱為空間轉錄組學的方法進行分析。透過這種方法，他們可以確定在生物體的不同位置上哪些海星基因是活躍的。

為了尋找從頭到尾的軸線，他們檢查了三個不同方向的基因表現差異：從海星的中心到手臂的尖端，從頂部到下腹，從手臂的一側到另一側。然後，為了更仔細觀察某些關鍵基因的行為，他們用螢光染料逐一標記這些基因，繪製出它們在海星體內的詳細分佈圖。

研究人員發現，之前的兩個主要假設都不正確。相反地​​他們發現，與人類及其他兩側對稱動物的前腦相對應的基因在海星臂的中線處表達，與人類中腦相對應的基因在海星臂的外緣處表達。人類頭部不同亞區的基因在海星各處都有表達，而通常與動物軀幹相關的基因只有一個在海星臂的最外緣表達。

「這些結果表明，棘皮動物（特別是海星）是我們目前所知的頭部與軀幹部分離的典型例子，」 Formery博士談道，並補充說，化石中一些長相奇怪的海星祖先似乎確實存在軀幹。“它帶來了大量新問題，等待我們去探索。”

通往新發現的大門

研究小組下一步想要解決的問題是，在海星身上看到的遺傳模式是否出現在海膽和海參身上。對Formery博士來說，他也想研究海星是否能夠幫助他們了解神經系統的演化。他說，目前還沒有人完全了解棘皮動物的神經系統。

研究人員表示，更了解海星及其近親不僅有助於解開動物演化的關鍵謎團，還能激發醫學創新。海星透過數千條管腳在水中行走，並將胃擠出體外來消化獵物。毫無疑問，這些不尋常的生物進化出了意想不到的策略來保持健康。如果我們花時間去了解，也許可以幫助我們對抗人類疾病。