人类祖先嘴巴曾经消失又出现？揭开脊索动物腹背翻转之谜 _脊索动物

图为脊索动物代表——文昌鱼。脊索动物门包含头索动物、尾索动物、脊椎动物，共同特征是在个体发育过程或某时期有 (支撑身体的) 脊索、背神经管 (神经集合成一束) 和分节的肌节，脊椎动物 (如人类) 又多了脊椎骨和发达的头部。图片来源│游智凯；图片重制│林洵安

龙虾一样有神经管，把牠翻过来，神经管在上、肠子在下，很像脊索动物。图说设计│黄晓君、林洵安

脊索动物和玉柱虫都属于后口动物。若胚胎发育出现的第一个开口变成嘴巴，称为原口动物，若第一个开口变成肛门，肠子往前触到另一边打开成为嘴巴，称为后口动物，像海胆、玉柱虫、文昌鱼以及人类。数据源│苏怡璇；图片来源│苏怡璇、维基百科；图说重制│林洵安

人青蛙的神经管长在背面、果蝇在腹面，正是因为控制背腹体轴发育的蛋白质浓度分布不一样。数据源│苏怡璇；图片来源│维基百科、Unsplash ；图说设计│黄晓君、林洵安

玉柱虫的正常胚胎以及加了BMP的胚胎比较图。上列显示：正常玉柱虫的神经系统分布于腹背两侧之间，以控制纤毛摆动，帮助摄食。下列显示：加了BMP后的玉柱虫胚胎，嘴巴无法形成，神经聚集在腹面。图片来源│苏怡璇；图说重制│林洵安

苏怡璇和游智凯是一对夫妻研究员，苏怡璇研究海胆，游智凯研究文昌鱼，这次合作亲缘相近的玉柱虫，揭开脊索动物腹背翻转之谜。平常两人常常带着研究团队进行读书会，研讨论文、演化相关书籍，透过彼此激荡，才能逐步拼凑线索，构想出全新的理论。摄影│林洵安
（）据《研之有物》（采访编辑：欧宇甜美术编辑：林洵安）：大家都知道人类是脊索动物，但你可能不晓得：脊索动物的演化过程中腹背曾经翻转，只是到底如何翻转，困扰了科学家一百多年。台湾中研院细胞与个体生物学研究所苏怡璇副研究员以及临海研究站游智凯主任，从玉柱虫研究找到线索，推论脊索动物祖先在演化过程中，原本腹部的口部曾经消失，后来又在背部演化出新嘴巴，因为嘴巴位置定义哪里是腹部 (以及相对的背部)，就这样造成了腹背翻转，最终演化出脊索动物，精彩论文已于 2019 年 6 月刊登在《美国国家科学院院刊》(PNAS) 。跟着研之有物一起来了解！
翻过来的龙虾像脊索动物？
脊索动物，是动物界中的一门，包括人类、鸟类、鱼类等等。脊索动物有个重要特征：神经管位于背部、肠胃等消化系统位于腹部。以文昌鱼为例：
其他动物的神经或是散漫分布 (如水螅)，或是环绕身体 (如海胆) 。虾子和蚯蚓与脊索动物一样身体左右对称，神经集中成一束，但牠们的肠子却在背部 (如虾子背上黑黑的肠线) ，神经管位于腹部，跟脊索动物刚好相反。
1822 年，法国自然学家圣伊莱尔 (Geoffroy Saint-Hilaire) 就曾盯着龙虾发想：如果把龙虾翻过来，不就很像脊索动物(神经管在上、肠子在下)吗？那么，动物的腹背是否曾经发生翻转呢？
可惜的是，在圣伊莱尔的时代，人们仍坚信「创造论」，认为每种动物是各自独立出现在地球上，彼此没有关系。像圣伊莱尔这种超越时代、类似「演化论」的想法被斥为无稽之谈。直到 1859 年，达尔文发表《物种起源》，科学家才开始从演化的角度，探究脊索动物腹背翻转的谜团。
1894 年，科学家戈斯登 (Walter Garstang) 注意到棘皮动物和半索动物幼体的嘴巴皆围绕一圈神经，推想这圈神经后来集中成束，演化成脊索动物的神经管。后人接棒推测：这圈神经继续往腹部集中，腹部的嘴巴却慢慢移动到背部，因为嘴巴决定腹部的位置，就这样造成腹背翻转......
「但这些『推想』都没有实际证据，像神经往腹部集中、嘴巴移动到背面的说法，简直匪夷所思，我决定从半索动物玉柱虫下手，好好研究这个问题。」苏怡璇说。
玉柱虫是什么？可以吃吗？
玉柱虫是一种海洋底栖的半索动物 (hemichordates)，身体两侧对称，吻部硕大，因此名为「玉柱」。牠们喜欢躲在海滩的沙堆，靠着吞食沙子以摄取有机物维生，排出「沙便」，习性很像蚯蚓。全世界的玉柱虫有一百多种，小的仅 10 公分、小指粗，大的可达 1 公尺，先来瞧瞧本尊：
因为玉柱虫和脊索动物都属于后口动物，具有鳃裂，口部附近又有类似脊索的构造，被认为是最接近脊索动物者，常用来研究脊索动物的起源。
苏怡璇和游智凯打算怎么开始？找出玉柱虫和脊索动物之间的过渡型态？非也非也！他们采取了演化发育生物学 (Evolutionary Developmental Biology 或简称 Evo-Devo) 的研究进路。
演化发育生物学：从发育找演化答案
过去大多数演化学家认为：研究演化可以寻找生物的中间型态。因为生物演化要累积很多小小的突变，其中必存在物种转变的中间型态。但实际上，不同动物门之间型态差异可能很大，根本找不到中间型态。
演化发育生物学提供另一种思考：
“比较不同生物的胚胎、幼生发育，推想牠们共同祖先的发育调控机制，并探讨在演化过程中发育调控机制发生了什么事，以至于演化出非常不同的动物型态。”
「从发育看演化，靠谱吗？」这就得说到动物的发育调控机制和演化的关系......
在演化的过程中，动物即使型态差异很大，从共同祖先继承的发育调控机制却几乎一样，就像有张基本蓝图，决定了动物如何发育。比方说：具有亲缘关系的海胆和海星，外表看起来很不一样，但两者部分的发育调控机制却是雷同的，所以胚胎和幼生也很相似。
那么，为什么会演化出型态很不一样的后代呢？「当共同祖先调控发育的基因出现些微突变，改变了发育机制，就可能演化出外观差异很大的后代，例如海胆与海星。」游智凯补充道。
玉柱虫和脊索动物具有亲缘关系，可能与脊索动物的起源有关。如果能找到某种方法改变玉柱虫的发育调控机制，使牠朝向脊索动物的型态发育，也许就能破解脊索动物腹背翻转的之谜。
什么方法？苏怡璇和游智凯联想到一种可以调控动物发育的物质：骨骼形成蛋白 BMP 。
BMP：决定腹背的关键蛋白质
动物的骨骼形成蛋白 BMP （Bone Morphogenic Protein），是一种可控制动物胚胎骨骼发育、神经发育、背腹体轴发育的蛋白质。以青蛙胚胎来说，腹部的 BMP 浓度较高，背部有另一种会抑制 BMP 的物质 chordin，所以BMP 浓度较低。青蛙背部和腹部的细胞分别接收到不同浓度的 BMP，就知道自己所在地是背部还是腹部，然后开启不同的基因，让背部顺利长出神经管。
另一方面，研究果蝇胚胎的科学家也发现，果蝇背部有一种跟 BMP 分子很像的蛋白质 DPP，也会影响神经发育，腹部有另一种物质 sog 跟 chordin 类似，会抑制 DPP 功能。不过因为 DPP 在果蝇背面的浓度比较高、腹面浓度比较低，所以果蝇跟青蛙相反，是在腹面长出神经管。
那么，BMP 对玉柱虫的神经发育有什么影响？是否跟背腹体轴的翻转有关？」游智凯和苏怡璇设计实验来破解。
脊索动物腹背翻转的关键：嘴巴消失又出现！
他们在玉柱虫胚胎的嘴巴和神经系统即将形成的关键期，加入 BMP，让浓度在几个小时内突然提高。结果发现，正常的胚胎会在肠子的腹侧打开一个嘴巴，但加了 BMP 的胚胎虽然也有肠子，嘴巴却消失了！而且因为腹部的 chordin 会抑制 BMP ，导致 BMP 浓度比较低，于是围绕口部的神经统统聚集到腹部。
他们用海胆幼生做一样的实验，得到相同结果：嘴巴消失，神经系统都集中到腹部！
于是他们大胆推测：玉柱虫和海胆的祖先有相同的发育机制，在胚胎发育期由于 BMP 浓度改变，导致腹部的嘴巴消失，神经系统集中到腹部，成为类似像脊索动物神经管的先驱。后来，胚胎又在背部长出了新嘴巴，因为嘴巴定义了腹部位置，于是具有神经管的腹部就「变成」背部，更合理解释脊索动物背腹体轴翻转的过程。精彩的研究成果，已于 2019 年 6 月获刊于《美国国家科学院院刊》(PNAS) 。
苏怡璇表示，「实验的执行本身并不难，难的是实验的设计与看到结果时，能否理解代表的意义，毕竟其中牵涉的理论是几个世代的科学家，苦思了一、两百年依然持续争论的问题。」
只是，在漫长的演化长河中曾出现无嘴的动物型态，还是令人匪夷所思！牠们可以存活？真的会长出新嘴巴？于是苏怡璇继续饲养那些「没有嘴巴」的玉柱虫幼生，喂食带荧光的藻类。
结果发现：牠们可以存活至少十日，而且体内变得亮亮的，表示真的有藻类进入！可惜没有看到新嘴巴的生成，推测玉柱虫可能找到新开口来摄取藻类。
「我们是透过实验证据提出另一个想法，不敢说一定是对的，毕竟没有人知道5亿年前演化到底怎么发生。」游智凯总结。在演化的世界里，永远有无限的谜团，等待一代代的科学家接棒破解。