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對七鰓鰻胚胎的研究揭示了脊椎動物頭部的進化起源

七鰓鰻


對七鰓鰻胚胎的研究揭示了脊椎動物頭部的進化起源


詳細的胚胎學分析證明，這些原始的無顎魚可能掌握著脊椎動物頭部進化起源的線索 。鳴謝:福井大學的Takayuki Onai
據福井大學：脊椎動物頭骨的起源是進化生物學家爭論的話題 。一些人認為脊椎動物的頭部是由于軀干的節段性成分(如椎骨和體節)的改變而形成的 。另一方面 ， 其他人認為脊椎動物的頭部是作為一個新的、未分割的身體部分進化而來的，與其他廣泛觀察到的胚胎體節無關 。
有趣的是，以前對胚胎的研究已經揭示了頭中胚層中存在一些體節殘余(例如頭腔和體節) 。然而，軀干體節和這樣的頭節之間的同源性一直有爭議 。
未能理解脊椎動物頭部的進化起源也歸因于缺乏對現存物種如七鰓鰻的研究，已知七鰓鰻與無頜脊椎動物化石有一些共同的特征，并保留了與頭部中胚層相關的原始特征 。
雖然一些研究集中在七鰓鰻的胚胎形態學上 ， 但由于檢查過程中組織破壞和酸性固定等挑戰，使得難以觀察頭部中胚層和軀干體節的形成，這些研究經常失敗 。
然而，現在由日本福井大學助理教授Takayuki Onai領導的研究小組利用先進的技術，如透射電子顯微鏡和連續塊面掃描電子顯微鏡(SBF-SEM)，了解七鰓鰻胚胎頭部中胚層和體節的發育 。
研究人員還分析了頭索動物和半脊椎動物(均為無脊椎動物)的形態學和基因表達模式 ， 以從進化的角度理解體節和頭中胚層的起源 。
這篇論文發表在《科學》雜志上，由Aix-馬賽大學的Noritaka Adachi博士、國家生理科學研究所(NIPS)的Hidetoshi Urakubo博士、兵庫醫科大學的Fumiaki Sugahara博士、大阪大學的Toshihiro Aramaki博士、NIPS和名古屋市立大學的Mami松本博士以及NIPS的Nobuhiko Ohno博士共同撰寫 。
為了澄清在多樣化的早期階段頭部中胚層中是否存在體節，研究人員重點研究了玫瑰花結，這是主要的體節模式，對椎骨的后續發育非常重要 。他們對七鰓鰻胚胎的初步觀察表明 ， 與面部肌肉和頭骨其他元素的形成密切相關的組織，即頭部中胚層，確實具有類似于體節玫瑰花結的細胞群 。
為了澄清這些細胞簇是否是玫瑰花結，他們進行了超微結構實驗，包括SBF掃描電鏡和基因表達分析 。細胞形態學和基因表達檢測顯示，細胞團明顯不同于玫瑰花結 。“我們觀察到的細胞群可能是七鰓鰻特有的特征，因為它們在八目鰻和鯊魚胚胎的頭部中胚層中都是不可識別的，”Onai博士解釋道 。
此外，基因表達分析也揭示了體節發生相關基因的節段性表達的缺失，表明它們與體節的區別 。這些發現表明，體節中常見的玫瑰花結模式不一定是定義身體分割過程的必要或最基本的特征 。
此外，實驗提供了脊椎動物頭部中胚層在脊椎動物進化早期分化的證據 。此外 ， 對半棘螈(一種基底半知類動物)、文昌魚(一種基底脊索動物)和脊椎動物胚胎的比較表明，體節可能起源于古代半知類動物祖先的“內中胚層”組織 。
150多年來 ， 體節的進化起源一直是動物學的中心問題，在這項研究中，Onai等人揭示了這個謎 。關于頭中胚層出現的進化機制，他們發現頭中胚層是在生物前部和后部(喙尾軸)之間的中胚層基因分離時出現的 。
“我們的發現揭示了脊椎動物頭部中胚層的不同進化起源，表明它是從古代中胚層的重新圖案化進化而來的 ， 甚至在有頜脊椎動物出現之前就已經多樣化了 ， ”Onai博士總結道 。
總之，頭部中胚層中存在的細胞團在形態學和分子水平上與體節不同的發現支持了一個新的模型，即脊椎動物頭部中胚層在早期進化中發生了分化 。這為關于脊椎動物頭部進化的古老爭論提供了更多的線索，并有助于我們加深對自身起源的理解 。