海鞘 图片来源：Pixabay
就海鞘和它们的近亲而言，无论从生理特性还是遗传学的观点来看，Oikopleura属生物都代表了一种非常奇怪的生物体。它属于一个更大的与所有脊椎动物密切相关的无脊椎动物群体：被囊动物。但与这一群体中的大多数其他物种不同的是，它不会从自由游动的幼虫蜕变为固定在底部或无柄的成虫。相反，它的一生都是一种微小的自由游动的生物，而且是在一个由透明的纤维素片（植物细胞壁的主要成分）构成的气球中度过。这个透明的气球就是它的“房子”，也就是希腊语中的“oikos”，它会将整个身体（大约0.5毫米长）包裹住，除了它长长的、延伸的不停地跳动的尾巴。Oikopleura生物会利用它的尾巴和心脏将水从半通透气球泵出，以过滤水中的有机物小颗粒，然后将捕获的任何有机颗粒输送到它的嘴中。
绝大多数成年被囊类动物生活在海底，它们没有体外的食物收集器官，通过将水泵进嘴中以过滤得到食物。但是自由游动的Oikopleura生物则进化出了一种不同的方式来过滤食物。它是如此之小，以至于它不得不在身体外面做一个大气球或渔网来捕捉足够的食物来满足它的新陈代谢需求。该结构使这种动物能够作为自由游动的滤食动物生存。华盛顿大学的进化生物学家Billie Swalla在评价Oikopleura生物巨大的外部食物收集装置时说：“这简直太疯狂了。”Swalla研究脊索动物的进化，该脊索动物门包含脊椎动物和被囊动物。
在Oikopleura生物的例子中，这些生物的房子会很快就被海水中的微粒粘住，此时这些动物就会摆脱掉它们脏乱的oikos。“所以它们不打扫房子，而是做一个新的。这种情况每三个小时就会发生一次，”巴塞罗那的进化发育生物学家Cristian Cañestro说。而废弃的“房子”则会像白雪一样覆盖住海洋世界的底部。
Cañestro很快了解到气球并不是Oikopleura生物所抛弃的全部。研究人员最初想研究Oikopleura dioica这个物种是因为考虑到它在进化树上的位置，对它的研究可能会揭示脊椎动物共同祖先的样子。但他很快发现这种生物失去了一整套基因，包括脊椎动物心脏和大脑发育所必需的维甲酸信号基因。如果这种动物失去了制造心脏的关键遗传指令，那它是如何拥有心脏的呢？在去年11月发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究中，Cañestro的团队（由研究员Alfonso Ferrández-Roldán领导）报道了这种生物是如何加快其发育来使其以不同的方式制造出心脏。
在脊椎动物发育过程中，维甲酸信号通路决定了动物身体的前后排列方式，并决定了哪些细胞将构成心脏、咽部和大脑。形成心脏的细胞来自于干细胞，它是其他具有特化功能的细胞的前体，并且它们在发育过程中会面临几个决策点，这将最终决定它们成为心脏细胞，而不是颌组织。但是在Oikopleura生物中，研究人员发现胚胎细胞的命运在发育的很早期就已经被决定了，这绕过了绝大多数脊椎动物中发生的连续细胞命运决定。
干细胞 图片来源：Pixabay
由于细胞命运是匆忙决定的，Oikopleura属生物不需要使用维甲酸信号来控制心脏形成，因为细胞早已知道它们的最终命运。斯克里普斯海洋研究所（the Scripps Institution of Oceanography）的海洋生物学家Linda Holland解释了这种生物可以承受失去信号传导途径的后果的原因。她并未参与这项最近发表在《自然》杂志的研究。
Oikopleura属的成员生命短暂且死亡时较年轻，从卵发育到可生殖的成虫只需约一周时间。俄勒冈大学进化生物学家John Postlethwait说：“因为选择了这种快速的发展，它们走了很多捷径。”他也没有参与2021年11月的研究，但十多年前是Cañestro的博士后顾问。
事实上，许多被囊动物在发育非常早期就决定了细胞的命运。“这似乎给了被囊动物很大的灵活性去进化到‘外太空’（指它们不寻常的身体形态和生态），他们抛弃了很多他们不需要的基因。”Holland说。
Cañestro认为失去了这些基因的Oikopleura生物加速了它们的心脏发育，这可能是对这种生物自由活动的生活方式的适应，因为它需要在孵化后立即开始泵水和获取食物。他说：“当它在第10小时造出第一所房子时，就需要马上有心跳。”
Oikopleura生物的心脏比海鞘简单，因为它不是圆柱形的。相反，它是由一层扁平的细胞组成的，这些细胞与不断跳动的尾巴一起收缩来将水泵入滤食器官。虽然尾巴不易将水推过圆柱形的管子，但层状心脏对着胃跳动的方式使心脏和尾巴更容易协调水在体腔中的运动。通过这种方式，抛弃产生更复杂圆柱形心脏的基因则为这种动物的自由游泳和滤食性生活提供了更好的解决方案。
基因 图片来源：Pixabay
Cañestro的团队还利用对Oikopleura dioica基因缺失的分析来研究一个长期存在的争议，即被囊类的祖先长什么样。基于研究人员对O.dioica和其他被囊动物基因组的分析，他们推断出其祖先仍然拥有脊椎动物和其他被囊动物用来构建心脏和咽部肌肉的基因，而这些基因对于成年时的无柄滤食性生存非常有用。因此，研究人员认为，在基因丢失导致新型心脏之前，被囊动物的祖先很可能还在经历着变态且无柄的成年阶段。
但并非Cañestro在该领域的所有同事都赞同这一观点。“问题是它进化得特别快，而且基因组也特别小，”Holland解释道，她指的是Oikopleura一系列彻底的基因变化的积累，甚至与它最近的近亲相比也是如此。其他被囊动物也经历了许多根本性的基因丢失和基因组重组。“因此，我们不能确定被囊类的祖先长什么样，”Holland说。即使被囊动物的祖先仍然是个谜，但Oikopleura属生物表明，丢失的基因有时会带来进化上的创新，比如这种生物巴洛克式但最终成功的生活方式。
撰文：Viviane Callier，她是来自马里兰州北贝塞斯达的自由科学作家。
翻译：马孔硕
审校：张欣怡
引进来源：科学美国人
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