对七鳃鳗胚胎的研究揭示了脊椎动物头部的进化起源

脊椎动物头骨的起源是进化生物学家争论最多的话题。有些人认为，脊椎动物头部的发育是躯干节段元素(例如椎骨和体节)发生变化的结果。另一方面，其他人认为脊椎动物头部已经进化为一个新的、不分节的身体部分，与其他广泛观察到的胚胎节体节无关。有趣的是，之前对胚胎的研究揭示了头部中胚层中存在一些体节遗迹(例如，头腔和体节)。然而，躯干体节与头节之间的同源性一直存在争议。

未能了解脊椎动物头部的进化起源还可以归因于缺乏对七鳃鳗等现存物种的研究，已知七鳃鳗与化石无颌脊椎动物有一些共同特征，并保留了与头部中胚层相关的原始特征。虽然一些研究集中在七鳃鳗的胚胎形态上，但由于检查过程中的组织破坏和酸性固定等挑战，它们常常达不到要求，使得很难观察头部中胚层和躯干体节的形成。

然而现在，由日本福井大学助理教授 Takayuki Onai 领导的研究小组利用透射电子显微镜和串行块面扫描电子显微镜 (SBF-SEM) 等先进技术来了解头部中胚层的发育和七鳃鳗胚胎中的体节。研究人员还分析了头索动物和半索动物(均为无脊椎动物)的形态和基因表达模式，从进化的角度了解体节和头部中胚层的起源。该论文于 2023 年 11 月 13 日在iScience在线发布，由艾克斯-马赛大学的 Noritaka Adachi 博士、日本国立生理科学研究所 (NIPS) 的 Hidetoshi Urakubo 博士、法国国立生理科学研究所 (NIPS) 的 Fumiaki Sugahara 博士共同撰写。兵库医科大学、大阪大学的 Toshihiro Aramaki 博士、NIPS 和名古屋市立大学的 Mami Matsumoto 博士、NIPS 和自治医科大学的 Nobuhiko Ohno 博士。

为了弄清楚在多样化的早期阶段头部中胚层是否存在体节，研究人员将重点放在莲座丛上，莲座丛是主要的体节模式，对于椎骨的后续发育很重要。他们对七鳃鳗胚胎的初步观察表明，与面部肌肉和头骨其他成分的形成密切相关的组织(称为头部中胚层)确实具有与体节莲座状结构相似的细胞簇。为了澄清这些细胞簇是否确实是玫瑰花结，他们进行了超微结构实验，包括 SBF-SEM 和基因表达分析。对细胞形态和基因表达的检查表明，细胞簇与玫瑰花结明显不同。“我们观察到的细胞簇很可能是七鳃鳗特有的特征，因为它们在盲鳗和鲨鱼胚胎的头部中胚层中都无法识别， ”Onai 博士解释道。

此外，基因表达分析还揭示了体节发生相关基因的片段表达的缺失，表明它们与体节的独特性。这些发现表明，体节中常见的玫瑰花图案不一定是定义身体分割过程的基本或最基本的特征。

此外，实验提供了证据表明脊椎动物头部中胚层在脊椎动物进化的早期阶段发生了分化。此外，对半索动物(一种基础后口动物)、文昌动物(一种基础脊索动物)和脊椎动物的胚胎进行比较表明，体节可能起源于古代后口动物祖先的“内中胚层”组织。150 多年来，体节的进化起源一直是动物学的核心问题，Onai 等人在这项研究中揭开了这个谜团。关于头部中胚层出现的进化机制，他们发现头部中胚层是由生物体前部和后部(头尾轴)之间的中胚层基因分离而出现的。

Onai 博士总结道： “总而言之，我们的研究结果揭示了脊椎动物头部中胚层的不同进化起源，表明它是从古代中胚层的重新模式进化而来，甚至在有颌脊椎动物出现之前就已经多样化。”

总之，头部中胚层中存在的细胞簇在形态和分子上与体节不同的发现支持了脊椎动物头部中胚层在早期进化过程中分化的新模型。这为关于脊椎动物头部进化的古老争论提供了更多线索，并可以帮助我们加深对自身起源的理解。

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