就海鞘及其近亲而言，樽海鞘属代表着一个非常奇怪的生物群体，无论从身体属性还是遗传学角度来看都是如此。它属于一个更大的无脊椎动物群体，这些动物与所有脊椎动物密切相关：被囊动物。但与该群体中的大多数其他动物不同，它不会经历从自由游动的幼虫到固定在底部或固着的成虫的变态。相反，它一生都以微小的自由游动生物的形式生活，并且生活在由透明的纤维素片制成的气球内，纤维素是植物细胞壁的主要成分。透明的气球是它的“房子”，或希腊语中的“oikos”，它包裹着整个身体（约 0.5 毫米长），除了它长长的、伸出的尾巴，尾巴不停地跳动。樽海鞘利用它的尾巴和心脏将水泵入半渗透性的气球中，过滤水中的小有机颗粒，并将任何捕获物输送到它的嘴里。
绝大多数成年被囊动物都栖息在海底，并将水泵入嘴中进行滤食；它们没有体外的食物收集装置。但是自由游动的樽海鞘进化出了一种不同的滤食方式。它非常小，必须在体外制作一个大气球或渔网，以捕获足够的食物来满足其代谢需求。这种结构使动物能够作为自由游动的滤食动物而茁壮成长。“这绝对是疯了，”华盛顿大学的进化生物学家比莉·斯瓦拉在评论樽海鞘大型的体外食物收集装置时说道。斯瓦拉研究包括脊椎动物和被囊动物在内的脊索动物门的进化。
在樽海鞘的情况下，生物的房子很快就会被海水中的颗粒物堵塞，此时动物会脱落它们脏乱的oikos。“所以它们不清理房子。它们会制造一个新的。这每三个小时发生一次，”巴塞罗那的进化发育生物学家克里斯蒂安·卡内斯特罗说。废弃的房子像白雪一样覆盖着世界海洋的底部。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
卡内斯特罗很快了解到，气球并不是樽海鞘唯一脱落的东西。这位研究人员最初想研究樽海鞘，因为考虑到它在进化树上的位置，它可能会揭示一些关于脊椎动物共同祖先的样貌。但很快他发现这种生物已经失去了一整套基因，包括对脊椎动物心脏和大脑发育至关重要的视黄酸信号基因。那么，如果这种动物失去了制造心脏的关键遗传指令，它又是如何拥有心脏的呢？在去年 11 月发表在《自然》杂志上的一项研究中，卡内斯特罗的团队在研究员阿方索·费尔南德斯-罗尔丹的领导下，报告了这种生物如何加速其发育以以不同的方式制造心脏。
在脊椎动物发育过程中，视黄酸信号通路指定了动物身体的前后布局，并决定了哪些细胞将构成心脏、咽和大脑。将形成心脏的细胞来源于干细胞，干细胞是其他细胞的前体，这些细胞具有专门的功能，在发育过程中面临几个决策点，最终决定它们成为心肌细胞而不是，比如说，颌组织。但在樽海鞘中，研究人员发现胚胎细胞的命运在发育早期就已确定，绕过了绝大多数脊椎动物中发生的连续细胞命运决定。
鉴于其匆忙确定的细胞命运，樽海鞘无需使用视黄酸信号通路来确定心脏，因为细胞已经知道它们的最终命运。因此，斯克里普斯海洋研究所的海洋生物学家琳达·荷兰解释说，这种生物可以承受失去该信号通路的代价，她没有参与最近的《自然》研究。
樽海鞘属的成员生活节奏快，寿命短，从卵到可繁殖的成虫大约需要一周时间。“由于已经选择了快速发育，它们采取了很多捷径，”俄勒冈大学的进化生物学家约翰·波斯特尔思韦特说，他也未参与 2021 年 11 月的研究，但十多年前曾是卡内斯特罗的博士后导师。
事实上，许多被囊动物在发育的极早期就决定了细胞命运。“这似乎给了被囊动物很大的灵活性，可以进化到外太空，”荷兰指的是它们不寻常的身体形态和生态。“它们已经抛弃了很多它们不需要的基因。”
卡内斯特罗认为，樽海鞘失去这些基因加速了其心脏发育，这可能对生物的自由生活方式具有适应性，因为它需要在孵化后立即开始抽水和获取食物。“这种动物需要在 10 个小时大的时候制造第一个房子时立即需要心跳，”他说。
樽海鞘的心脏比海鞘的心脏更简单，因为它不是圆柱形的。相反，它由一层扁平的细胞组成，这些细胞与不断跳动的尾巴协调收缩，以将水泵入滤食装置。尾巴不容易将水推过圆柱形管道，但层状心脏以心脏和尾巴更容易协调水在体腔中的运动的方式撞击胃部。通过这种方式，失去产生更复杂的圆柱形心脏的基因为动物提供了更好的解决方案，以适应其自由游动、滤食的生活。
卡内斯特罗的团队还利用其对樽海鞘基因丢失的分析来研究关于被囊动物祖先样貌的长期争议。根据研究人员对O.樽海鞘和其他被囊动物基因组的分析，他们推断祖先仍然具有脊椎动物和其他被囊动物用来构建心脏和咽肌的基因，这些基因对于作为成虫的固着滤食性生存方式很有用。因此，研究人员认为，祖先被囊动物很可能仍然经历了变态，并且在基因丢失导致新型心脏之前，具有固着的成虫阶段。
但这种论点绝非卡内斯特罗在该领域的所有同事都认同。“问题是，它进化得特别快，并且基因组特别小，”荷兰解释说，指的是樽海鞘与最接近的亲属相比，积累了一系列激进的基因变化。其他被囊动物也经历了许多激进的基因丢失和基因组重排。“因此，我们不能确定被囊动物的祖先是什么样子的，”荷兰说。
即使被囊动物的祖先仍然是个谜，樽海鞘也证明，当基因丢失时，它们的缺失有时会导致进化创新，例如这种生物巴洛克式但最终成功的生活方式。