乍一看，海星似乎全身都是肢体，五条腕足排列着成排的管足，赋予了它们标志性的形状。海洋科学家长期以来一直想知道它们是如何进化成这种解剖结构的——以及它们的头部可能在哪里。
根据Nature杂志上发表的一项新研究，从基因上讲，这些动物实际上几乎全是头，没有躯干。这一发现颠覆了之前关于海星身体结构的假设，甚至让专家也感到非常惊讶。“它们全是头？！”檀香山查米纳德大学环境科学教授盖尔·格拉博斯基（Gail Grabowsky）在给大众科学的电子邮件中写道，她没有参与该论文。她补充说，结果“非常酷”。此外，它们还提供了关于这些生物如何成为如此奇异的进化例外的线索。
绝大多数动物都是两侧对称的，或称两侧动物，这意味着一条线可以将它们的身体分成两个相同的半边。但海星——以及海 ডলার和海葵——具有辐射对称性，其身体的相同部分从中心点向外辐射。特别是海星，也称为海盘车，具有五重辐射对称性，因此可以将动物分成五个相同的部分。
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海星基因上的一组分子标记决定了动物的身体结构，其中包括其辐射对称性和器官结构。这些基因网络存在于所有两侧对称生物中。但斯坦福大学进化生物学家、研究合著者克里斯·洛维解释说，在它们的进化过程中，海星似乎以一种全新的方式塑造了自己，导致身体“怪异”，似乎与两侧对称的规范背道而驰。
在一种物种中告诉细胞和组织形成头部的相同基因标记，在其他物种中可能会导致不同的解剖结构。物种的亲缘关系越近，它们就越有可能将相同的基因用于相同的解剖结构。但对于进化上奇怪的动物，科学家很难弄清楚解剖结构的哪些部分是头部，哪些是躯干，哪些是尾部，因为从它们的外观上看不出来。在这里，“头部”一词广义上指的是动物的前部。对于某些动物来说，这意味着大脑，但海星没有这个器官。相反，头部基因参与海星神经系统和皮肤的发育——这些特征在结构上与大脑不同，即使它们具有相同的遗传背景。
为了确定海星身体中头部编码基因活跃的部位，研究人员将小Patiria miniata海星中的基因标记与Saccoglossus kowalevskii（一种与海星密切相关的海 acorn 蠕虫）中的基因标记进行了比较，后者的基因组已得到充分研究。实验室技术的进步使该团队能够创建海星手臂薄片样本中表达基因的三维图谱。
研究人员发现，海 acorn 蠕虫头部区域的基因在海星的凹凸不平的皮肤中“开启”，这种皮肤覆盖了它的整个身体。这些前部基因在每个手臂的中心尤其活跃，而基因特征在向每个手臂的周界移动时变得更加后部。洛维说，令人惊讶的是，它们完全缺乏躯干（基本上是动物的躯干）的基因模式，他的工作由 Chan Zuckerberg Biohub 资助。
基本上，海星完全像头部。这与教科书中对棘皮动物（包括海星在内的进化群体）的描述相矛盾，教科书将棘皮动物描述为失去了头部的动物。洛维说，这项研究表明，“它们不是失去了头部，而是几乎完全是头部，实际上它们失去了躯干。”
伦敦自然历史博物馆首席研究员伊姆兰·拉赫曼说：“这是一项非常非常有趣的工作。”“他们做了很多仔细的分析，我发现它非常令人信服。”
这项研究开始探讨一个更大的进化问题：海星及其同样奇怪的棘皮动物兄弟姐妹是如何发展出它们独特的星形对称性的？伦敦大学学院发育和进化生物学教授保拉·奥利维里说：“这种动物究竟是如何进化出这种形状的，这是一个很大的谜团。”她没有参与这项研究。数百万年前，这个门类中的动物——包括海星、海蛇尾、海参和海胆——都是两侧对称的。今天，它们的两侧对称幼体在生长过程中发育成它们熟悉的五轴结构，这意味着在某个时候，海星解散了它们两侧对称祖先的所有遗传机制。
“它们以一种全新的方式重塑了[身体结构]，这解释了为什么它们如此怪异，”该研究的主要作者、斯坦福大学洛维实验室的博士后研究员洛朗·福尔梅里说。但是，为什么以及如何发生这种变化仍然是一个谜。
奥利维里说，除了海星之外，这些发现可能有助于科学家了解生命之树的其他分支中新的动物形状和结构是如何进化的。她说，它们为“这些动物如何发育以及它们如何形成这种怪异形状”的重要研究途径打开了大门。
接下来，研究人员将着眼于古代化石，寻找更早期的海星结构——也许是一些具有更多躯干和尾部标记的结构——以追踪躯干究竟是什么时候消失的。研究人员还希望证明，其他棘皮动物也被头部状区域覆盖。
拉赫曼说：“为了真正证实这种模式扩展到整个门类，还有更多的工作可以做。”“进一步分析不同的现存物种将有助于澄清这一点。”
本文的一个版本，标题为“抬头！”，已改编收录在大众科学 2024 年 1 月刊中。