为交配 它的屁股自己逃走了 还长出了脑子和眼睛(组图)
新闻来源: 科研圈 于2023-11-26 12:17:20 提示:新闻观点不代表本网立场
来源 | 科研圈（keyanquan）编译 | 菡萏
这个世界总会在不经意间带给我们一些惊喜和惊吓。比如，一些环节动物，例如裂虫科（Syllidae）的独特繁殖机制。在这个被称作“匍匐繁殖”（stolonization）的过程中，这些小生命安放性腺的身体后端——通俗来讲就是它的屁股——会从本体上断裂来开，自由行动。
这个“可拆卸屁股”叫做匍匐根或生殖茎（stolon），它不仅能在遇到异性时会产卵或释放精子，还长有自己的眼睛、触须和附肢，以便自由泳动。这显然为裂虫的种群繁衍带来了一些好处：不仅可以保护本体免受来自外界环境的危害，还能将自己的配子传播得更远。
长久以来，裂虫这种奇特的形体构型及其发育谜团一直困扰着科学家。东京大学附属临海实验所教授三浦徹和同事出于对动物生命周期中发育系统演化过程的浓厚兴趣，就地取材在日本海和东京湾沿岸采集了一批日本绿裂虫（Megasyllis nipponica），终于弄清楚了它们“可拆卸屁股”的形成过程。
救命！屁股自己游走了~
日本绿裂虫是一种生活在海洋中的底栖动物，这种微小的环节动物生命周期一般只有 6 个月，但它们为了繁殖而演化出的身体却很惊人。
在细致的形态学和组织学观察后，三浦和同事发现，当裂虫位于身体后端的性腺成熟后，匍匐根脱离本体的行动就开始了。发育中的匍匐根的前端会形成一个全新的头部，随后，眼睛、触须等感觉器官以及用来帮助它泳动的附肢不久就会出现。更令人惊异的是，在匍匐根脱离本体成为“可拆卸屁股”之前，它还会形成神经和“大脑”，拥有独立的感官，能够自主控制行为。
游离的雌性（b,e）和雄性（c,f）匍匐根，它们拥有眼睛、触须和用于游泳的附肢，并且拥有简单的大脑 来源：论文
日本绿裂虫并非雌雄同体，因此它的匍匐根体腔内要么塞满了卵母细胞，要么生长着许多对睾丸。在脱离原始身体后，匍匐根会立刻开始自由泳动，寻找可以让它们排出配子的异性。而停留在原地的本体也会继续发育，长出新的“屁股”。
日本绿裂虫的头部组织结构。a 图为原始本体的头部，b 图为充满了卵母细胞（oo）的雌性匍匐根，c 图为长有多对睾丸（t）的雄性匍匐根 来源：论文
为了了解匍匐根的头部发育过程，三浦和他的团队研究了性成熟裂虫的发育基因表达模式。众所周知，动物的头部区域是由一组特定的头部形成基因决定的。三浦及其研究小组发现，这些基因在裂虫匍匐根的头部区域表达量更高。通常来说，头部形成基因在动物身体中段的表达量并不大。但是对于裂虫来说，在它们性腺发育的过程中，这组头部形成基因开始在原始身体的尾端部位高度表达。三浦认为，这说明正常的发育过程能够被修改，以适应裂虫这种拥有独特生殖方式动物的生活史。
日本绿裂虫匍匐根的发育过程以及对应的基因表达模式。来源：论文
和蚯蚓、水蛭等环节动物一样，裂虫在胚胎发育的过程中，躯体会沿着头尾轴界分割成若干单元，这种分节过程由 Hox 基因决定。三浦指出，在日本绿裂虫发育过程中，Hox 基因在头尾轴上的表达方式较为特别——在匍匐根形成过程中，决定躯体部位的 Hox 基因表达模式恒定，导致这种环节动物除的“可拆卸屁股”除去头部之外的躯体由许多重复均匀的身体节段组成。它缺乏分化的消化道，只有一个没有出口入口之别的简单腔道。
救命！长了 1000 个屁股怎么办
实际上，“可拆卸屁股”是裂虫科动物的基本操作，但是日本绿裂虫没办法同时长 1000 多个屁股——只有它的近亲多尾分支裂虫（Ramisyllis multicaudata）能做到。
顾名思义，多尾分支裂虫拥有一个反复分叉的身体。2021 年的一项研究对这种在澳大利亚海岸发现的裂虫进行了详细的解剖。研究人员发现，这种裂虫状如迷宫，分叉成百上千，肠道随着分支四通八达，里面却空空如也，连食物残渣都找不到。只有它的后肠覆盖着纤毛和微绒毛——这些细微的指状突起可以最大化扩展营养吸收面积（人体肠道也覆盖着类似天鹅绒衬里的绒毛和微绒毛）。
a.多尾分支裂虫的一支 b-c.寄生在海绵中的多尾分支裂虫 来源：论文
但是这仍然不能回答这种生物如何“进食”的问题。研究者认为，多尾分支裂虫的分支结构与真菌的管状分支结构非常类似。后者依靠侵入食物内部，通过分泌消化酶来消化吸收营养，因此身体表面积越大，吸收效率就越高。科学家据此推测，多尾分支裂虫迷宫一样的身体可能也是这种策略的演化结果——他们在它的体表发现了用途不明的长微绒毛，这可能是它用身体外侧来执行消化功能的证据。
长出眼睛等结构的匍匐根。图片来源：G.; Fauchald, K. (Ed.) (2021). World Polychaeta Database. Ramisyllis multicaudata Glasby, Schroeder & Aguado, 2012. Accessed through: World Register of Marine Species
当然，多尾分支裂虫也是通过分裂出匍匐根的方式来繁殖的。1000 多个屁股每个都能发育出眼睛和简单的大脑，以及塞满配子的体节——这看上去比日本绿裂虫不分叉的模式要高效很多。或许，这种领先于同类的速度也是让多尾分支裂虫长成“迷宫”的原因。
多尾分支裂虫匍匐根的组织结构荧光染色 来源：论文
显而易见的是，我们对裂虫这类神奇生物的了解仍然十分有限。那些获得自由的“屁股”们是一个只负责繁殖的临时小艇，还是会成长为新的“航空母舰”？它们谜一样的形体构型以及内部结构如何帮助自己在大海中维持生存？对于日本绿裂虫，三浦和他的团队希望继续探索它的性别分化以及生殖周期的内分泌调控机制，或许下一次它出现在论文里时，我们对裂虫的 “可拆卸屁股”会有更透彻的感悟。
论文信息：
Nakamura, M., Oguchi, K., Sato, D.S. et al. Morphological, histological and gene-expression analyses on stolonization in the Japanese Green Syllid, Megasyllis nipponica (Annelida, Syllidae). Sci Rep 13, 19419 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-46358-8
Ponz-Segrelles, G, Glasby, CJ, Helm, C, et al. Integrative anatomical study of the branched annelid Ramisyllis multicaudata (Annelida, Syllidae). Journal of Morphology. 2021; 282: 900–916. https://doi.org/10.1002/jmor.21356
这个世界总会在不经意间带给我们一些惊喜和惊吓。比如，一些环节动物，例如裂虫科（Syllidae）的独特繁殖机制。在这个被称作“匍匐繁殖”（stolonization）的过程中，这些小生命安放性腺的身体后端——通俗来讲就是它的屁股——会从本体上断裂来开，自由行动。
这个“可拆卸屁股”叫做匍匐根或生殖茎（stolon），它不仅能在遇到异性时会产卵或释放精子，还长有自己的眼睛、触须和附肢，以便自由泳动。这显然为裂虫的种群繁衍带来了一些好处：不仅可以保护本体免受来自外界环境的危害，还能将自己的配子传播得更远。
长久以来，裂虫这种奇特的形体构型及其发育谜团一直困扰着科学家。东京大学附属临海实验所教授三浦徹和同事出于对动物生命周期中发育系统演化过程的浓厚兴趣，就地取材在日本海和东京湾沿岸采集了一批日本绿裂虫（Megasyllis nipponica），终于弄清楚了它们“可拆卸屁股”的形成过程。
救命！屁股自己游走了~
日本绿裂虫是一种生活在海洋中的底栖动物，这种微小的环节动物生命周期一般只有 6 个月，但它们为了繁殖而演化出的身体却很惊人。
在细致的形态学和组织学观察后，三浦和同事发现，当裂虫位于身体后端的性腺成熟后，匍匐根脱离本体的行动就开始了。发育中的匍匐根的前端会形成一个全新的头部，随后，眼睛、触须等感觉器官以及用来帮助它泳动的附肢不久就会出现。更令人惊异的是，在匍匐根脱离本体成为“可拆卸屁股”之前，它还会形成神经和“大脑”，拥有独立的感官，能够自主控制行为。
游离的雌性（b,e）和雄性（c,f）匍匐根，它们拥有眼睛、触须和用于游泳的附肢，并且拥有简单的大脑 来源：论文
日本绿裂虫并非雌雄同体，因此它的匍匐根体腔内要么塞满了卵母细胞，要么生长着许多对睾丸。在脱离原始身体后，匍匐根会立刻开始自由泳动，寻找可以让它们排出配子的异性。而停留在原地的本体也会继续发育，长出新的“屁股”。
日本绿裂虫的头部组织结构。a 图为原始本体的头部，b 图为充满了卵母细胞（oo）的雌性匍匐根，c 图为长有多对睾丸（t）的雄性匍匐根 来源：论文
为了了解匍匐根的头部发育过程，三浦和他的团队研究了性成熟裂虫的发育基因表达模式。众所周知，动物的头部区域是由一组特定的头部形成基因决定的。三浦及其研究小组发现，这些基因在裂虫匍匐根的头部区域表达量更高。通常来说，头部形成基因在动物身体中段的表达量并不大。但是对于裂虫来说，在它们性腺发育的过程中，这组头部形成基因开始在原始身体的尾端部位高度表达。三浦认为，这说明正常的发育过程能够被修改，以适应裂虫这种拥有独特生殖方式动物的生活史。
日本绿裂虫匍匐根的发育过程以及对应的基因表达模式。来源：论文
和蚯蚓、水蛭等环节动物一样，裂虫在胚胎发育的过程中，躯体会沿着头尾轴界分割成若干单元，这种分节过程由 Hox 基因决定。三浦指出，在日本绿裂虫发育过程中，Hox 基因在头尾轴上的表达方式较为特别——在匍匐根形成过程中，决定躯体部位的 Hox 基因表达模式恒定，导致这种环节动物除的“可拆卸屁股”除去头部之外的躯体由许多重复均匀的身体节段组成。它缺乏分化的消化道，只有一个没有出口入口之别的简单腔道。
救命！长了 1000 个屁股怎么办
实际上，“可拆卸屁股”是裂虫科动物的基本操作，但是日本绿裂虫没办法同时长 1000 多个屁股——只有它的近亲多尾分支裂虫（Ramisyllis multicaudata）能做到。
顾名思义，多尾分支裂虫拥有一个反复分叉的身体。2021 年的一项研究对这种在澳大利亚海岸发现的裂虫进行了详细的解剖。研究人员发现，这种裂虫状如迷宫，分叉成百上千，肠道随着分支四通八达，里面却空空如也，连食物残渣都找不到。只有它的后肠覆盖着纤毛和微绒毛——这些细微的指状突起可以最大化扩展营养吸收面积（人体肠道也覆盖着类似天鹅绒衬里的绒毛和微绒毛）。
a.多尾分支裂虫的一支 b-c.寄生在海绵中的多尾分支裂虫 来源：论文
但是这仍然不能回答这种生物如何“进食”的问题。研究者认为，多尾分支裂虫的分支结构与真菌的管状分支结构非常类似。后者依靠侵入食物内部，通过分泌消化酶来消化吸收营养，因此身体表面积越大，吸收效率就越高。科学家据此推测，多尾分支裂虫迷宫一样的身体可能也是这种策略的演化结果——他们在它的体表发现了用途不明的长微绒毛，这可能是它用身体外侧来执行消化功能的证据。
长出眼睛等结构的匍匐根。图片来源：G.; Fauchald, K. (Ed.) (2021). World Polychaeta Database. Ramisyllis multicaudata Glasby, Schroeder & Aguado, 2012. Accessed through: World Register of Marine Species
当然，多尾分支裂虫也是通过分裂出匍匐根的方式来繁殖的。1000 多个屁股每个都能发育出眼睛和简单的大脑，以及塞满配子的体节——这看上去比日本绿裂虫不分叉的模式要高效很多。或许，这种领先于同类的速度也是让多尾分支裂虫长成“迷宫”的原因。
多尾分支裂虫匍匐根的组织结构荧光染色 来源：论文
显而易见的是，我们对裂虫这类神奇生物的了解仍然十分有限。那些获得自由的“屁股”们是一个只负责繁殖的临时小艇，还是会成长为新的“航空母舰”？它们谜一样的形体构型以及内部结构如何帮助自己在大海中维持生存？对于日本绿裂虫，三浦和他的团队希望继续探索它的性别分化以及生殖周期的内分泌调控机制，或许下一次它出现在论文里时，我们对裂虫的 “可拆卸屁股”会有更透彻的感悟。
论文信息：
Nakamura, M., Oguchi, K., Sato, D.S. et al. Morphological, histological and gene-expression analyses on stolonization in the Japanese Green Syllid, Megasyllis nipponica (Annelida, Syllidae). Sci Rep 13, 19419 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-46358-8
Ponz-Segrelles, G, Glasby, CJ, Helm, C, et al. Integrative anatomical study of the branched annelid Ramisyllis multicaudata (Annelida, Syllidae). Journal of Morphology. 2021; 282: 900–916. https://doi.org/10.1002/jmor.21356
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