丝盘虫揭示动物起源之谜

2023-11-14方陵生

科学24小时 2023年11期

文/方陵生

科学家们对丝盘虫产生兴趣，是因为它简单的构造。丝盘虫不仅向我们展示了地球上最早出现的动物可能会是什么样子的，还为我们了解动物起源提供了一个新的窗口。它甚至可以告诉我们，简单动物是如何进化出复杂的生命形式的。

19 世纪80 年代，弗朗茨·舒尔茨拥有一个充满许多美丽海洋生物的实验室。舒尔茨是研究海洋生物“海绵”的顶尖专家之一。如今，他发现的许多新物种都生活在奥地利格拉茨大学的海水水族馆里。水族馆内，动物的形态千奇百怪。其中有一些非常简单的海洋动物，它们色彩明艳醒目，形状奇特，有些看起来像花瓶，还有一些看起来像是带有尖塔的微型城堡。

最令舒尔茨兴奋的，是他发现的一种芝麻大小的生命体。它是地球上构造最简单的动物，却可以为我们揭开地球动物起源之谜。舒尔茨是在某天偶然发现的它——它藏身在他的一个玻璃鱼缸里，爬来爬去地以鱼缸里的绿藻为食。舒尔茨将它命名为“丝盘虫”。它没有嘴，没有胃，没有肌肉，也没有血液和血管，更没有正面或背面，只由一层比纸还薄的细胞薄层组成。

它看起来实在是太普通了，如此难以名状的一小团，以至于让人几乎提不起观赏的兴趣来。但科学家们对它产生兴趣恰恰是因为它简单的构造——它向我们展示了6 亿至7 亿年前地球上最早出现的动物模样的可能性。它甚至还可以提供一些线索，告诉我们构造简单的动物如何进化出构造复杂的生命体。

丝盘虫的进食方式

乍一看，丝盘虫根本不像一般意义上的动物，而像是团状的变形虫。它扁平的身体在移动时不断改变形状。变形虫的正式名称为“阿米巴原虫”，是一种单细胞原生生物，既不是植物，也不是动物。1883 年，舒尔茨将丝盘虫放在显微镜下仔细观察后发现，丝盘虫虽然小而简单，但它确实是一种动物。

“不同类型细胞之间的劳动分工”是动物的标志。丝盘虫的底部细胞长有许多细小的纤毛，它通过旋转纤毛来移动，就像螺旋桨一样。发现海藻时，它会停下来，身体像吸盘一样平躺在海藻上。“吸盘”底部有一些特殊细胞，会喷射出化学物质，从而分解藻类。而其他的细胞则负责吸收从这顿“美餐”中释放出来的糖分和其他营养物质。它的整个腹部就像胃一样工作，因为这“胃”长在身体外部，所以它不需要嘴。

最早动物的线索

德国汉诺威动物生态学和细胞生物学研究所的动物学家伯纳德·谢尔沃特认为，地球上最早出现的动物可能类似于丝盘虫。他推测地球上最早的动物出现时，海洋里已经充满了单细胞原生生物。像丝盘虫一样，它们是通过旋转纤毛来游动的。成千上万个单细胞原生生物聚集在一起形成了群落，它们连接成球状、链状或片状。但这些群落不是动物，它们只是和谐地生活在一起，聚集成相似的单细胞生物群落。

到了6 亿至7 亿年前，地球上的原始生命开始发生变化—一群古代原生生物形成了新的群体。一开始，每个成员的细胞都是一样的。随着时间的推移，细胞开始发生变化，曾经完全相同的细胞裂变成不同的类型。它们的细胞之间开始交流，释放出用作信息交流的信使化学物质，随后这些信使化学物质命令不同部位的细胞做不同的事情。它们可能就是地球上最早出现的动物。

据谢尔沃特猜测，最早动物的形态就像丝盘虫那样呈扁平状，只有两个细胞的厚度。底部细胞负责爬行移动和消化食物，顶部细胞则承担另外的任务，比如保护自己不被原生生物吃掉。他认为，这种扁平状的外形是很有道理的。想象一下当时的海洋，浅海区的海底覆盖着由单细胞微生物和藻类组成的黏稠“垫子”。当最早动物游动到这个“微生物垫子”上时，就像丝盘虫一样，消化身下的微生物和藻类，由此得以生存。

最早动物的体形很小，不会比丝盘虫更大，因此没能留下化石。随着时间的推移，地球上逐渐进化出了一批体形更大的动物。如今，科学家们已发现了这一类动物的化石，它们看起来就像丝盘虫的巨大变种。其中的一种被称为“Dickinsonia”，生活在5.5 亿到5.6 亿年前，暂时被定为“狄更逊虫”。这一物种长达1.2 米，没有大脑或眼睛这样的器官。尽管它移动和进食的方式就像丝盘虫一样，但是没人知道它是否与丝盘虫真的有关联。它的身体分前后，也分左右。扁平的身体由几个部位组成，就像被缝起来的毯子一样。

丝盘虫的繁殖方式通常是一分为二，分裂后的两半各自成为新的个体。一些变形虫的体形比丝盘虫大，但变形虫只有一个细胞，而丝盘虫至少有5 万个细胞。丝盘虫没有胃，也没有心脏，它的身体组织由不同类型的细胞构成，这些细胞各自执行不同的任务

开始向复杂动物进化

根据以上的研究和推断，谢尔沃特认为，一些像丝盘虫这样构造简单的动物，其整个腹部就是它们的胃。在进化的过程中，胃的边缘逐渐变长，后来甚至看起来像一个倒置的碗。随着碗口逐渐缩小，最后形成了一个类似倒置花瓶的形态。这时，瓶口就是它们的嘴巴，内里包裹着一个胃。它们消化食物后，吐出不需要的残渣，就像现代的水母和海葵。

据推测，经过数百万年的演化，它们花瓶状的身体继续向外延伸，渐渐变长。接着，它们身体的两端各自形成一个小孔洞，其中的一个孔洞演化成了嘴巴，另一个孔洞成了排泄废物的肛门。这种消化系统在现代的两侧对称动物身上都可以见到。在生命进化树中，两侧对称动物是比海葵和水母更进一步的生物，包括所有左右对称和有前后两端的动物，如蠕虫、蜗牛、昆虫、螃蟹、老鼠和猴子，当然还包括我们人类。

并不简单的原始动物

2008 年，谢尔沃特提出的有关地球上最早出现的动物的观点，得到了学术界的支持。那一年，他和20 位科学家一起公布了丝盘虫的基因组和完整的DNA 链。丝盘虫的构造看起来很简单，但它的基因表明，它拥有复杂的生命活动。

丝盘虫虽然只有6 种不同类型的细胞，但它拥有许多与构造复杂的动物相同的基因。比如说，一种brachyury 基因可帮助形成花瓶状的胃部，而hox 基因可帮助形成身体的前后部位。

这一令人惊讶的发现表明，在远古时代，这种扁平状的原始动物已具备了进化出更为复杂构造所需的遗传指令。

最早的原始神经系统

丝盘虫已具备10 到20 种可在复杂动物体内产生神经细胞的基因，这引起了生物学家的兴趣。2014 年，有科学家宣称，丝盘虫分布于身体下方的腺细胞，其行为与神经细胞惊人的相似。其细胞中含有一种名为“SNARE”的特殊蛋白质，这种蛋白质出现在许多复杂动物的神经细胞中，通常位于神经细胞互相连接的突触部位。SNARE蛋白质的工作原理是释放化学信息，将信息从一个神经细胞传送到另一个神经细胞。

丝盘虫的腺细胞内部充满了小气泡，用来储存被称为“神经肽”的信使化学物质。腺细胞控制着丝盘虫的行为。在丝盘虫爬过一小片海藻的过程中，细胞“品尝”到了藻类的味道，于是腺细胞通过释放神经肽，告知相邻细胞该“刹车”了，相邻细胞便停止转动纤毛。同时，这些化学物质还与附近的腺细胞相互作用，告知附近的腺细胞一起释放神经肽，让“停下，进食”的信息在它体内从一个细胞传递到另一个细胞。

显然，丝盘虫已经有一个开始进化的神经系统雏形，即没有神经细胞的神经系统。美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院的神经生物学家卡洛琳·史密斯解释道：“我们认为它就像一个原始的神经系统。随着早期动物的不断进化，这些细胞变成了神经元。”此外，科学家们还发现细胞中含有一种矿物晶体，晶体总是下沉到细胞底部。丝盘虫利用这些细胞，在身体处于水平、倾斜或颠倒等空间位置时，来“感知”向上或向下移动的方向。

丝盘虫的防御机制

最令生物学家惊讶的是，丝盘虫这种生命体的构造虽然简单，但是它的生存方式并不简单。首先，它会“飞”（差不多像飞）；其次，它有致命的毒液；最后，在它生命的某个阶段可能会以一种完全不同的形式“潜行”，只不过科学家还没有发现它们是如何伪装的。

5 亿到7 亿年前早期，丝盘虫胃部的演化过程。红色部分代表消化食物的细胞，身体从扁平的“盘状”演变成“碗状”，最后变成“花瓶状”，负责消化的细胞在丝盘虫体内形成一个真正的胃

在发现丝盘虫一个世纪后，人们还误认为它只能爬行。事实上，它们都是游泳高手。1989 年，美国加利福尼亚大学的生物学家维姬·皮尔斯在太平洋诸岛旅行时采集了许多丝盘虫的样本，并花了几个小时在显微镜下观察它们。有一天，她看到一只“小飞碟”在水中游泳。之后，经过更加细致的观察，她发现经常可以看到它们游来游去。

那一年，她在显微镜下还观察到一个更奇怪的现象— 丝盘虫被蜗牛追赶。但在即将抓住丝盘虫的那一瞬间，蜗牛就像碰到了火炭一样缩了回去。这个谜团在2009年被解开—有位科学家研究发现，丝盘虫身体上方的小黑球是用来刺蜇和麻痹猎食者的防御武器。

之前，人们一直认为那些小黑球只是脂肪团，但实际上其内部含有某种毒液。当受到攻击时，丝盘虫会释放毒液。研究发现，丝盘虫的某种基因与某些毒蛇（如美洲腹蛇和西非蝰蛇）的毒液基因非常相似。它们的一小点毒液对人类这样大体形的动物而言，不会造成任何伤害，但对于一只小蜗牛来说，却会成为它一天里挥之不去的噩梦。