人類祖先嘴巴曾經消失又出現？揭開脊索動物腹背翻轉之謎

圖為脊索動物代表——文昌魚。脊索動物門包含頭索動物、尾索動物、脊椎動物，共同特徵是在個體發育過程或某時期有 (支撐身體的) 脊索、背神經管 (神經集合成一束) 和分節的肌節，脊椎動物 (如人類) 又多了脊椎骨和發達的頭部。 圖片來源│游智凱 ；圖片重製│林洵安

其他動物的神經或是散漫分布 (如水螅)，或是環繞身體 (如海膽)。蝦子和蚯蚓與脊索動物一樣身體左右對稱，神經集中成一束，但牠們的腸子卻在背部 (如蝦子背上黑黑的腸線)，神經管位於腹部，跟脊索動物剛好相反。

1822 年，法國自然學家聖伊萊爾 (Geoffroy Saint-Hilaire) 就曾盯著龍蝦發想：如果把龍蝦翻過來，不就很像脊索動物(神經管在上、腸子在下)嗎？那麼，動物的腹背是否曾經發生翻轉呢？

龍蝦一樣有神經管，把牠翻過來，神經管在上、腸子在下，很像脊索動物。 圖說設計│黃曉君、林洵安

可惜的是，在聖伊萊爾的時代，人們仍堅信「創造論」，認為每種動物是各自獨立出現在地球上，彼此沒有關係。像聖伊萊爾這種超越時代、類似「演化論」的想法被斥為無稽之談。直到 1859 年，達爾文發表《物種起源》，科學家才開始從演化的角度，探究脊索動物腹背翻轉的謎團。

1894 年，科學家戈斯登 (Walter Garstang) 注意到棘皮動物和半索動物幼體的嘴巴皆圍繞一圈神經，推想這圈神經後來集中成束，演化成脊索動物的神經管。後人接棒推測：這圈神經繼續往腹部集中，腹部的嘴巴卻慢慢移動到背部，因為嘴巴決定腹部的位置，就這樣造成腹背翻轉……

「但這些『推想』都沒有實際證據，像神經往腹部集中、嘴巴移動到背面的說法，簡直匪夷所思，我決定從半索動物玉柱蟲下手，好好研究這個問題。」蘇怡璇說。

玉柱蟲是什麼？可以吃嗎？

玉柱蟲是一種海洋底棲的半索動物 (hemichordates)，身體兩側對稱，吻部碩大，因此名為「玉柱」。牠們喜歡躲在海灘的沙堆，靠著吞食沙子以攝取有機物維生，排出「沙便」，習性很像蚯蚓。全世界的玉柱蟲有一百多種，小的僅 10 公分、小指粗，大的可達 1 公尺，先來瞧瞧本尊：

因為玉柱蟲和脊索動物都屬於後口動物，具有鰓裂，口部附近又有類似脊索的構造，被認為是最接近脊索動物者，常用來研究脊索動物的起源。

脊索動物和玉柱蟲都屬於後口動物。若胚胎發育出現的第一個開口變成嘴巴，稱為原口動物，若第一個開口變成肛門，腸子往前觸到另一邊打開成為嘴巴，稱為後口動物，像海膽、玉柱蟲、文昌魚以及人類。 資料來源│蘇怡璇 ；圖片來源│蘇怡璇、維基百科 ；圖說重製│林洵安

蘇怡璇和游智凱打算怎麼開始？找出玉柱蟲和脊索動物之間的過渡型態？非也非也！他們採取了演化發育生物學 (Evolutionary Developmental Biology 或簡稱 Evo-Devo) 的研究進路。

演化發育生物學：從發育找演化答案

過去大多數演化學家認為：研究演化可以尋找生物的中間型態。因為生物演化要累積很多小小的突變，其中必存在物種轉變的中間型態。但實際上，不同動物門之間型態差異可能很大，根本找不到中間型態。

演化發育生物學提供另一種思考：

"比較不同生物的胚胎、幼生發育，推想牠們共同祖先的發育調控機制，並探討在演化過程中發育調控機制發生了什麼事 ，以至於演化出非常不同的動物型態。"

「從發育看演化，靠譜嗎？」這就得說到動物的發育調控機制和演化的關係……

在演化的過程中，動物即使型態差異很大，從共同祖先繼承的發育調控機制卻幾乎一樣，就像有張基本藍圖，決定了動物如何發育 。比方說：具有親緣關係的海膽和海星，外表看起來很不一樣，但兩者部分的發育調控機制卻是雷同的，所以胚胎和幼生也很相似。

那麼，為什麼會演化出型態很不一樣的後代呢？「當共同祖先調控發育的基因出現些微突變，改變了發育機制，就可能演化出外觀差異很大的後代，例如海膽與海星。」游智凱補充道。

玉柱蟲和脊索動物具有親緣關係，可能與脊索動物的起源有關。如果能找到某種方法改變玉柱蟲的發育調控機制，使牠朝向脊索動物的型態發育，也許就能破解脊索動物腹背翻轉的之謎。

什麼方法？蘇怡璇和游智凱聯想到一種可以調控動物發育的物質：骨骼形成蛋白 BMP。

BMP：決定腹背的關鍵蛋白質

動物的骨骼形成蛋白 BMP （Bone Morphogenic Protein），是一種可控制動物胚胎骨骼發育、神經發育、背腹體軸發育的蛋白質。以青蛙胚胎來說，腹部的 BMP 濃度較高，背部有另一種會抑制 BMP 的物質 chordin，所以BMP 濃度較低。青蛙背部和腹部的細胞分別接收到不同濃度的 BMP，就知道自己所在地是背部還是腹部，然後開啟不同的基因，讓背部順利長出神經管。

另一方面，研究果蠅胚胎的科學家也發現，果蠅背部有一種跟 BMP 分子很像的蛋白質 DPP，也會影響神經發育，腹部有另一種物質 sog 跟 chordin 類似，會抑制 DPP 功能。不過因為 DPP 在果蠅背面的濃度比較高、腹面濃度比較低，所以果蠅跟青蛙相反，是在腹面長出神經管。

人青蛙的神經管長在背面、果蠅在腹面，正是因為控制背腹體軸發育的蛋白質濃度分布不一樣。 資料來源│蘇怡璇 ；圖片來源│維基百科、Unsplash ；圖說設計│黃曉君、林洵安

「那麼，BMP 對玉柱蟲的神經發育有什麼影響？是否跟背腹體軸的翻轉有關？」游智凱和蘇怡璇設計實驗來破解。

脊索動物腹背翻轉的關鍵：嘴巴消失又出現！

他們在玉柱蟲胚胎的嘴巴和神經系統即將形成的關鍵期，加入 BMP，讓濃度在幾個小時內突然提高。結果發現，正常的胚胎會在腸子的腹側打開一個嘴巴，但加了 BMP 的胚胎雖然也有腸子，嘴巴卻消失了！而且因為腹部的 chordin 會抑制 BMP，導致 BMP 濃度比較低，於是圍繞口部的神經統統聚集到腹部。

他們用海膽幼生做一樣的實驗，得到相同結果：嘴巴消失，神經系統都集中到腹部！

於是他們大膽推測：玉柱蟲和海膽的祖先有相同的發育機制，在胚胎發育期由於 BMP 濃度改變，導致腹部的嘴巴消失，神經系統集中到腹部，成為類似像脊索動物神經管的先驅。後來，胚胎又在背部長出了新嘴巴，因為嘴巴定義了腹部位置，於是具有神經管的腹部就「變成」背部，更合理解釋脊索動物背腹體軸翻轉的過程。精彩的研究成果，已於 2019 年 6 月獲刊於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

玉柱蟲的正常胚胎以及加了BMP的胚胎比較圖。上列顯示：正常玉柱蟲的神經系統分布於腹背兩側之間，以控制纖毛擺動，幫助攝食。下列顯示：加了BMP後的玉柱蟲胚胎，嘴巴無法形成，神經聚集在腹面。 圖片來源│蘇怡璇；圖說重製│林洵安

蘇怡璇表示，「實驗的執行本身並不難，難的是實驗的設計與看到結果時，能否理解代表的意義，畢竟其中牽涉的理論是幾個世代的科學家，苦思了一、兩百年依然持續爭論的問題。」

只是，在漫長的演化長河中曾出現無嘴的動物型態，還是令人匪夷所思！牠們可以存活？真的會長出新嘴巴？於是蘇怡璇繼續飼養那些「沒有嘴巴」的玉柱蟲幼生，餵食帶螢光的藻類。

結果發現：牠們可以存活至少十日，而且體內變得亮亮的，表示真的有藻類進入！可惜沒有看到新嘴巴的生成，推測玉柱蟲可能找到新開口來攝取藻類。

「我們是透過實驗證據提出另一個想法，不敢說一定是對的，畢竟沒有人知道5億年前演化到底怎麼發生。」游智凱總結。在演化的世界裡，永遠有無限的謎團，等待一代代的科學家接棒破解。

蘇怡璇和游智凱是一對夫妻研究員， 蘇怡璇研究海膽，游智凱研究文昌魚，這次合作親緣相近的玉柱蟲，揭開脊索動物腹背翻轉之謎。平常兩人常常帶著研究團隊進行讀書會，研討論文、演化相關書籍，透過彼此激盪，才能逐步拼湊線索，構想出全新的理論。 攝影│林洵安

本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。