它连神经元都没有，却能帮我们探索神经元的起源

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：糖兽，题图来自：《海绵宝宝》

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海绵是动物生命进化树上最早的分支之一，它们是非常简单的生物，简单到它们的身体甚至没有对称模式，也缺乏大脑、肌肉、肺或鳃、肠道等部件。它们是滤食性摄食动物，每天都会用身体过滤成千上万升水来收集食物。

在21世纪初，科学家对海绵进行了最早的基因组测序。那时他们就惊讶地发现，海绵拥有许多与人类以及其他更复杂动物相同的基因。这些基因的存在表明，肌肉收缩和神经元分化等功能的遗传信息比肌肉或神经系统本身要古老得多。但是，在这种既没有神经元又没有肌肉的动物身上，为什么会存在这样的基因呢？

现在，一组研究人员利用基因组技术揭示了一种淡水海绵（Spongilla lacustris）中的约26000个基因的表达。他们发现，海绵拥有一套可用来调节进食，并潜在清除入侵细菌的复杂细胞通信系统。这一发现为不同的细胞类型最初是如何进化的提供了重要线索，并且可能有助于解决一个长期而棘手的争论，即神经元究竟是通过一次还是多次进化而成的。研究结果发表在了近期的《科学》杂志上。

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神经元是一类具有特殊特性的细胞，它们能通过微小的、有针对性的被称为突触的连接，以闪电般的速度传递电信号或化学信号，从而进行交流。当受到刺激时，神经元会发出电脉冲，释放出被称为神经递质的化学物质，这种物质会通过间隙传递到下一个神经元。神经递质会激活接收细胞中的蛋白质，并启动另一个电信号。

为了了解如此复杂的细胞间通讯系统最初是如何进化的，越来越多的研究目标转向动物，比如在生命早期就已出现的海绵。尽管海绵并没有神经元，但从一些更早的研究中，科学家已经知道它们拥有可以编码有助于突触发挥作用的蛋白质的基因。

在新的研究中，一个国际科学家团队为了找出是哪些细胞表达了这些基因，对一种淡水海绵细胞中的mRNA进行了测序。他们发现，这种海绵有18种不同的细胞类型，有一些是与人类或更复杂动物所拥有的相似的特殊细胞。

其中有一种细胞具有类似于更复杂动物的肌肉的基因活性，这类细胞能够帮助海绵扩张和收缩。他们还在一部分细胞类型中发现突触基因也是活跃的，这些细胞聚集在海绵的消化腔周围，表明可能存在某种形式的细胞通讯，协调着海绵的滤食性摄食行为。

海绵由相互连接的导管网络组成，其中包括小的消化腔。消化腔的内壁排列着具有鞭状突起的特殊消化细胞——领细胞，这些鞭状突起会同步跳动，能够捕捉水中的微小的颗粒，甚至是漂浮的DNA作为食物。| 图片来源：Caterina Longo / Bari University;

他们将注意力集中在一类被称为类神经细胞（neuroid cell）的细胞上。类神经细胞并非神经细胞，也不具有能使神经元迅速交流的突触。几十年来，只有少数几项海绵研究小组报道过这类细胞，它们的数量似乎很少，而且集中在海绵的消化腔内。

通过使用X射线成像和电子显微镜来放大消化腔，研究人员发现这些类神经会伸出长长的“臂”，去接触一种名为领细胞的消化细胞。领细胞是一种有着鞭状突起的细胞，它驱动着海绵的水流系统，并为海绵捕获大部分食物。研究人员认为，正是这些“臂”的存在，使得类神经细胞与领细胞得以交流，让它们可以暂停水流系统，清除任何碎片或外来微生物。

换句话说，是类神经细胞与领细胞的共同运作，协调了海绵的进食。这让研究人员联想到神经元细胞之间的交流。对于神经元来说，总是需要两个细胞来完成一次传递，一个发送信号，另一个接收信号。因此研究团队怀疑，这种细胞类型或许是神经系统的进化前体。

电子显微镜显示类神经细胞（紫和红）可以伸出它们的“臂”与消化细胞（蓝、绿和黄）交流。| 视频来源：Nature Picture Research

但是，这样的结论也带来了争议。有科学家认为，把这些细胞称为神经系统的前体或许还有点牵强。比如我们很难证明神经系统究竟是由这种细胞通信系统进化而来的，还是在更早的情况下经历多次进化出现的。另外，许多其他生物，包括单细胞真核生物，也都含有相同的突触基因。因此到目前为止，我们所拥有的证据仍非决定性的。

尽管如此，也有科学家表示即使神经系统的进化故事不成立，这项研究也对理解动物神经系统的起源意义重大。它是识别关键细胞类型的力作，对我们理解海绵具有非常大的帮助。如果研究小组的推测正确，而且海绵确实能用与神经元类似的信号协调细胞行为，那这将打破我们的先入之见，即海绵缺乏与神经元相关的细胞类型。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-03015-2

https://www.science.org/content/article/sponge-innards-suggest-how-nerve-cells-evolved

https://www.quantamagazine.org/sponge-genes-hint-at-the-origins-of-neurons-and-other-cells-20211104/

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2949

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