五律·重演
远航寒武纪，始于刺胞门。
三胚造脏腑，两轴定神魂。
万虫起沧海，千演化智人。
纷繁溯何处，须探原肠痕。
自然界的动物千奇百怪，但我们往往会发现许多不同动物拥有某些普遍类似的形态特征。例如，我们人类的大脑、脊椎、心脏、胃肠等多个组织器官至少能在猴子、狗、鸟类、鱼类乃至某些看起来跟我们完全不同的动物中发现功能类似的结构。
演化学家们正是根据共享的形态特征来给不同动物进行归类。他们将那些能最大程度在足够多物种之间找到共性的特征组合定义为躯体构造（body plan）。于是，在特定生命阶段共享同一套body plan的大量物种构成了一个门（Phylum）。按照当前学界的主流观点，现生动物被分成了33个门（也有说31个门）。常见的几个动物门主要包括：人类、鸟类、鱼类所在的脊索动物门，昆虫、虾、蟹等所在的节肢动物门，蚯蚓、水蛭所在的环节动物门，章鱼、蜗牛、牡蛎所在的软体动物门，蛔虫、线虫所在的线虫动物门，海星、海胆所在的棘皮动物门，以及水母、珊瑚所在的刺胞动物门。
这里需要强调的是，body plan特征未必会在动物个体的整个生命周期中一直维持下去，经常会只在胚胎发育过程中的特定阶段出现。我们人类所在的脊索动物门的body plan包括：脊索、咽裂、中空的背神经索、内柱（或甲状腺）和肛后尾，其中脊索结构只在几乎所有脊椎动物的胚胎中出现（在更接近祖先状态的文昌鱼体内终身保持），而四足动物（即陆生脊椎动物）的咽裂也只发生在其胚胎期。因此分析比较不同物种的胚胎发育过程是研究动物演化的重要手段之一。
脊索动物门的body plan（标为红色），图源：https://biologydictionary.net/vertebrate/
门是动物界的下一级分类单元，每个门高度保守的body plan特征在它们的最晚共同祖先阶段就已经建立了。也就是说，我们最远能在多久前的地质岩层中发现拥有某套body plan特征的生物化石，就意味着我们大概确定其对应动物门的最早起源时间。
古生物学家们在全球各地的不同年代地层中不断挖掘化石，并与现生动物比较形态特征来鉴定它们所属的门类。于是他们惊奇地发现，几乎所有主要动物门都在寒武纪早期附近（距今约5.3~5.5亿年）集中涌现，此后再无新的动物门产生。这个在动物界空前绝后的宏观演化现象被称为“寒武纪物种大爆发”[1]（后文中简称为“寒武纪大爆发”）。也有研究认为寒武纪大爆发应该包含更早的埃迪卡拉纪的一部分，前后可能持续了约5000万年[2]。不管怎样，如此空前绝后的演化事件相比地球生物数十亿年的漫长演化史而言都显得太过短暂而不同寻常。迄今为止最著名的寒武纪化石生物群分别是代表了寒武纪早期的中国云南澄江生物群，以及代表了寒武纪中期的加拿大布尔吉斯页岩生物群。
中国云南早寒武世(5.1亿年前)澄江动物群(D至I)和加拿大不列颠哥伦比亚省中寒武世布尔吉斯页岩动物群(A至C, J)的寒武纪body plan图例[3]。(A)有爪动物门:埃谢栉蚕;(B)节肢动物门:瓦普塔虾;(C)节肢动物门:马尔拉虫;(D)疑似海鞘：长柄火炬虫;(E)鳃曳动物门:帽天山虫;(F)泛节肢动物:欧巴宾海蝎;(G)节肢动物门:林乔利虫;(H)节肢动物:多节尖峰虫;(I)节肢动物:抚仙湖虫;(J)脊索动物门:海口鱼
1. Evo-devo对性状起源问题的解释
考虑到寒武纪大爆发对理解现生复杂动物起源问题的重要性，其产生原因需要得到解释。大部分解释方案致力于寻找当时外部环境的特殊性。例如，有些人认为此前的生物圈以单细胞生物为主，而多细胞动物的出现使得它们前所未有地快速统治了广泛的生态位，于是获得了空前优势并快速演化。还有些人认为是当时适宜的温度以及较高的氧含量支持多细胞动物能够稳定生存，为寒武纪大爆发提供条件。然而在漫长的演化历程中，适宜而稳定的外部环境经常出现，而且数次物种大灭绝事件后巨大的生态位空缺也同样没有引发全新的动物门出现。总之，外部因素远不足以解释清楚寒武纪大爆发为何发生。
也有人曾这样认为：历史上发生的重大演化事件就像划过长空的流星，我们最多只能记录它的出现，却没法弄清它为什么出现，毕竟我们无法对几亿年前的化石做基因测序或分子生物学研究。然而在上世纪80年代，一个全新学科的出现改变了这一切，那就是演化发育生物学（evolutionary developmental biology，简称evo-devo）。该领域的科学家们致力于从现生动物胚胎发育的内因出发，解释寒武纪大爆发。
Evo-devo从body plan出发来解释这一切。Rupert Riedl最早提出，各门祖先构建了body plan等保守特征的发育能力，使得它们的后代在此基础上有机会演化出无数复杂多样的形态特征[4]。Evo-devo将这种带来全新形态发育能力的不连续演化过程称为演化创新（evolutionary innovation）[5]。Eric Davidson进一步指出，胚胎不同区域的基因调控网络（gene regulatory network，GRN）通过激活基因选择性表达来驱动细胞朝着不同方向分化，所以网络上游的核心调控关系被各门祖先首次构建使它们前所未有地获得了body plan特征的发育能力[3]。Evo-devo在对现生动物发育机制的比较中寻找不同门类动物起源的答案，并在动物胚胎中验证得到的结论。寒武纪大爆发包含了一系列复杂的演化过程，至今尚未完全研究清楚，但最近十几年的研究已经取得了一系列颠覆性的重大成果。
海星的中胚层GRN核心：Notch信号蛋白结合Delta受体后，依次激活Foxa等几个上游转录因子在中胚层区域特异性表达，由此驱动中胚层细胞分化。
2. 刺胞动物是破解大爆发之谜的关键
在现存的33个门中，其中有29个门的动物整体上呈现出左右对称的形态特征，它们共同构成了两侧对称动物（Bilaterian）。另外四个门按照跟两侧对称动物的关系由远及近分别是，栉板动物门（栉水母），多孔动物门（海绵等），扁盘动物门（黏丝盘虫），以及刺胞动物门（水母，海葵，珊瑚等动物）。其中刺胞动物被认为是距两侧对称动物最近的姊妹群。寒武纪大爆发恰好对应着那些两侧对称动物门祖先出现的时间点，而刺胞动物则在约6亿年就已经出现了[6]。于是一开始人们曾简单地认为只要弄清楚有两侧对称动物共有的发育模式如何起源就足以充分解释寒武纪大爆发。
根据最新一系列分子生物学结果划分的动物门类系统发生树[7]
自上世纪80年代以来，人们在小鼠和果蝇的早期胚胎中发现它们基于高度类似的调控网络完成最初的一系列细胞分化。于是，人们曾认为是两侧对称动物共同祖先构建了这些基础发育能力并拿到了向更复杂方向演化的“通行证”。可实际上，两侧对称动物的发育基因在刺胞动物基因组中也几乎都能找到，但在更远的海绵或栉水母中则很少找到。这说明搭建一个复杂动物所需的发育基因，至少在刺胞动物和两侧对称动物共同祖先阶段就已经基本准备齐全了[8]。而当人们研究刺胞动物如何使用这些基因从胚胎发育成个体的时候，震惊地发现它们居然与两侧对称动物共享同一套基本的发育调控机制！
3. 三胚层模式的起源
这一切还要从一个特殊的胚胎组织谈起：胚孔。受精后的早期胚胎经历一定次数的有丝分裂之后，其表面特定位置会出现一道细细的裂纹，名叫胚孔。
接下来发生的事情可以说是地球上最神奇的生命现象：原肠作用。我们以爪蟾为例[9]，位于其原肠胚“南半球”的细胞从胚孔处不断陷入胚胎内部，并不断向内延伸，成为内胚层；而“北半球”的细胞从另一侧包围过来，直到将“南半球”彻底“吃”进去，形成包裹着整个胚胎的外胚层。在内、外胚层的相向运动过程中，它们之间需要一种特殊的“润滑剂”来抵消彼此接触带来的黏附摩擦，最终实现“我吃我自己”。于是，在内外胚层之间的复杂相互诱导下，它们接触面上的那些原本像“固体”一样稳定的上皮细胞转化为像“液体”一样流动的间充质细胞（该过程被称为上皮间充质转化），这样就形成了夹在内、外胚层之间的中胚层。
（A-F）爪蟾原肠胚形成过程。经过多次有丝分裂之后，囊胚期胚胎的南北半球分界处形成裂缝（胚孔），然后“南半球”（植物极，黄色）从胚孔腹侧内陷形成内胚层，“北半球”（动物极，蓝色）外包过来形成外胚层，在二者夹层间形成中胚层（红色），由胚孔向内扩出的腔即时原肠腔。图源：发育生物学（原书第11版）
原肠胚的三个胚层分别会分化出不同的组织器官：外胚层发育成神经和表皮组织，中胚层发育出肌肉和循环系统，内胚层主要负责消化系统的发育。作为两侧对称动物通用的核心发育模式，三胚层原肠胚被喻为“是你生命中最重要的时刻”。根据胚孔发育为口或肛门，两侧对称动物被分为原口动物和后口动物两大类，前者包含节肢动物、环节动物等大部分门，后者仅有棘皮动物、半索动物和脊索动物三个门。
从受精卵发育到有三个胚层的原肠胚，每个胚层都分化出不同细胞类型。图源：发育生物学（原书第11版）
相比而言，刺胞动物同样把胚孔发育为口，但它们的原肠胚只有外、内两个胚层。其外胚层与两侧对称动物类似，而发育成消化腔的内胚层过去被认为是对应着两侧对称动物中、内两个独立胚层混合物的演化前体。然而最新的研究表明，两侧对称动物的三个胚层都能在刺胞动物中找到对应结构[10]。从基因表达层面来看，作为刺胞动物的代表，星状海葵（Nematostella vectensis）的内胚层几乎完美对应着两侧对称动物的中胚层，而后者的内胚层基因则集中表达在其咽部外胚层区域。而从生物学功能来看，由海葵咽部外胚层发育出来的消化腔隔膜丝表达了胰岛素样肽等消化酶基因，与来自两侧对称动物内胚层的胰腺等组织高度一致。也就是说，曾被认为是两侧对称动物最基础特征的三胚层模式并非最初起源自两侧对称动物祖先，而是其与刺胞动物门的共同祖先。
左：两种观点下，两侧对称动物与刺胞动物的胚层对应关系。右：海葵胚胎发育的解剖示意图（颜色与左图对应）。其中咽部外胚层发育为肠系膜最外侧的隔膜丝，该结构通过分泌消化酶来起到消化食物的作用
4. 体轴与体节的起源
BMP信号梯度：腹背轴的起源
汉斯·施佩曼在对爪蟾胚胎的研究中进一步发现，位于其胚孔背侧边缘的细胞（胚孔背唇）扮演着整个胚胎发育的信号中心。其一旦被移除，剩余胚胎就只能发育出的模糊不清的组织，而将其贴到另一爪蟾胚胎的胚胎腹部则会使后者发育为拥有两套头和躯干的“连体儿”蝌蚪。施佩曼将这个最初始的发育信号中心命名为胚胎发育的“组织者”细胞，他也因此获得1936年诺贝尔奖[11]。组织者细胞能够诱导最初的神经系统从外胚层中分化出来，失去它们后外胚层彻底“腹化”为完全没有神经的表皮组织。由胚孔背侧指向腹侧的腹背轴建立标志着原肠胚开始形成，一系列轰轰烈烈的细胞分化事件从此展开。
施佩曼将一个爪蟾胚胎的胚孔背唇贴到另一个蝾螈胚胎腹侧，于是前者无法发育，而后者发育出有两套完整躯体的“连体儿”蝌蚪。
事实上，无论是两侧对称动物还是刺胞动物，腹背轴的建立都意味着神经系统的发生（刺胞动物称为指示轴，如下图所示），它们都是由BMP信号的梯度决定。在原肠胚初期，BMP信号蛋白会抑制外胚层朝着神经谱系分化并弥散分布于胚胎中。此时，由胚胎腹或背侧组织中心分泌的，拮抗BMP的蛋白就会在附近区域解除该抑制，让神经系统从这里开始发育[12]。
左：海葵胚胎的体轴。中央轴由Wnt浓度梯度决定，从口指向肠腔。指示轴由BMP浓度梯度决定，垂直于中央轴，由抗BMP信号中心（组织者细胞，淡黄色区域）指向胚孔的对侧。右：刺胞动物的指示轴与两侧对称动物的腹背轴同源，都是由对BMP信号（BMP4或dpp，绿色区域）的拮抗（Chordin，蓝色区域）决定
Wnt信号梯度：前后轴的起源
那两侧对称动物共有的第二条体轴——前后轴该怎么解释呢？它对应着海葵的中央轴，由Wnt信号浓度梯度决定。Wnt信号蛋白调控海葵的外胚层沿中央轴呈现出鲜明的基因表达分布，并由它们编码两套最基本的神经系统：位于胚孔周围的胚孔神经系统（BNS），以及位于消化腔尽头顶侧的顶端神经系统（ANS）。这套由Wnt信号梯度编码的调控网络，在两侧对称动物的前后轴部署了相同结构[13]。于是Arendt等人提出了这样一个假说：两侧对称动物的祖先将胚孔沿着前后轴拉长（例如脊椎动物细长的原条结构），使得BNS与ANS交汇，形成了同时控制感知与运动的中枢神经系统（CNS）[14]。
Wnt信号浓度梯度在两侧对称动物前后轴或刺胞动物中央轴的分布，编码了控制运动神经的BNS与控制感知的ANS，二者交汇形成了两侧对称动物的CNS
Hox共线性：体节的起源
有没有证据能证明胚孔的拉长呢？那就是著名的Hox共线性。在海葵等刺胞动物中，Gbx基因和3个Hox基因在胚孔外周交错表达，而在两侧对称动物中，它们的同源基因以相同方式沿前后轴分布在胚孔两侧的中胚层区域。当海葵的Hox基因被依次敲除后，其表达区域对应的一对小室就与周围小室发生了融合，这与它们在两侧对称动物中调控体节分化的过程高度类似[15]。也就是说，海葵的消化腔分隔和两侧对称动物体节分节的过程应该起源自共同祖先建立的古老发育模式，拉长的胚孔使原本分布在其周围的Hox基因在部署到两侧对称动物的前后轴[16]。有所不同的是，在刺胞动物中，Hox基因遵循着由BMP信号激活表达的调控模式（对应着两侧对称动物的腹背轴），而两侧对称动物的Hox基因被控制前后轴的Wnt信号激活[17]。
左：在刺胞动物和两侧对称动物中，Gbx与多个Hox基因呈现出高度类似的共线性表达的特征。右：在海葵中，依次敲除四个相关基因发生了胃囊小室的融合现象
总之，两侧对称动物共有的一系列基本发育特征在刺胞动物身上几乎都找得到，这在过去看来有些不可思议。由此可见，发育规律在解释动物门级别以上的宏观演化过程中起主导作用，而适应性演化在微观演化中至关重要。故我们应该思考形成无数复杂生物性状背后的更深层规律，将不同生物学领域的概念整合统一，在未来构建出足以解释生物多样性与复杂性出现的完善理论体系。它需要遵守的底层逻辑就是同源性（homology）：正是各种层面无处不在的同源性将多姿多态的地球生物紧密联系起来，而不是以完全无序的方式任意变化。那些分子，细胞，遗传，发育，神经等方方面面的生物机制和规律都是遵循它们的生物演化自同一个祖先群体的有力证据，进而凝聚出生命科学最核心的假说——“生命只在地球上出现过一次”！从同源性的角度来看，生物演化无非是基于已有同源特征的渐变（descents with modification）或全新同源模式的产生(evolutionary innovation)。Evo-devo对此最大贡献就是将生物同源性的概念从最初的基因序列相似性，拓展到它们的表达模式，然后是细胞分化，直到最终的表型层面。
5. 展望
综上所述，寒武纪大爆发不只是两侧对称动物的事情，而是至少应该追溯到两侧对称—刺胞动物的共同祖先来考虑。越来越多的古生物学家正在和发育生物学家在这一点上达成共识。我国在该领域的权威专家，舒德干院士提出了著名的“三幕式寒武纪大爆发”假说，主张只有分别考察刺胞动物，原口动物和后口动物如何依次出现，才能基本将寒武纪大爆发的谜题解释清楚。
目前，evo-devo整体上已经为“第一幕”所涉及的演化创新搭建了基本框架，而想彻底解释清楚这一世纪谜题，还需要在“后两幕”的研究中更加努力。相信在不远的将来，科学家们会征服这座名为“寒武纪大爆发”的巍峨高山，探寻复杂动物演化的更深层奥秘。
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（来源：微信公众号“ZJU生命演化研究” 作者：孙仲夷）
责编：吴雅兰