最新测定的两种海洋蠕虫的基因组揭示了经过5.7亿年进化，腮如何成为让我们可以咬，咀嚼，吞咽和说话的咽。

柱头虫生活在咸水水域的浅滩的U型地穴中。科学家最新测定了柱头虫的两个种的基因组，是半索动物中第一批被测定的。半索动物仍保持着和最原始的进化出咽腮裂的物种相似的特征。这些原始物种最终进化成有中轴骨和中空的神经索的脊索动物，比如人类和其他的脊椎动物。

5.7亿年前人类祖先开始和柱头虫出现进化差异，原先用来过滤食物的咽裂进化成用来提取氧气的腮，再进化成今天人类的上下颌和咽，包围了甲状腺，舌头，喉头和各种嘴和喉咙间的腺体和肌肉。人类和其他的陆生脊椎动物在胚胎时期仍能看到腮，不过他们很快消失。正常的婴儿是没有腮的。

”在柱头虫和脊椎动物中都出现这些开裂意味着二者的最后共同祖先也有这种结构，而且可能和今天的柱头虫一样，是用来过滤摄食的，“Daniel Rokshar说到，他是这次测序的负责人之一，是加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的一名分子和细胞生物学教授，同时也是一名物理教授。“柱头虫是海洋无脊椎动物，毫无疑问并非是脊椎动物，不过它们是与我们血缘关系最近的无脊椎动物之一。”

“它们生得很丑陋，“John Gerhart也认同，他是论文的资深作者，是UC Berkeley研究生院的一名教授。”柱头虫看起来和脊索动物很不同，然而他们和脊索动物，比如人类，在基因组，发育和细胞生理学的角度看来又是如此相似，这着实让人惊讶。”

实际上，大约百分十七十的人类基因在柱头虫中有对应的基因，意味着这些基因是从共同祖先的基因组里继承下来的。

研究小组的成员包括来自加州大学伯克利分校（UC Berkeley），日本冲绳科学技术大学（the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University in Onna, Okinawa, Japan），斯坦福大学霍普金斯海洋站（Stanford University's Hopkins Marine Station），贝勒医学院（the Baylor College of Medicine in Texas）和英国方面的科学家。他们在11月19号发行的自然期刊上发表了他们的发现。Rokhsar和Nori Satoh领导了这个项目。前者作为访问教授领导着日本冲绳科学技术大学（OIST）的分子遗传学部门（Molecular Genetics Unit），后者则是OIST的海洋基因组研究部门（Marine Genomics Unit）的负责人。

腮--寒武纪前的发明

Gerhart已经研究柱头虫15年了，特别是那些大西洋种类--囊舌虫（Saccoglossus kowalevskii），他一直在追踪那些控制从虫卵发育到成体的基因。十年前，他首次提议测定柱头虫的基因组。

“我对脊索动物的起源很感兴趣，当然，肯定是起源于无脊索动物。而半脊索动物，比如柱头虫是我们已知的最接近这个支系的物种，”他说到。“所以如果你想要知道我们人类，脊索动物和半脊索动物的共同祖先到底有怎样的特征，比较三者之间的发育和基因组差异就显得非常重要。“

这是一个比较小众的研究领域。世界上只有数得清的几个实验室研究柱头虫，因为他们很难在水槽中饲养。自从它们在18世纪首次被生物学家发现后基本上没受到什么重视。Gerhart说到。这少数几个实验室的负责人都是这篇论文的共同作者，比如霍普金斯海洋站的Chris Lowe of the Hopkins Marine Station（他是Gerhart以前的一个博士后），哈佛大学的 Marc Kirschner和日本的Nori Satoh。

柱头虫的其中一个独特之处就是它们有许多的咽缝，可以过滤泵流过的海水，从中获取养分，藻类或者捕食细菌。这些开裂进化成鱼类和其他海洋脊椎动物的鳃裂，特异成从海水中提取氧气的器官，失去了原先过滤摄食的功能。

Gerhart已经懂得“欣赏”这些蠕虫的生理构造。他说它们独一无二的手指一样的“头部”或者说柱头虫的吻可以在沙子上探寻基本上是单细胞的藻类和细菌，然后把他们重悬在水中，并通过鳃裂吸入和过滤。”

“拥有鳃裂的好处在于可以让大量的水通过动物身体以搜集食物。它们可以进行高吞吐量的过滤和摄食。而其他动物则是大吞一口，然后处理里面的食物，从嘴部排出水再吞上另一口，”他说，“这些蠕虫和所有后口动物的咽区是它们最出色的共有的发明创造."

后口动物，起源与寒武纪前的年代，包括脊索动物，柱头虫类--最古老的后口动物，还有柱头虫类的一种近亲--无脊椎的棘皮动物（包括海星和海胆）。所有的双侧对称动物都属于后口动物或者原肢动物（总共25个门，涵盖昆虫，软体动物和环节动物（比如蚯蚓））。

咽相关的基因

当Baylor的科学家汇总出囊形虫基因组的第一份草稿时，Rokhsar开始和Okinawa小组合作改进这份基因组，并开始测定一种热带太平洋种，大鼻子象虫（Ptychodera flava）的全基因组。这两种物种是远亲，在3.7亿年前已各自进化。

通过比较新测定的基因组数据和其他动物的基因组数据，研究团队发现人类一条染色体上的一簇基因在柱头虫基因组的相应染色体上也同样成簇存在。有时这簇基因的某些局部结构甚至是相同的，尽管这两组基因组整体上在5亿年前已经开始不一致了。

其中一个特别令人感兴趣的基因簇是一组共六个有次序的基因，这六个基因都涉及柱头虫和脊椎动物中咽和鳃裂的发育。咽鳃裂（在所有的后口动物中都能发现，尽管在有的物种上很原始）被认为是一种进化上的创造，是一类物种的显著标记，他说到。

”我们认为这是一个古老的后口动物特有在咽模式形成中起作用的基因簇，“Rokhsar说到。

另一个令人惊讶的发现是后口动物有超过30个基因在非后口动物中没有对应的基因，但是它们和在海洋藻类和细菌中发现的基因很相似。这些基因的一部分的作用是改变包被着我们细胞的糖分子。这些基因究竟是其他动物丢失的及其古老的基因，还是它们在后口动物进化的早期通过”水平转移“从藻类和细菌处获得，暂时还没有定论。虽然细菌经常被发现通过这种方式交换基因，但是细菌和动物间的这种基因转移是很少见，甚至是有点争议的。Rokhsar说到。

Gerhart说：”我希望这些新测定的序列会鼓励更多的人来研究柱头虫."