生物信息学习的正确姿势

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介形虫的生态复原图。制图：南京地质古生物研究所/杨定华

小生命有大奇迹这句话确实对得起最近发现的远古物种。来自中科院南京地质古生物研究所的科学家在一枚缅甸化石中发现了一种甲壳亚门动物，这些仅仅只有0.6毫米的介形虫体内还保留着1亿年前的精子。这一研究直接将已知的动物精子信息推到了白垩纪，也找到了目前发现的最古老的动物精子。

撰文丨杨心舟

介形虫是一类具有双瓣壳的水生微型甲壳类动物，外观看起来就像拥有肢体的植物种子。它们通常只有1毫米长，但产生的精子却异常巨大，在最夸张的情况下，它们的精子可以长达1.18厘米（相比之下，人类的精子长度只有约55微米）。

介形虫在地球上已经生存了将近5亿年，它也是最丰富的节肢动物化石来源，其能够提供奥陶纪以来的古环境变化和节肢动物的演化信息。但遗憾的是，大部分介形虫化石留下的都是它们的外壳，里面的软组织部分几乎没有残存。

独一无二的琥珀

不过最近，南京地质古生物研究所的科学家展示了一枚非常特殊的缅甸琥珀，不同于以往只有钙化硬壳的化石，这枚琥珀里面完整地保留了介形虫的软组织部分，包括附肢、抱握器、曾克氏器（精子泵）、半阴茎、储精囊、卵和巨型精子都完好无损地存留了下来。

并且这枚琥珀里面可以说是保存下了一个介形虫的小社群，一共有39只介形虫出现在了这一枚琥珀中，雄性、雌性和幼虫样本全都有。其中有31只是之前从未发现过的介形虫种类，现在这一新物种也根据发现者和琥珀来源被命名为Myanmarcypris hui。

借助于X射线断层摄影技术，研究者成功地展示它们软组织结构的高清三维图像。这种技术能够显示整个生物和单个细胞的三维内部结构以及定量信息，并探测出物体小于1%的密度变化，许多骨头和化石样本都会使用这种技术来展示结构细节。

通过该技术，雄性的抱握器、曾克氏器以及雌性的受精囊都清晰地展示在了研究者的眼前，除此之外，最令人意外的是雌性受精囊中还含有精子。这些生殖特征，甚至是巨大的精子与现存的一些介形虫都是高度相似的。

根据研究，有一只雌性介形虫的受精囊处于扩张的状态，在通过透明化处理的重建图片中，可以看到雌性体内还有着4颗卵，另外还有弯弯曲曲的条状物，而这些条状物就是雄性刚释放不久的精子。这只雌性介形虫可能刚与雄性成功交配之后就立马被包埋在了琥珀之中，这也造就了珍稀的介形虫化石，这枚琥珀几乎是将介形虫的整个生殖过程全部记录了下来。

绿色代表的是卵，橙色代表的是精子聚集体

当然，化石能够提供的信息也就是缠成一团的精子，因此想要直接断定精子有多长还是比较困难。研究推测，这只雌性体内的精子长度在200微米左右，约为介形虫身长的三分之一，也达到人类精子长度的约4倍。

最古老的精子

这次发现的精子将最古老动物精子的记录刷新了一大截。之前的记录还是由南极洲发现的一种环节动物保持的。2015年，科学家在南极地区蛭纲蠕虫的卵茧化石中找到了精子的痕迹，其也代表着来自5000万年前的精子形态。并且，远古蠕虫中的精子形态也与当今环节动物的无差。新研究直接把这一纪录往前推了5000万年。

而此前最古老的介形虫精子来自于2014年，慕尼黑大学的生物学家Renate Matzke-Karasz在澳大利亚的一处洞穴中找到的一份介形虫化石。当时的分析确定这份化石的年份大约距今2300万~1600万年。而这次研究的第一作者王贺在重建了介形虫的3D图像后，就立即发给了 Matzke-Karasz进行鉴别，“我看到图片就意识到这是目前最古老的动物精子，”他表示。

当然，这次新研究找到的介形虫精子只能说是最古老的动物精子。而某些介形虫的精子长度即使有1厘米以上仍称不上动物界最大。有些果蝇的精子长度能达到几厘米，介形虫还是要稍逊一筹的。不过，这次的新发现让我们有机会窥视到这个物种的演化史：从1亿年前，到1600万年前，再到现存的介形虫，它们的外观和生殖特征上没有什么显著变化。

相互比较不同年代的介形虫信息就能发现，在介形虫产生交配行为时，无论是一亿年前琥珀中的这只，还是现代的介形虫，它们都需要通过借助像钩子一样的抱握器来抓住雌性。一旦它们躯体保持稳定，雄性就会通过曾克氏器将巨型精子送入雌性体内。

当精子进入雌性的生殖道后，会经过一段比较长的通道之后最后到达受精囊。在受精囊里，精子才会开始具有移动性，并变成更加有形态的聚集体，最终接触到卵完成受精过程。

演化停滞同样可行

当然，你可能会不太理解只有0.6毫米的个体，为何要产生比身体还长的精子？这其实是一种持续数亿年的生殖竞争造就的结果。介形虫和人类不一样，经常会有多个雄性试图让同一个受精，为了争夺繁衍的权利，雄性不得不使出最具竞争力的生殖方式。

精子在接触雌性介形虫卵子之前，需要经过一段螺旋式的通道，这个通道长度比雌性个体都要长，因此雄性需要利用更长的精子来争取第一个接触到卵子完成受精，那些长度不够的精子往往难以完成这一复杂的旅程，因此在数亿年的演化过程中，具有高竞争力的长精子被保留了下来。而琥珀中的证据也让我们看到，这一策略的确非常可行，因此才流传至今。

这些介形虫和巨大精子也说明了演化并不一定是朝前行进的，演化停滞同样会被生物接纳。只要能够保证生物的生存和繁殖，那么这种策略就值得保留，即使保留的时间是数亿年。

图片来源论文

原始论文：

Exceptional preservation of reproductive organs and giant sperm in Cretaceous ostracods

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2020.1661

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