赵龙（右三）与学生讨论实验结果。

■本报记者 廖洋 通讯员 曹馨月 宋俊谕

显微镜下，一只果蝇的 " 心脏 " 正在跳动。这是个仅数百微米的管状结构，肉眼几乎难以辨识，却稳稳支撑生命运转。与之相比，人类拥有结构精密的四腔心脏、章鱼演化出 3 颗协同工作的心脏、海鞘心脏具备独特的双向泵血功能……亿万年时光更迭，看似迥异的心脏结构背后是否藏着一套通用的演化底层密码？

中国海洋大学联合青岛市妇女儿童医院、广东省人民医院等单位，系统解锁了动物心脏亿万年演化的分子基础与细胞机制。该研究建成国际首套高精度空间分辨率动物心脏单细胞整合图谱，是目前物种覆盖最广、演化跨度最大的成体心脏多维转录组数据集，同步搭建的开放共享数据库 HEART，为全球动物心脏演化研究打造核心资源平台。相关研究近日发表于《科学》。

午餐会上的灵感和众筹的跨界科研

心脏是动物适配不同生态环境的核心器官，在漫长演化中形成了高度差异化的结构与功能。长期以来，心脏研究多局限于小鼠等少数模式动物，受技术限制，大尺度跨物种心脏演化规律始终缺乏系统性解析。

2019 年，从美国归来的赵龙入职中国海洋大学任教授，在深耕心脏再生研究的基础上，开启了心脏演化规律的探索。

团队初期研究规模较小，仅覆盖扇贝、蜗牛、斑马鱼 3 个物种，初步探索了两腔室心脏演化的分子特征。随着研究深入，赵龙萌生了更大胆的构想：如果扩大物种研究范围，能否挖掘动物心脏演化的通用规律，破解其宏观演化机制？

2022 年，一场学术会议的午餐交流让这一想法落地生根。

赵龙同青岛华大基因研究院研究员范广益、中国海洋大学教授王玮深入交流，三方一拍即合，随即联动中国海洋大学教授王师、广东省人民医院教授费继锋，正式启动项目。

然而，经费成了 " 拦路虎 "。结合物种筛选、多组学测序成本测算后，各团队商议决定，从自有在研项目中调剂经费，以 " 众筹 " 的方式支撑项目起步。

项目开始后，物种筛选是关键。项目组最初选定了斑马鱼、海鞘、蝾螈、扇贝等 15 个已有研究基础的物种，但很快发现，有限的样本会降低研究结论的准确性。

" 这并不是简单地‘多找几种动物’，而是要让样本尽可能覆盖不同的演化分支。" 赵龙告诉《中国科学报》。

" 珍珠鸟体形较小、心脏尺寸适合实验需求，成为核心样本之一。" 赵龙介绍，实验切片需放置在 1 厘米 × 1 厘米的芯片上，心脏过大便无法完整呈现结构。

论文第一作者、辽宁师范大学教授逄越则将目光投向了七鳃鳗：" 它是无颌类脊椎动物的代表，保留着原始演化特征，是研究心脏早期演化的关键样本。"

" 原口动物这一核心支系为研究的重要切入点。其中，以鲎为代表的节肢动物类群保留了典型的管状心脏这一祖先形态。而以扇贝、蜗牛、章鱼为代表的软体动物，作为海洋中物种多样性最为丰富的第一大门类，其心脏的起源与演化特征尤为值得关注。深入解析该类群心脏的演化路径，有助于揭示软体动物在适应多样化复杂生态位过程中所实现的生理革新。" 王师介绍。

2022 年底，27 个物种名单敲定，涵盖原口与后口两大类群动物，覆盖水生、两栖、陆生多元生活环境，囊括管状、两腔室、三腔室、四腔室等主流心脏演化形态，一项跨领域、跨物种的大规模合作研究正式拉开帷幕。

微米级实验破译心脏通用密码

科学构想最终要落到显微镜下毫厘之间的实验。那么，如何获取高质量的样本呢？

研究人员需将心脏组织做成超薄切片，精准转移至测序芯片检测。由于不同物种心脏腔室结构差异极大，切片方向直接决定实验数据的完整性，是决定实验成败的关键。

" 单张测序芯片成本高达数万元，绝不能浪费。正式实验前，我们会反复研读文献、开展大量解剖练习，确认样本合格后再上机检测。" 论文第一作者、赵龙团队博士后芦美娜回忆。

王玮介绍：" 海鞘心脏仅有单层细胞，切片过程中极易变形，团队博士生李昱儒几经摸索，才拿到完整形态的切片。"

最让芦美娜印象深刻的是果蝇单细胞转录组取样。

果蝇心脏仅 300 微米 × 50 微米。常规动物 2 至 3 个样本即可完成检测，果蝇却需要 300 至 400 个。研究人员需在显微镜下精准剥离微型心脏，在其维持活性的状态下快速保存，锁定分子特征。

" 之前我们很喜欢吃鸡心，但处理太多样本后，现在几乎吃不下任何心脏类食物。" 芦美娜苦笑。

历经多轮精准取样，项目终于进入检测阶段。

" 研究主要采用空间转录组和单细胞转录组技术。前者保留基因空间表达信息，后者则区分不同细胞类型特征，二者互补完善。" 青岛华大基因研究院研究员刘群解释。

2023 年下半年，27 个物种的检测工作全部完成，项目正式进入难度最大、周期最长的数据分析阶段。

搞定最难啃的 " 硬骨头 "

海量多维数据的整合分析是研究最难啃的 " 硬骨头 "。

2023 年 9 月，团队成员从各地集结，全力破解数据分析难题。

跨物种数据整合是摆在他们面前的第一道难关。

刘群和中国海洋大学副教授韩文韬主动担起了这一重任。面对跨原口动物与后口动物的多个物种及其不同平台的基因组、转录组数据，他们在算法参数间反复调校，在基因注释文件中逐一核对，逐步建立起跨物种的整合注释框架。

心脏腔室演化轨迹的推演也在同步进行。

传统的演化分析多停留在组织层面，而中国海洋大学副教授连姗姗创造性地将 TAI（转录组年龄指数）算法首次应用于单细胞水平，试图在单细胞分辨率下追溯不同细胞类型的演化年龄，让演化故事有了 " 细胞尺度 " 的时间轴。中国海洋大学硕士研究生骆佳鑫则利用多种算法精细拆解细胞类型，识别出保守的细胞类群核心基因标记，并分析水陆适应的分子基础。广东省人民医院博士研究生刘耀新集中攻克腔室边界的精准界定与跨物种细胞类型相似性比较难题，最终实现了跨物种层面细胞水平的系统评估。

从深秋到初冬，他们在海量数据的 " 密林 " 中艰难开路。每一条被成功注释的基因、每一个被精准定位的细胞类型，都为他们试图讲述的那个关于心脏演化的宏大故事 " 添砖加瓦 "。

" 每天一睁眼，大家就到小屋工作。" 连姗姗回忆，" 遇到问题集体讨论，有新进展随时分享。"

王玮还记得，他与赵龙每半个月就会去参加线下研讨。远在广州的费继锋全程线上联动，保障研究推进。

历经一年深耕，一张跨越数亿年的物种心脏演化图谱成型。

研究证实，不同物种心脏形态虽千差万别，但两侧对称动物的心脏共享一套核心基因谱系，超 60% 核心基因高度保守。在此通用遗传基础上，各类动物通过逐步叠加特异性基因的阶梯式演化模式，分化出适配自身生存环境的心脏结构与功能。原始心脏的泵血功能由心室样心肌细胞主导，心房是后续依托多种非心肌细胞逐步演化形成的。

此外，团队还首次鉴定出全新的心肌细胞瞬时状态 CMs（trans.），它与心脏发育、环境适应以及疾病响应密切相关。

这些成果为解析心脏遗传调控机制、研究心脏疾病，提供了新的科学依据与思路。

" 科研不仅需要发现问题的能力，更需要面对未知时持续探索的耐心。" 在赵龙看来，科研的价值不仅在于获得一个答案，更在于发现新的未知。未来，团队将继续深挖动物心脏演化的内在规律，描绘出更完整的科学图景。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adw0855