传统观念中，无脊椎动物外骨骼常被视为“无生命的石头”；脊椎动物骨骼因其骨髓具有终身造血功能，被视为“活的器官”，成为脊椎动物特有的重要演化创新。这一观点常被作为经典认知和典型案例，出现在教科书中。

然而，中国海洋大学海洋生物遗传学与育种教育部重点实验室、方宗熙海洋生物进化与发育研究中心、中国工程院院士包振民和王师教授团队，历经9年在动物骨骼造血研究领域取得的最新突破性发现，却颠覆了这一观点。

近日，这项创新性成果发表在国际权威学术期刊《科学进展》上。论文发表后，便第一时间被该期刊选为网站主页的三篇亮点文章之一，并被《科学》的宣传媒体ScienceAdviser予以重点推介。

“该研究在国际上首次揭示了无脊椎动物骨骼中普遍存在造血干细胞巢，解开了5亿多年前的贝壳生命奥秘，颠覆了骨骼造血为脊椎动物特有演化创新的传统观念，它为理解动物造血系统起源演化提供了全新视角，也为海洋生物干细胞研究开辟了新方向和新范式。”海洋生物遗传学与育种教育部重点实验室主任王师对《中国科学报》说。

王师（左三）与部分团队成员在实验室研讨   金松摄

从一次实验“意外”到颠覆性发现

软体动物（俗称贝类）是海洋中最大的动物门类，也是寒武纪早期起源的主要矿化骨骼代表性动物类群之一。研究发现，贝壳呈现出诸多令人费解的生物学特性，与脊椎动物骨骼存在惊人的关联性，却始终难以用传统认知合理解释。

寒武纪为何是有壳类生物的大爆发？贝壳是否可能蕴藏着未被认知的生命奥秘，是否为普遍认知中没有生命的“石头”？惊人现象背后存在怎样的生物学机制？……这些生物学界的未解之谜，成为生命演化史上的“悬案”。

然而，科学研究就是这么奇妙，实验中的一次意外，极有可能会成为通往自由王国的一扇门，进而开辟科学新境界。

“谁会想到，我们团队这项研究的肇端，竟是9年前的一次实验中的意外发现。”王师说。

2016年，团队在尝试对新鲜贝壳进行核酸提取的过程中，遇到一个匪夷所思的现象：样本中不仅检测到DNA，还意外发现活细胞的指示物——RNA分子。由于RNA分子极不稳定，在活细胞外会快速降解，再加上过去贝壳一直被认为是“无生命的石头”，不该有RNA残留。因此，团队最初认为是贝壳内表面的软体组织未清理干净样本受到污染所致。但在多次对贝壳样本进行彻底清理后，仍能检测到RNA分子的存在。这一“意外”现象让团队意识到：贝壳里可能存在活细胞！

“这意味着过去被认为是‘无生命的石头’的贝壳，实际上是一个活的器官。”回想起当时的情景，王师仍兴奋不已，“这是学界观念的颠覆性更新。这也意味着我们找到了破解这起5亿多年前‘悬案’的关键突破口。”

王师（右一）召开团队组会   金松摄

不断地发现问题，解决问题

深夜时分，位于中国海洋大学浮山校区的方宗熙海洋生物进化与发育研究中心实验室，灯火通明。师生们埋首实验台前，忙着自己的工作。实验室静悄悄的，只听见仪器工作时发出的轻微“嗡嗡”声。

“已经记不清多少个日日夜夜，我们团队师生通宵鏖战了。”该研究主要完成人、中国海洋大学副教授连姗姗说，“科研攻关的过程，其实就是不断发现问题、分析问题和解决问题的过程。”

要证实贝壳里存在活细胞，团队面临的第一个难题就是从坚硬的贝壳中稳定、有效地提取RNA。由于传统软组织研磨方式并不适用，就只能先将贝壳在液氮中速冻后，再在研钵中手动研磨成粉。这是要进行RNA提取实验的先决条件，也是一项耗时费力的体力活。

团队成员、博士研究生胡乃娜和硕士生刘思诺两人，最开始常常要连续几天在实验室重复这一工作，后来团队引入研磨仪才解放出来。

“磨一上午手就起泡了，而且效率比较低，做一次RNA提取实验往往要耗费几天时间来作准备。”胡乃娜说，这也说明，做科研不光要有扎实的学术素养，还需要有埋头苦干的韧劲。

解决了稳定提取RNA的问题后，对贝壳内细胞进行直接观察成为新的挑战。这需要对高度钙化的贝壳进行脱钙处理。然而针对贝壳优化的脱钙液配方并无现成方案，需要团队自行摸索。

为此，团队花了近半年时间，尝试去除贝壳表面坚硬的碳酸钙层，暴露内部的有机质层。这项工作完成后，团队又开始反复优化固定和染色方法，以便在显微镜下观察细胞分布。

“最初染色效果很不理想，在进行了若干次尝试后，我们最终选择了边脱钙边固定的方式，尽可能保持细胞的完整形态。”连姗姗说，团队最后成功脱除了贝壳的部分钙质层，并通过染色清晰地观察到了细胞的存在和分布。

贝壳内的确存在活细胞。新的问题又来了：这些活细胞属于什么类型、又有什么功能？这成为团队接下来亟待攻克的又一关键难题。

单细胞测序技术的发展给团队提供了很大帮助，但提出了更大的挑战。

“该实验的关键难点在于，单细胞测序技术通常要求对活细胞进行分析。解决这一问题就耗费了团队近一年时间。”连姗姗说，后来团队摸索出了相对直接的方法，一是分析贝壳内偏好表达的胶原类型；二是短时间内将贝壳物理破碎成小块，这样能显著加快脱钙速度。“这一过程非常考验实验者的流畅度，必须在最短时间内完成上述操作，以确保细胞的活性。任何一步出现问题，就得从头再来”。实验室的实验台上留有大量坑洼的小洞，这都是前期实验留下来的。

团队最终成功建立了适用于无脊椎动物外骨骼的干细胞研究体系，并通过多组学遗传解析、细胞体外培养和诱导分化、活体动物细胞示踪和功能验证等系统性证据层面揭示了贝壳内存在造血干细胞巢，并取得原创性发现、提出新学说：

贝壳内存在高丰度的造血干细胞，比例高达40%-60%；贝壳造血谱系展现出诸多与脊椎动物相似的生物学特征；贝类造血干细胞除具有造血功能，同时具有生物矿化功能；动物界主要类群的矿化骨骼中均具有潜在的造血干细胞巢，揭示动物祖先造血干细胞核心调控基因集，提出“骨骼干细胞巢的重大演化创新为寒武纪动物大爆发的重要驱动力”的新理论学说。

王师（中）与团队部分成员合影   金松摄

长久的热爱与坚守才能走得更长远

“‘无脊椎动物骨骼内普遍存在造血干细胞巢’的原创性发现，为迄今国际上首次发现存在跨动物界保守的普适性干细胞巢，是生命科学领域的重要认知突破，颠覆了骨骼造血为脊椎动物特有演化创新的传统观念，解答了长期困扰学术界的无脊椎动物造血干细胞来源之谜……”

论文发表后，被《科学进展》选为网站主页的三篇亮点文章之一，并被《科学》的宣传媒体ScienceAdviser予以重点推荐介绍。国内生命科学及医学领域权威学术微信公众号“BioArt”也报道了这一成果，并给予高度评价。面对成功，王师还是一如既往的低调内敛：“这归功于团队全体成员的齐心协力与不懈奋斗。”

“做科研要学会坚持、坚守和坚定。科研之路充满了未知和挑战，一定要坚持，坚持到底就是胜利；科研从来不会一蹴而就，要坚守做人底线和学术道德底线；要坚定信念，有不破楼兰终不还的精神。”成果发表之后，在一次团队组会上，连姗姗畅谈了自己的“通关感言”，这也是她从事科研的深切体会。

胡乃娜2016年进入实验室，她笑称9年多来自己与项目在一起“共生”。她回忆起项目攻关期间的一件小事，让她至今难以忘怀。有段时间中心公共平台的共聚焦显微镜预约极其紧张，经常排到深夜或凌晨时段。有一次没预约到显微镜，她凌晨四点多赶到实验室“捡漏”，却发现一位认识的师兄还在显微镜前工作。胡乃娜就走上前，结果一句“师兄”把人家从沉浸中硬生生拉回现实，吓得从凳子上弹了起来，两人一时间笑得前俯后仰。

“长达一两年的时间里，我经常处于反复尝试却难以获得理想结果的循环中，这是对我的耐心和坚持的巨大考验。所幸，我坚持了下来。”胡乃娜感慨地说，“我知道周围不少同学和我一样，深夜还坚守在显微镜前，心无旁骛地钻研。这都是基于对科学的热爱。”

在团队成员、博士研究生陈晓妹看来，王师老师和团队其他老师的坚定信念和乐观态度是取得成功的一个关键因素。“当研究暂时陷入迷茫和困顿，老师们就会不断鼓励我们尝试新路径，寻找新思路，引领我们克服困难、深入探索并最终成功完成关键功能实验。”她说。

科研永无止境，创新一刻不停。在王师和团队成员们看来，未来还有很多事情要做，需要不断完善、不断创新、不断前进。

目前，团队已启动“探壳计划”（DeepShell Project），将研究目标从最初9个物种扩展到近50个，涵盖整个动物界的主要动物骨骼类群和完整进化链条，以期重塑对无脊椎动物造血系统的认知，为理解动物造血与矿化骨骼的宏观演化提供全新理论框架。

“我们想以更为宏观的研究视角确认这一发现的普遍性，更想探索无脊椎动物类群骨骼干细胞高丰度的维持机制，为人类再生医学领域干细胞研究或治疗策略研发提供重要启示。”梦想就在前方，王师和团队信心满怀。

相关论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw0958