心跳，是贯穿亿万生命演化的永恒鼓点。

显微镜下，一颗果蝇的“心脏”正在跳动——仅有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，章鱼演化出三颗协同工作的心脏，海鞘心脏具备独特的双向泵血功能，斑马鱼、蝾螈更是拥有惊人的心脏再生能力。亿万年时光更迭，生命演化千姿百态，不同动物的心脏从简单到复杂、从单一到多元，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？

近日，中国海洋大学联合青岛市妇女儿童医院、广东省人民医院、辽宁师范大学、青岛华大生命科学研究院等单位，在国际顶级学术期刊《科学》发表研究论文，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筑牢核心资源平台。

论文审稿专家将该研究评价为“tour de force（非凡之作）”，这也是中国海洋大学生命科学领域首篇《科学》正刊原创成果。

项目启动时，项目组在辽宁师范大学合影

午餐会的灵感  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。

赵龙（右三）与学生讨论实验结果

团队初期研究规模较小，仅覆盖扇贝、蜗牛、斑马鱼三个物种，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。

赵龙同青岛华大生命科学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。

费继锋在作报告

“珍珠鸟由于其体型较小，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。

共同第一作者、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。”

逄越（中）指导学生实验

王师介绍：“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。”

2022年底，27个物种名单最终敲定，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

宏大的科学构想，终究要落到显微镜下毫厘之间的实验。新的考验接踵而至：如何获取高质量的样本呢？

研究人员需将心脏组织切为超薄切片，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，是实验成败的关键。

“单张测序芯片成本高达数万元，绝不允许浪费。正式实验前，我们会反复研读文献、开展大量解剖练习，再三确认样本合格后再上机检测。”共同第一作者、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，还属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，在其保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，我们现在几乎吃不下任何心脏类食物。”芦美娜苦笑坦言。

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。”青岛华大生命科学研究院研究员刘群解释。

一路过关斩将，2023年下半年，27种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。

海量多维数据的整合分析，是本次研究最难啃的“硬骨头”。

2023年9月，中国海洋大学副教授连姗姗、广东省人民医院博士研究生刘耀新、芦美娜等各团队7名科研人员，从青岛、广州、大连三地集结，进驻青岛华大集中攻坚。在团队统筹协调下，全员分工协作，全力攻克数据分析难题。

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、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。

与此同时，心脏腔室演化轨迹的推演也在同步推进。

传统的演化分析多停留在组织层面，而连姗姗创造性地将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；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，最终实现了跨物种层面细胞水平的系统评估。

七个人，一方小室，从深秋到初冬，他们在海量数据的密林中一寸一寸地开路。每一条被成功注释的基因、每一个被精准定位的细胞类型，都在为他们试图讲述的那个关于心脏演化的宏大故事，添上一块坚实的砖石。

“每天一睁眼，大家就回到小屋工作。”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现场线下研讨。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清晰成型。

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。

研究进一步探明，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。

此外，团队还首次鉴定出全新的心肌细胞瞬时状态CMs(trans.)。

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。

刘耀新

芦美娜（左）与张雪娇  受访者供图

反复打磨  终登顶刊

重大科研突破，从来不是一帆风顺的。

2025年1月21日，项目组首次向《科学》投稿。论文未被接收，审稿人肯定了CMs(trans.)发现的潜在价值，同时指出其功能机制和生理意义需补充验证。

团队迅速针对性开展补充实验，以小鼠为模型，从心脏发育、环境响应以及疾病损伤三个方面进行探索。

中国海洋大学博士研究生张雪娇发现，小鼠心脏发育过程中，CMs(trans.)细胞状态呈现动态变化；高海拔低氧环境、心脏梗死损伤区域，该细胞比例均显著上调。

这些结果表明，CMs(trans.)与心脏发育、环境适应以及疾病响应密切相关，完整补齐了论文的科学逻辑。

与此同时，物种数据体系的“拼图”也在慢慢补齐。此前，项目中涉及人类的研究数据主要依托公开文献。2024年底，青岛市妇女儿童医院教授泮思林团队加入，补充了关键的人类心脏空间转录组原始数据，且验证结果与跨物种结论高度一致，极大夯实了研究可靠性。2025年12月29日，完善后的论文二次投稿，收获了审稿人高度认可。

2026年7月7日，论文终于正式接收，这场持续数年的探索开花结果。

“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，绘制出更完整的科学图景。

论文相关信息：

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