From promiscuity to specialization: The origin of cholinergic and monoaminergic signaling is pre-bilaterian
本研究表明，胆碱能和单胺能信号系统起源于前两侧对称动物祖先，通过神经与非神经细胞间共享的通用型、广谱性机制实现，而随后演化出的专门化、专用化组分则是特异性地发生于两侧对称动物之中。
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一个多世纪以来，生物学家一直了解到动物通过复杂的化学语言进行交流。神经细胞释放被称为神经递质的微小分子，以此告知其他细胞该做什么，无论是收缩肌肉、向大脑发送信号，还是改变行为。在这些信使中，最重要的群体之一是被称为生物胺的物质，其中包括像多巴胺和血清素这样广为人知的物质，以及乙酰胆碱。几十年来，主流观点认为这种复杂的化学系统是一个相对较晚的发明，仅出现在复杂的两侧对称动物（即具有左、右两侧的生物，如人类、昆虫和蠕虫）进化出来之后。当时的观点认为，像海绵和水母这类更简单的动物，缺乏生产、运输和接收这些信号所需的特定分子机制，而是依赖于更原始的通信形式。
一项新研究挑战了这一长期存在的观点，表明我们自身神经系统的根源在生命史上要深远得多。通过研究地球上最简单的动物，研究人员发现，这些化学工具在第一种两侧对称动物出现之前就已经存在了。他们发现，这些古老的生物拥有制造和使用这些神经递质的相同基本成分，但它们以一种更为通用、灵活的方式来使用它们。在人类和其他高等动物中看到的复杂且专门化的系统，似乎是这一古老且多功能工具包在后期进行的精细化改进，而这个工具包在所有动物的共同祖先中就已经存在了。
研究人员旨在测试这些化学信号究竟是真正缺失于早期动物，还是仅仅被忽视了。他们从代表动物家族树不同分支的四个不同物种中采集了样本：一种淡水海绵、一种被称为水螅（Hydra）的小型淡水螅体、一只海葵和一条海洋蠕虫。利用高灵敏度的化学分析技术，他们寻找各种生物胺的存在情况。结果非常明确：海绵、螅体和海葵都含有可测量的乙酰胆碱、多巴胺、组胺、肾上腺素以及其他几种相关化合物。海绵甚至含有肾上腺素——这是一种通常与脊椎动物“战斗或逃跑”反应相关的物质。这一发现本身就证明了这些分子并非复杂动物所独有；它们存在于那些缺乏集中大脑或已知神经系统的生物体内。
接下来的步骤是理解这些动物是如何制造这些化学物质的。在复杂动物中，特定神经递质的产生由高度专门化的酶负责，每种酶都被设计为只能制造一种特定的分子。研究人员发现，这些古老的动物并不具备这些专门化的酶。相反，它们拥有更古老、更灵活的版本。这些祖先酶具有“兼职性”（promiscuous），这意味着单一的一种酶可以从相同的起始材料中产生多种不同的化学信使。例如，在人类体内负责制造乙酰胆碱的酶是一个专职专家。而在海绵和螅体中，对应的酶是一个通用的执行者，它主要处理另一种代谢任务，但也能顺带产生乙酰胆碱。这表明，产生这些信号的能力并不需要一项专门的发明；它自然地起源于早期细胞中已经活跃的代谢过程。
研究还观察了这些化学物质是如何移动和接收的。在复杂动物中，特定的转运体将神经递质装载进微小的储存泡中，而细胞表面的特定受体则捕捉它们。研究人员发现，这些古老动物拥有更广谱的版本转运体和受体。它们拥有能够移动多种不同分子的转运体，以及可以结合多种不同信号的受体。然而，他们在螅体和海葵中确实发现了一个关于专门化系统的关键证据。这些动物拥有专门结合乙酰胆碱的受体，并且拥有对该信号做出反应的类肌肉细胞。在螅体中，这些受体不仅存在于神经细胞上，也存在于构成其体壁的细胞上，这表明乙酰胆碱在这些简单动物中用于协调运动，正如在我们自身的肌肉中一样。
这一发现重塑了我们对神经系统如何进化的理解。它表明，神经系统的化学语言并非随着第一种复杂动物的出现而突然出现。相反，其构建模块早已存在，散布在早期动物的各个细胞中。这些细胞利用这些化学物质进行通用的通信和代谢活动。随着动物变得越来越复杂，控制这些酶和受体的基因经过了复制和修改。这一复制过程使得系统变得更加专门化，有了专门制造特定信号的专用酶，以及能高精度读取这些信号的专用受体。因此，人类大脑中那种复杂、高速的通信系统并不是一项全新的发明，而是一个古老的、通用型系统的深度精细化版本，该系统自动物生命诞生之初就在使用。
研究人员通过观察这些动物的遗传蓝图确认了这些发现。他们追踪了负责制造和移动这些化学物质的基因的进化历史，表明在人类中发现的专门化版本是海绵和水母中发现的那些广泛且灵活的版本之直接后裔。他们还使用计算机建模来预测螅体中的受体会如何表现，证实了这些受体在结构上完全能够像人类受体那样强力结合乙酰胆碱。这种化学检测、遗传分析和结构建模的汇聚，提供了一个稳健的过去图景。它表明，从简单的、通用的化学信号向复杂且专门化的神经系统的转变是一个渐进的专门化过程，而非一次突然的飞跃。
这项工作的意义不仅在于理解过去。它表明，细胞通信的基本机制在整个动物界中是高度保守的。利用小分子来影响细胞行为的能力，是追溯到最早的多细胞动物时期的特性。我们所拥有的专门化系统是建立在这一古老基础之上的。通过研究最简单的动物，科学家们可以观察到构建我们自身复杂生物学结构的原材料。研究结论指出，我们赖以进行思考、运动和感知的化学信号系统并非我们所独有，而是从数百百万年前就已经存在的共同祖先那里继承而来的特征，而那个祖先早在第一种两侧对称动物出现之前就已经存在了。
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