難以捉摸的章魚基因組終於被解開了，這將使科學家能夠找到長期以來關於這種動物類外星生理學的神秘問題的答案：它是如何如此巧妙地偽裝自己的？ 它是如何控制——以及再生——那八條靈活的觸手和數千個吸盤的？ 最令人費解的是：作為蝸牛的近親，它是如何變得如此聰明——能夠快速學習、解決難題甚至使用工具的？
今天發表在《自然》雜誌上的研究結果揭示了一個廣闊的、未探索的領域，充滿了新基因、不太可能的重排——以及一些與人類發現的進化解決方案驚人相似的方案。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
章魚序列擁有已知最大的無脊椎動物基因組——大小與家貓的基因組（27億個鹼基對）相似，基因數量（33,000個）多於人類（20,000到25,000個）——長期以來一直被認為龐大且令人困惑。 即使沒有基因圖譜，這些動物及其頭足類表親（魷魚、墨魚和鸚鵡螺）也一直是神經生物學和藥理學研究的常見物件。 但波特蘭州立大學的頭足類動物研究員安妮·林德格倫（Annie Lindgren，未參與這項新研究）表示，軟體動物的序列“非常需要”。 “想象一下試圖拼一個拼圖，圖片面朝下，”她談到迄今為止的章魚研究時說。“基因組為我們提供了一張可以使用的圖片。”
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基因組中包含的最大驚喜之一——引發了來自頭足類動物研究人員的充滿感嘆號的電子郵件——是章魚擁有一大類熟悉的基因，這些基因參與了複雜神經網路的開發，並且已發現在其他具有強大處理能力的動物（如哺乳動物）中富集。 被稱為原鈣粘蛋白基因，芝加哥大學神經生物學副教授、新論文的合著者克利夫頓·拉格斯代爾（Clifton Ragsdale）說，它們“以前被認為僅在脊椎動物中擴充套件”。 這些基因加入了我們與章魚共同擁有的獨立進化特徵列表——包括照相機式眼睛（帶有晶狀體、虹膜和視網膜）、閉合迴圈系統和大型大腦。
然而，由於在智力進化道路上走了如此截然不同的道路，章魚的神經系統成為了一個特別豐富的研究課題。 波多黎各大學神經生物學研究所的約書亞·羅森塔爾（Joshua Rosenthal）說：“對於神經生物學家來說，瞭解一個完全不同的群體是如何進化出大型、複雜的大腦的，這非常有趣。” “現在有了這篇論文，我們可以更好地理解分子基礎。”
章魚複雜佈線系統的一部分——它延伸到大腦之外，並主要分佈在全身——控制著它們眨眼間的偽裝。 研究人員一直不確定章魚是如何協調其色素細胞的，這些充滿色素的囊泡會在幾毫秒內擴張和收縮，以改變其整體顏色和圖案。 但是，有了已測序的基因組，科學家們現在可以更多地瞭解這個炫目的系統是如何工作的——這對神經科學家和工程師來說都是一個誘人的見解。
章魚基因組（以加州雙斑章魚（Octopus bimaculoides）為代表）中還包含許多以前未知的基因——包括幫助章魚用吸盤“品嚐”的新基因。 研究人員現在還可以更深入地瞭解這種罕見化石動物的進化歷史——甚至超越它們與大約 2.7 億年前的魷魚的分化。 在所有這些時間裡，章魚都變得擅長調整自己的遺傳密碼（稱為 RNA 編輯，這種編輯發生在人類和其他動物身上，但在章魚中速度極快），幫助它們在極端溫度下保持神經按時放電。 新的基因分析還發現了可以在基因組上移動的基因（稱為轉座子），這可能在增強學習和記憶方面發揮作用。
然而，在章魚基因組中沒有發現的一件事是，沒有證據表明其程式碼經歷過全面的複製（就像脊椎動物的基因組一樣，這使得額外的基因能夠獲得新的功能）。 這讓長期以來對章魚的複雜性感到驚歎的研究人員感到驚訝——並且在早期的研究中，他們多次遇到大量的重複遺傳密碼。
章魚基因組的大小，加上大量的重複序列，以及正如拉格斯代爾所描述的“許多基因組學家奇怪地缺乏興趣”，使得這項任務具有挑戰性。 他是 2012 年初聯合起來成立頭足類動物測序聯盟的數十名研究人員之一，“以解決頭足類軟體動物基因組測序的迫切需求”，正如他們在當年晚些時候在基因組科學標準上發表的白皮書中所指出的那樣。
完整的章魚基因組有望在從神經生物學到進化到工程學的各個領域引起轟動。 研究章魚之間關係的林德格倫說：“這是一篇非常令人興奮的論文，也是一個非常重要的進步。”章魚已經進化到棲息於世界各大洋——從溫暖的潮汐淺灘到寒冷的南極深處。 對於她和其他頭足類動物科學家來說，“擁有完整的基因組就像突然獲得了通往世界上最大的圖書館的鑰匙，而以前你只能透過部分被遮擋的窗戶窺視。”
Katherine Harmon Courage 是《大眾科學》的特約編輯，也是《章魚！海洋中最神秘的生物》一書的作者。 在 Twitter 上關注她 @KHCourage。