棘皮動物

棘皮動物是一類海洋無脊椎動物，成體有輻射對稱（通常為五輻射對稱）的特徵。棘皮動物門包含約 7000 種現存物種，是後口動物的第二大類群，僅次於脊索動物。棘皮動物也是鹹水無脊椎動物中最大的一個類群，從潮間帶到深海帶，成年棘皮動物在幾乎所有深度的海床上都能找到，極少數棘皮動物甚至生活在裡海和其他一些離海洋很近的鹹水湖中例如俄羅斯巴倫支海基裡奇島（Island of Kildin）的麥其裡湖（Lake Mogilnoe）等。現存的棘皮動物包括海星、蛇尾、海膽、海參以及海百合。

絕大多數棘皮動物類群出現於寒武紀初期。一種早期的棘皮動物海扁果擁有用於濾食的，與脊索動物和半索動物所擁有的外鰓類似。棘皮動物在生態學和地質學上都很重要。大多數棘皮動物能夠進行無性繁殖，並能再生組織、器官和肢體；在某些情況下，它們可以在僅剩殘肢的情況下再生。棘皮動物的骨板是許多石灰岩地層的主要組成部分，可以為地質環境提供有價值的線索。棘皮動物也是在 19 世紀和 20 世紀的再生研究中使用最多的物種。此外，一些科學家認為，棘皮動物的適應輻射是的原因。

分類與演化

早期棘皮動物：

左上：原海筆（Protocinctus mansillaensis，海筆綱）

上中：櫛海林檎（Ctenocystis utahensis，）

右上：（Gogia spiralis，始海百合綱）

左下：（Ctenoimbricata spinosa）

右下：萊茵海果（Rhenocystis latipedunculata，海樁綱）

與脊索動物和半索動物一樣，棘皮動物也是後口動物，而後口動物和原口動物則是兩側對稱動物的兩個主要分支。在後口動物胚胎髮育的早期，會變為肛門，而原口動物的胚孔則會變為嘴。後口動物的口發育較晚，位於囊胚的另一端，與胚孔相對，兩者相連形成消化道。棘皮動物的幼蟲具有兩側對稱的特徵，但隨著變態發育的進行，它們的身體漸漸變為棘皮動物特有的輻射對稱形態，最為典型的是五輻射對稱。成年棘皮動物具有和鈣質內骨骼。水管系統包含外，而鈣質內骨骼則由組成，由膠原纖維網連線。

1.1 系統發生樹

2014 年的一項研究對所有類別棘皮動物的 219 個基因進行了分析，並給出了以下的系統發生樹。另一項 2015 年的研究則對所有類別棘皮動物中 23 個物種的 RNA 轉錄組進行了分析，而該項研究亦給出了相同的系統發生樹。

外部系統發生樹（mya = 百萬年前）

內部系統發生樹

1.2 多樣性

現存的棘皮動物約有 7000 種，已滅絕的約有 13000 種。棲息地從潮間帶淺灘到深海都有。棘皮動物大致可分為兩類。一類較為擅長運動，包括海星（1745 種）、蛇尾（2300 種）、海膽（900 種）和海參（1430 種）；另一類則包括海百合（580 種）以及已滅絕的海蕾和副海百合等。

所有棘皮動物都是海洋生物，其中絕大多數屬於海底生物界。

1.3 化石歷史

已知的最古老的棘皮動物化石可能是來自澳大利亞前寒武紀的。該物種呈圓盤狀，邊緣有放射狀的脊，中央有一個五角形的凹陷，上面有放射狀的線。然而，沒有證據顯示 Arkarua 體內具有水管系統，因此 Arkarua 不一定屬於棘皮動物。

一般意義上的棘皮動物出現在寒武紀，出現於奧陶紀的海星亞門與海百合是古生代的主要類群。棘皮動物留下了大量的化石記錄。據推測，棘皮動物的祖先是一種結構簡單的兩側對稱動物，有嘴、消化道和肛門，營附著生活，是濾食性動物。棘皮動物的幼蟲都是兩側對稱的，經變態發育成為輻射對稱。成年的海星和海百合仍然會附著在海床上。

古生代棘皮動物呈球狀，附著於基質上，口面朝上。隨著演化，除海百合外的所有棘皮動物均變為口面向下，其管足也失去了進食功能，轉而承擔起運動功能。部分棘皮動物漸漸放棄附著生活，並發展出具有的內骨骼盤和用於進食的外睫狀溝。棘皮動物化石的向下延伸到身體的一側，兩側有腕，結構與現代海百合的羽枝十分類似。

解剖與生理

棘皮動物由兩側對稱的動物進化而來。成年的現生種棘皮動物大多呈五輻射對稱，而棘皮動物幼蟲則具有纖毛，可自由移動，看起來像胚胎期的脊索動物。隨著發育，棘皮動物的右側肢體漸漸退化消失，而左側肢體則發育為五輻射對稱狀。不過也有部分棘皮動物不是五輻射對稱。如：項鏈海星目中也有部分六腕海星，此外某些蛇尾也是六腕的，例如錦疣蛇尾（Ophiothala danae）、等。

某些棘皮動物的腕數是五的倍數，如擁有 50 腕，而則有 200 腕。

再生

棘皮動物的再生能力很強。許多棘皮動物為了逃生會自動斷腕或排出內臟，而這些器官之後又會再生。例如海膽的刺、海星和海百合的腕，以及海參的內臟。海參在感到威脅時會排出部分內臟，這些內臟要經過幾個月才能再生，在這段時間內，海參會以儲存的營養物質為生，並從水中吸收溶解的有機物。一般來說，海星的斷腕如果不包含與身體相連的部分就難以長成新的海星，但某些棘皮動物可以僅靠斷腕再生，一些棘皮動物甚至將此作為無性繁殖的方式。

棘皮動物的再生形式包括和。在新建再生的過程中，幹細胞形成並生成新組織。變形再生則包括移動和重塑現有組織以取代丟失的部分。有時某些組織會直接分化轉移成另一種組織。

棘皮動物幼蟲在生長過程中不易受外界影響，這使得棘皮動物被廣泛用作發育生物學的模式生物。

分佈和棲息地

棘皮動物（尤其是海星和海參）的幼蟲能在洋流的幫助下到遠洋帶生活，這使得棘皮動物的分佈十分廣泛。它們幾乎可以在所有深度和緯度的海洋中找到，有時一片海域 90% 的生物都是棘皮動物。棘皮動物在珊瑚礁附近的多樣性是最高的，而淺灘上也有它們的身影。此外，海百合在極地最為豐富，而作為底棲和穴居生物的海參則在深海中十分常見。幾乎所有棘皮動物都是底棲動物，但有些海百合是，它們會附著在漂浮的圓木和碎片上。這種行為在古生代最為常見，當時還沒有藤壺等生物與其競爭。

生態

棘皮動物是一類數量眾多，體型較大的無脊椎動物，在海洋、底棲生態系統中發揮著重要作用。沙錢、海參和某些海星在挖掘巢穴的過程中攪起海底沉積物，使氧氣得以滲入海底更深層，有助於微生物消耗海底的營養物質，建立更複雜的生態系統。海膽、海星和蛇尾可以阻止珊瑚礁上的藻蓆生長，給濾食性生物提供生存條件，提高珊瑚礁的生物多樣性。某些海膽會鑽入堅硬的岩石，使其中的營養物質得到釋放。珊瑚礁亦會被海膽破壞，但其生長速度通常大於海膽的侵蝕速度。據估計，棘皮動物每年以碳酸鈣的形式儲存約 1 億噸碳，為全球碳迴圈做出了重要貢獻。

棘皮動物的數量有時會大幅波動，進而影響生態系統的穩定性。例如，1983 年加勒比地區的大量死亡，導致珊瑚礁系統被藻類破壞。海膽是珊瑚礁上的主要食草動物之一，它們與藻類之間通常保持著平衡。但捕食者（如：水獺、海螯蝦和魚類）的減少會導致海膽增加，從而殃及海藻林。在大堡礁，以活珊瑚為食的棘冠海星數量一度驟增，對當地珊瑚礁的生物多樣性產生了相當大的影響。目前還不清楚棘冠海星為何會突然增加。

許多生物都以棘皮動物為食，如硬骨魚、鯊魚、絨鴨、海鷗、螃蟹、腹足類動物、海獺、北極狐和人類。某些較大的海星會以較小的海星為食，而海星大量的卵和幼蟲也為許多海洋生物所食。相較之下海百合的天敵並不多。某些寄生或共生生物會棲息於海參或海星的體腔內，包括部分魚、蟹、蠕蟲和蝸牛。

用途

6.1 食用和藥用

2010 年，中國捕獲了 37.3 萬噸棘皮動物，包括 15.8 萬噸海參和 7.3 萬噸海膽，主要用作食物與中藥。東南亞的一些國家也有食用海參的習慣，一些海參面臨著被過度捕撈的危險。常見的海參品種有梅花參和紅腹海參。烹飪海參的方法通常是先煮 20 分鐘，然後自然晾乾，再用火燻烤。海膽的雄性和雌性生殖腺也可食用，特別是日本、秘魯、西班牙和法國等國尤其愛吃海膽。海膽口感嫩滑，入口即化，嘗起來就像海鮮和水果的混合物。為防止海膽被過度捕撈，目前已開展了一些海膽養殖試驗。

6.2 科研用途

海膽亦可用於科研，特別是作為發育生物學和生態毒理學的模式生物。和則可用於胚胎學研究。海膽卵體積大，透明度高，便於觀察受精。而研究蛇尾腕的再生則有助於治療神經退化障礙。

6.3 其他用途

在缺乏石灰岩的地區，農民將棘皮動物的骨骼作為石灰的來源，有些用於製造魚粉。每年有 4000 噸棘皮動物用於上述用途。這型別的貿易通常由貝類養殖戶，原因是他們會以魚當食物來源。此外，海星還可用作製造動物飼料、手工藝品、堆肥和乾燥的標本。