基因研究揭示了最早的动物长什么样子

一个多世纪以来，生物学家一直想知道最早的动物在五亿多年前首次出现在古代海洋中时是什么样的。

科学家们在当今看起来最原始的动物中寻找动物生命树的最早分支，逐渐将可能性缩小到两组：海绵，它们将整个成年生活都花在一个地方，从海水中过滤食物;还有梳子水母，贪婪的捕食者，在世界海洋中划桨寻找食物。

在本周发表在《自然》杂志上的一项新研究中，研究人员使用了一种基于染色体结构的新方法得出了一个明确的答案：梳状果冻或栉水母(发音为teen'-a-fores)是第一个从动物树上分支出来的谱系。接下来是海绵，其次是所有其他动物的多样化，包括导致人类的血统。

尽管研究人员确定栉水母谱系在海绵之前分支出来，但这两组动物都继续从它们的共同祖先进化而来。尽管如此，进化生物学家认为，这些群体仍然与最早的动物具有共同的特征，研究动物生命树的这些早期分支可以揭示动物如何出现并进化到我们今天在我们周围看到的物种多样性。

“所有动物最近的共同祖先可能生活在600亿或700亿年前。很难知道它们是什么样子的，因为它们是软体动物，没有留下直接的化石记录。但我们可以使用活体动物的比较来了解我们共同的祖先，“加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授Daniel Rokhsar说，他是该论文的共同通讯作者，以及维也纳大学的Darrin Schultz和Oleg Simakov。“这令人兴奋 - 我们正在回顾我们没有希望获得化石的时间，但通过比较基因组，我们正在了解这些非常早期的祖先。

研究人员说，了解动物谱系之间的关系将有助于科学家了解动物生物学的关键特征，如神经系统，肌肉和消化道，如何随着时间的推移而进化。

“我们开发了一种新方法，可以最深入地了解动物生命的起源，”舒尔茨说，他是主要作者，前加州大学圣克鲁斯分校研究生和蒙特利湾水族馆研究所(MBARI)的研究员，现在是维也纳大学的博士后研究员。“这一发现将为科学界开始更好地了解动物如何进化奠定基础。

什么是动物?

大多数熟悉的动物，包括蠕虫、苍蝇、软体动物、海星和脊椎动物——包括人类——都有一个集中大脑的头部，从嘴巴到肛门的肠道、肌肉和其他共同特征，这些特征在大约500亿年前著名的“寒武纪大爆发”时已经进化而来。这些动物一起被称为双边动物。

然而，其他真正的动物，如水母、海葵、海绵和栉水母，身体计划更简单。这些生物缺乏许多双侧特征 - 例如，它们缺乏明确的大脑，甚至可能没有神经系统或肌肉 - 但仍然具有动物生命的特征，特别是从受精卵发育出多细胞体。

这些不同生物之间的进化关系——特别是每个谱系从动物生命树的主干分支的顺序——一直存在争议。

随着DNA测序的兴起，生物学家能够比较动物共享的基因序列，以构建一个家谱，说明自最早的动物出现在前寒武纪以来，动物及其基因如何随着时间的推移而进化。

但是这些基于基因序列的系统发育方法未能解决关于海绵或梳状果冻是否是动物树最早分支的争议，部分原因是它们的分歧非常古老，Rokhsar说。

“复杂的基于序列的研究结果基本上是分裂的，”他说。“一些研究人员做了精心设计的分析，发现海绵首先分支。其他人做了同样复杂和合理的研究，并得到了栉水母。实际上还没有一个明确的答案。

光看它们，海绵似乎很原始。在它们自由游泳的幼虫阶段之后，它们会安定下来，通常呆在一个地方，轻轻地将水扫过它们的毛孔，以捕获溶解在海水中的小食物颗粒。它们没有神经或肌肉，尽管它们的坚硬部位在浴缸中可以很好地擦洗。

“传统上，海绵被广泛认为是动物树中最早幸存的分支，因为海绵没有神经系统，它们没有肌肉，它们看起来有点像一些单细胞原生动物的殖民版本，”Rokhsar说。

“所以，这是一个好故事：首先是单细胞原生动物，然后是这种细胞的海绵状多细胞联盟进化并成为当今所有动物多样性的祖先。在这种情况下，海绵谱系在通往所有其他动物(包括我们)的分支上保留了动物祖先的许多特征。专业化的进化导致了神经元、神经、肌肉和肠道，以及所有我们所知道和喜爱的东西，作为动物生命其余部分的决定性特征。海绵似乎是原始的，因为它们缺乏这些特征。

最早动物谱系的另一个候选者是梳状果冻组，这是许多水族馆中流行的动物。虽然它们表面上看起来像水母——它们通常呈钟形，尽管有两个裂片，不像水母，通常是触手——但它们只是远亲。当水母在水中喷射时，栉水母用八排跳动的纤毛像梳子一样排列在它们的两侧，推动自己。在加利福尼亚海岸，一种常见的栉水母是直径1英寸的海醋栗。

拯救染色体

为了了解海绵或栉水母是否是动物最早的分支，这项新研究依赖于一个不太可能的特征：将基因组织成染色体。每个物种都有一个特征染色体数——人类有23对——以及沿染色体的特征基因分布。

Rokhsar，Simakov和合作者此前已经证明，尽管有超过五亿年的独立进化，海绵，水母和许多其他无脊椎动物的染色体携带相似的基因集。这一发现表明，许多动物的染色体进化缓慢，并允许研究小组通过计算重建这些不同动物的共同祖先的染色体。

但栉水母的染色体结构直到2021年才为人所知，当时舒尔茨(当时是加州大学圣克鲁斯分校的研究生)和他的共同顾问，UCSC的理查德格林和MBARI和UCSC的史蒂文哈多克，确定了栉水母加州霍米弗拉的染色体结构。它看起来与其他动物非常不同，这构成了一个难题，Rokhsar说。

“起初，我们无法判断栉水母染色体是否与其他动物的染色体不同，因为它们在数亿年中发生了很大变化，”Rokhsar解释说。“或者，它们可能是不同的，因为它们在所有其他动物谱系出现之前首先分支。我们需要弄清楚。

研究人员联手对另一种梳状果冻和海绵的基因组进行了测序，以及动物谱系之外的三种单细胞生物：鞭毛虫，Filasterean变形虫和称为鱼孢子虫的鱼类寄生虫。这些非动物的粗略基因组序列已经存在，但它们不包含染色体尺度基因连接所需的关键信息：它们位于染色体上的位置。

冒烟的枪

值得注意的是，当研究小组比较这些不同动物和非动物的染色体时，他们发现栉水母和非动物共享特定的基因染色体组合，而海绵和其他动物的染色体以明显不同的方式重新排列。

“那是吸烟枪 - 我们发现海绵和非栉水母动物共享的一些重排。相比之下，栉水母类似于非动物。最简单的解释是栉水母在重排发生之前就分叉了，“他说。

“这个古老进化事件的指纹在数亿年后仍然存在于动物的基因组中，”舒尔茨说。“这项研究...为我们提供了理解是什么使动物成为动物的背景。这项工作将帮助我们了解我们共享的基本功能，例如它们如何感知周围环境，如何进食以及如何移动。

Rokhsar强调，该团队的结论是基于五组基因 - 染色体组合的有力基础。

“我们发现了一个非常古老的染色体信号的遗物，”他说。“我们需要一些统计工作来说服自己，这确实是一个明确的信号，而不仅仅是随机噪声，因为我们正在处理相对较小的基因群，以及动物和非动物之间可能十亿年的差异。但信号就在那里，并强烈支持“栉水母分支优先”的情况。替代海绵优先假说可能成立的唯一方法是，如果海绵和非栉水母动物都发生了多次收敛重排，这是非常不可能的。

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