辩论解决:栉水母妹妹集团所有其他动物

一个多世纪以来,生物学家们想知道最早的动物就像当他们第一次出现在古代海洋超过十亿年前。

在当今最原始的动物中寻找最早的动物生命之树的分支,科学家逐渐缩小的可能性两组:海绵、花他们的整个成年生活在一个地方,从海水过滤食物;栉水母,贪婪的捕食者桨通过世界上的海洋寻找食物。

在一项新的研究发表在杂志上 自然 研究人员使用一种新颖的方法,基于染色体结构提出一个明确的答案:栉水母、栉水母门动物(青少年-a-fores),是第一个血统从动物树分支。海绵是接下来,其次是其他所有动物的多元化,包括导致人类的血统。

尽管研究人员确定,栉水母家族分支之前海绵,两组动物的进化从他们的共同祖先。然而,进化生物学家认为,这些组织仍然与最早的动物,共享特征,研究这些早期动物生命之树的分支可以阐明动物如何产生和演化的多样性物种今天我们周围。

“所有的动物可能的最近共同祖先生活在600或7亿年前。很难知道他们喜欢什么,因为他们的软体动物,没有留下一个直接的化石记录。但我们可以用比较生活在动物学习我们共同的祖先,”说 Daniel Rokhsar 加州大学伯克利分校教授的分子和细胞生物学和共同通讯作者论文的达林舒尔茨和奥列格Simakov维也纳大学的。“这是令人兴奋的,我们回顾在时间深处,我们没有希望的化石,但通过比较基因组,我们学习关于这些早期祖先的事情。”

理解动物血统之间的关系将有助于科学家了解动物生物学的主要特性,如神经系统、肌肉和消化道,随着时间的推移演变,研究人员说。

“我们开发出了一种新的方法,可以把一个最深的一瞥到动物生命的起源,”舒尔茨说,第一作者,前加州大学圣克鲁兹分校的研究生和蒙特雷湾水族馆研究所研究员(MBARI)现在是维也纳大学的博士后研究员。“这一发现将为科学界奠定基础开始开发一个更好的了解动物的进化。”

一个动物是什么?

最熟悉的动物,包括蠕虫、果蝇、软体动物,海星和脊椎动物,包括人类,头部有一个集中的大脑,从口腔到肛门,运行的肠道肌肉和其他共享功能,已经进化到著名的“寒武纪大爆发”大约5亿年前。在一起,这些动物被称为两侧对称。

其他 善意的 然而,动物,如水母、海葵、海绵和栉水母门动物,有简单的身体计划。这些生物缺乏许多两侧对称动物的特性——例如,他们缺乏一个大脑和神经系统甚至可能都没有定义或肌肉——但仍然分享动物的特点,特别是多细胞体的发展从一个受精卵。

这些不同的动物之间的进化关系,具体来说,每个血统的顺序分支从动物生命之树的主干,一直存在争议。

随着DNA测序的兴起,生物学家能够比较基因的序列由动物共享构建一个家庭树说明了动物和他们的基因进化出了随着时间的推移,因为最早的动物前寒武纪时期。

但是这些系统方法基于基因序列未能解决争议是否海绵栉水母是最早的动物树的分支,部分原因是古代深的分歧,Rokhsar说。

“复杂的序列研究的结果基本上是分裂,”他说。“一些研究人员精心设计的分析,发现海绵分支。其他人也同样复杂,合理的研究和有栉水母门动物。那里没有任何收敛到一个确定的答案。”

只是看着他们,海绵似乎很原始。自由游动的幼虫阶段后,他们和一般保持在一个地方安顿下来,轻轻扫过水通过毛孔捕捉小食物残渣溶解在海水。他们没有神经或肌肉,尽管他们的困难部分在浴缸好洗涤塔。

“传统上,海绵被广泛认为是最早的动物幸存的分支树,因为海绵没有神经系统,他们没有肌肉,看起来有点像殖民版本的一些单细胞原生动物,“Rokhsar说。“所以,这是一个很好的故事:首先是单细胞原生动物,然后像海绵一样的多细胞的财团细胞进化,成为今天所有的动物多样性的祖先。在这个场景中,海绵家族保存了许多动物的祖先特征在树枝上导致其他所有动物,包括我们。专门化发展,导致神经元,神经和肌肉和内脏和所有那些我们知道和爱的定义特征的动物的生活。海绵似乎是原始的,因为他们缺乏这些特征。”

最早的动物家族的其他候选人的栉水母,在许多水族馆受欢迎的动物。虽然他们看起来表面上像水母——他们通常有一个钟形的形状,尽管有两叶,不像水母,通常触角——他们是远亲。虽然水母喷射水,栉水母门动物推动自己有八排打纤毛排列下来像梳子。沿着加州海岸,一个常见的栉水母是1-inch-diameter海醋栗。

染色体的救援

学习是否海绵栉水母门动物动物最早的分支,这项新研究依赖于一个不太可能的特点:组织基因的染色体。每个物种都有一个特点——人类有23对染色体数目和分布特征的基因在染色体。

Rokhsar, Simakov和合作者 以前所示 染色体的海绵、水母和许多其他无脊椎动物携带类似的基因集,尽管有超过十亿年的独立进化。这一发现表明,许多动物的染色体进化缓慢,并允许团队计算染色体重建这些不同动物的共同祖先。

但栉水母门动物的染色体结构是未知的,直到2021年当舒尔茨-加州大学圣塔克鲁兹分校研究生和里海的理查德·格林UCSC和史蒂文的黑线鳕MBARI UCSC的栉水母的染色体结构决定的 Hormiphora californiensis 。它看起来非常不同于其他动物,这提出了一个难题,Rokhsar说。

“起初,我们不能告诉如果栉水母染色体不同于其他动物仅仅是因为他们刚刚数亿年来改变了很多,”Rokhsar解释道。“或者,他们可能会有所不同,因为他们的先祖,首先,在所有其他动物血统出现了。我们需要弄明白。”

研究者联手另一个栉水母的基因组序列和海绵,以及三种单细胞生物以外的动物血统:领鞭虫类、filasterean寄生虫称为ichthyosporean变形虫和鱼。粗糙的这些非动物的基因组序列已经存在,但他们并没有包含chromosome-scale基因连接所需的关键信息:他们坐在染色体。

确凿的证据

值得注意的是,当团队这些不同动物的染色体和非动物相比,他们发现栉水母门动物和非动物共享特定gene-chromosome组合,而海绵动物和其他动物的染色体重新排列以截然不同的方式。

“这是确凿的证据,我们发现一些重组共享的海绵和non-ctenophore动物。相比之下,象栉水母门动物非动物。最简单的解释是,栉水母门动物分支在重组前发生,”他说。

“这个古老的进化事件的指纹仍存在于动物的基因组数亿年后,”舒尔茨说。“这项研究……为我们提供了上下文理解什么使动物的动物。这项工作将帮助我们理解我们共同的基本功能,像他们如何感知周围环境,他们如何吃,如何移动。”

Rokhsar强劲强调团队的结论是基于五套gene-chromosome组合。

“我们发现一个非常古老的遗迹染色体信号,”他说。“一些统计侦探工作才说服自己,这真的是一个明确的信号,而不是随机噪声,因为我们处理相对较小的群体基因,或许十亿年的动物和非动物之间的分歧。但信号和强烈支持“ctenophore-branched-first”场景。唯一的方法替代sponge-first假说可能真的会如果多个收敛重组发生在海绵和non-ctenophore动物,这是非常不可能的。”

参考:舒尔茨DT,黑线鳕梅毒性心脏病,Bredeson合资企业,绿色,Simakov O, Rokhsar DS。古老的基因联系支持栉水母门动物妹妹给其他动物。自然。2023年。doi:10.1038 / s41586 - 023 - 05936 - 6

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