進(jìn)化生物學(xué)是一門研究生物種群演化和生物多樣性起源、發(fā)展和演變規(guī)律的學(xué)科。多年來，隨著生物技術(shù)的發(fā)展、數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步以及基因組學(xué)、比較形態(tài)學(xué)、分子進(jìn)化等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，進(jìn)化生物學(xué)在理論和實踐方面都取得了巨大的進(jìn)展。 在理論方面，進(jìn)化生物學(xué)以達(dá)爾文的進(jìn)化論為基礎(chǔ)，逐漸形成了包括自然選擇、遺傳漂變、基因流、突變、群體遺傳等多個學(xué)科領(lǐng)域。其中，群體遺傳學(xué)的出現(xiàn)，使人們對于群體演化機(jī)制的理解更加深入，從而揭示了許多生物演化歷史中的奧秘。 在實踐方面，進(jìn)化生物學(xué)也得到了廣泛應(yīng)用。例如，通過構(gòu)建物種間親緣關(guān)系樹，使得我們可以推斷物種之間的演化歷史，并預(yù)測未來的演化趨勢。此外，進(jìn)化生物學(xué)還有著廣泛的應(yīng)用，如藥物研發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等方面。 總之，進(jìn)化生物學(xué)在過去幾十年中，通過跨學(xué)科的合作與發(fā)展，逐漸形成了比較完整的理論體系和實踐應(yīng)用領(lǐng)域，對于人類認(rèn)識生命進(jìn)化歷程、保護(hù)生物多樣性、提高人類生存質(zhì)量等方面都有著重要作用。 然而，生物進(jìn)化中還有許多未解之謎！ 進(jìn)化生物學(xué)中的一個重要問題是：海綿或櫛水母是否是其他動物的最早祖先？這個問題很難回答，因為傳統(tǒng)研究方法無法明確解答。
在本周發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究中，研究人員通過開發(fā)染色體規(guī)?；蜻B鎖分析來解決這個問題。研究人員報道了新的染色體規(guī)?；蚪M數(shù)據(jù)，包括兩種海綿和一種櫛水母，以及三種單細(xì)胞親屬的新基因組，這些數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)發(fā)育分析所需的外部數(shù)據(jù)。 研究結(jié)果表明，櫛水母與其他所有動物不同，而海綿與雙邊動物、卷毛動物和扁殼動物有共同的染色體特征。這表明海綿等動物可能有著類似的進(jìn)化歷史，而櫛水母則可能是它們在進(jìn)化過程中分支演化出的獨立群體。這些研究結(jié)果提供了新的理解動物進(jìn)化的框架，對我們更好地理解動物進(jìn)化具有啟示意義。
一個多世紀(jì)以來，生物學(xué)家一直想知道最早的動物在5億年前首次出現(xiàn)在遠(yuǎn)古海洋時是什么樣子的。 在今天看起來最原始的動物中尋找生命樹的最早分支，科學(xué)家們逐漸將可能性縮小到兩類: 海綿動物，它們整個成年生活在一個地方，從海水中過濾食物; 梳子水母（櫛水母），貪婪的掠食者，劃船穿越世界各地的海洋尋找食物。 在該研究中，研究人員利用一種基于染色體結(jié)構(gòu)的新方法得出了一個明確的答案: 梳狀水母，或者叫做櫛水母(een’-a-fores) ，是從動物樹上分支出來的第一個譜系。接下來是海綿，其次是所有其他動物的多樣化，包括人類的血統(tǒng)。櫛水母它并不是真正的水母，是一類兩胚層動物，屬輻射對稱動物。櫛水母看起來簡直就像是來自另一個星球的生物。即使名字與外表看起來與水母都有幾分相似，但是櫛水母跟水母可是完全不同的生物。半透明的櫛水母因為像是閃耀著彩虹的梳子而得名.
盡管研究人員確定櫛水母譜系在海綿之前就已經(jīng)分支了，但是這兩類動物都繼續(xù)從它們的共同祖先進(jìn)化而來。然而，進(jìn)化生物學(xué)家認(rèn)為，這些群體仍然與最早期的動物具有相同的特征，研究這些動物生命樹的早期分支，可以揭示動物是如何產(chǎn)生和進(jìn)化到我們今天看到的物種多樣性的。 “所有動物的最近共同祖先可能生活在6億或7億年前。很難知道它們是什么樣的，因為它們是軟體動物，沒有留下直接的化石記錄。但是我們可以通過對現(xiàn)存動物的比較來了解我們共同的祖先,”加州大學(xué)伯克利分校分子和細(xì)胞生物學(xué)教授 Daniel Rokhsar 說，他與維也納大學(xué)的 Darrin Schultz 和 Oleg Simakov 共同撰寫了這篇論文?！斑@很令人興奮——我們正在回顧過去，那時我們沒有希望獲得化石，但通過比較基因組，我們正在了解這些非常早期的祖先。”
研究人員說，了解動物血統(tǒng)之間的關(guān)系將有助于科學(xué)家了解動物生物學(xué)的關(guān)鍵特征，如神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉和消化道是如何隨著時間進(jìn)化的。 “我們開發(fā)了一種新的方法，可以最深入地了解動物生命的起源,”該研究報告的第一作者、加州大學(xué)圣克魯茲分校前研究生、蒙特雷灣水族館研究所(MBARI)研究員舒爾茨說，他現(xiàn)在是維也納大學(xué)的一名博士后。“這一發(fā)現(xiàn)將為科學(xué)界開始更好地理解動物是如何進(jìn)化的奠定基礎(chǔ)。”
動物是什么？ 大多數(shù)我們熟悉的動物，包括蠕蟲、蒼蠅、軟體動物、海星和脊椎動物——包括人類——都有一個集中的大腦，一個從嘴到肛門的腸道，肌肉和其他共同的特征，這些特征在大約5億年前著名的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”時期就已經(jīng)進(jìn)化出來了。這些動物一起被稱為雙足動物。 然而，其他真正的動物，如水母，?？?，海綿和櫛水母，有更簡單的身體計劃。這些生物缺乏許多雙側(cè)特征——例如，它們?nèi)狈γ鞔_的大腦，甚至可能沒有神經(jīng)系統(tǒng)或肌肉——但仍然具有動物生命的特征，尤其是從受精卵發(fā)育出的多細(xì)胞體。 這些不同生物之間的進(jìn)化關(guān)系——具體來說，就是每個譜系從生命樹的主干分支出來的順序——一直存在爭議。 隨著 DNA 測序的興起，生物學(xué)家能夠比較動物共有的基因序列，從而構(gòu)建一個家譜，說明自最早的動物出現(xiàn)在前寒武紀(jì)以來，動物及其基因是如何隨時間演化的。 但是，這些基于基因序列的系統(tǒng)發(fā)育方法未能解決海綿或梳狀水母是動物樹的最早分支的爭議，部分原因是它們的分歧具有深遠(yuǎn)的歷史淵源，Rokhsar 說。 “復(fù)雜的基于序列的研究結(jié)果基本上是分裂的,”他說。“一些研究人員進(jìn)行了精心設(shè)計的分析，發(fā)現(xiàn)海綿首先分枝。其他人做了同樣復(fù)雜和合理的研究，得到了櫛水母。到目前為止，還沒有找到任何明確的答案。” 海綿看起來很原始。在它們自由游動的幼蟲階段之后，它們定居下來，通常停留在一個地方，輕輕地將水從它們的毛孔中掃過，捕捉溶解在海水中的小食物顆粒。它們沒有神經(jīng)或肌肉，盡管它們堅硬的部分在洗澡時可以做很好的洗滌器。 Rokhsar 說: “傳統(tǒng)上，海綿被廣泛認(rèn)為是現(xiàn)存最早的動物分支，因為海綿沒有神經(jīng)系統(tǒng)，沒有肌肉，它們看起來有點像某些單細(xì)胞原生動物的殖民版本。”。“因此，這是一個很好的故事: 首先出現(xiàn)了單細(xì)胞原生動物，然后這種細(xì)胞的海綿狀多細(xì)胞聯(lián)盟進(jìn)化成為今天所有動物多樣性的祖先。在這種情況下，海綿譜系保留了動物祖先的許多特征，這些特征通向所有其他動物的分支，包括我們?nèi)祟?。進(jìn)化出神經(jīng)元、神經(jīng)、肌肉和內(nèi)臟，以及我們所知道和喜愛的所有這些動物生命其余部分的特征。海綿看起來很原始，因為它們沒有這些特征。” 最早的動物譜系的另一個候選物種是梳狀水母，它們是許多水族館中常見的動物。雖然它們表面上看起來像水母——它們通常有鐘狀的形狀，雖然有兩個裂片，不像水母，通常有觸須——但它們只是遠(yuǎn)親。當(dāng)水母在水中噴射的時候，櫛水母用八排像梳子一樣排列在身體兩側(cè)的跳動的纖毛來推動自己。沿著加利福尼亞海岸，一種常見的櫛水母是直徑1英寸的海醋栗。
染色體拯救世界 為了弄清楚海綿體或者櫛水母是否是動物最早的分支，這項新的研究依賴于一個不太可能的特征: 基因組成染色體。每個物種都有一個特征性的染色體數(shù)目——人類有23對染色體——以及沿著染色體的特征性基因分布。 Rokhsar，Simakov 和他的合作者之前已經(jīng)證明海綿動物，水母和許多其他無脊椎動物的染色體攜帶相似的基因組，盡管經(jīng)過了超過5億年的獨立進(jìn)化。這一發(fā)現(xiàn)表明，許多動物的染色體進(jìn)化緩慢，并允許該團(tuán)隊計算重建這些不同動物的共同祖先的染色體。 但是，直到2021年，當(dāng)舒爾茨——當(dāng)時是加州大學(xué)圣克魯斯分校的研究生——和他的合作顧問，加州大學(xué)圣克魯斯分校的理查德 · 格林和加州大學(xué)圣克魯斯分校和加州大學(xué)圣克魯斯分校的史蒂文 · 哈多克確定了櫛水母的染色體結(jié)構(gòu)時，人們才知道櫛水母的染色體結(jié)構(gòu)。Rokhsar 說，它看起來與其他動物非常不同，這讓人感到困惑。 Rokhsar 解釋說: “一開始，我們不能確定櫛水母染色體是否與其他動物的染色體不同，僅僅是因為它們在數(shù)億年的時間里發(fā)生了很大的變化。”。“或者，它們可能會有所不同，因為它們在所有其他動物血統(tǒng)出現(xiàn)之前，就已經(jīng)開始分支了。我們需要弄清楚?！?/p> 研究人員聯(lián)合測序了另一種梳狀果凍和海綿的基因組，以及動物譜系之外的三種單細(xì)胞生物: 一種領(lǐng)鞭毛蟲、一種魚形變形蟲和一種被稱為魚孢子蟲的魚類寄生蟲。這些非動物的粗略基因組序列已經(jīng)存在，但它們不包含染色體規(guī)模基因連鎖所需的關(guān)鍵信息: 它們在染色體上的位置。 確鑿的證據(jù) 值得注意的是，當(dāng)研究小組比較這些不同動物和非動物的染色體時，他們發(fā)現(xiàn)櫛水母和非動物共享特定的基因-染色體組合，而海綿動物和其他動物的染色體則以截然不同的方式重新排列。 “這就是確鑿的證據(jù)——我們發(fā)現(xiàn)海綿動物和非櫛水母動物共有的一些重排。相比之下，櫛水母則與非動物相似。最簡單的解釋是，櫛水母在重排發(fā)生之前就分支了?！彼f。 “這一古老進(jìn)化事件的指紋仍然存在于數(shù)億年后的動物基因組中,”舒爾茨說。“這項研究... ... 為我們理解是什么使動物成為動物提供了背景。這項工作將幫助我們理解我們共有的基本功能，比如它們?nèi)绾胃兄車h(huán)境、如何進(jìn)食以及如何移動。” Rokhsar 強(qiáng)調(diào)，研究小組的結(jié)論是建立在五組基因-染色體組合的基礎(chǔ)上的。 “我們發(fā)現(xiàn)了一個非常古老的染色體信號的遺跡,”他說?！?span style="color: rgb(0, 82, 255);">我們花了一些統(tǒng)計學(xué)上的工作來說服自己，這確實是一個清晰的信號，而不僅僅是隨機(jī)噪音，因為我們正在處理的是相對較小的基因群，可能是動物和非動物之間10億年的差異。但是信號就在那里，并且強(qiáng)烈支持“櫛水母分支優(yōu)先”的情況。另一種海綿優(yōu)先假說成立的唯一可能性是，海綿動物和非海綿動物都發(fā)生了多重收斂性重排，但這種可能性很小?！?/p> 【1】原文鏈接：點擊本文底部左下角“ |
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