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海绵vs栉水母,谁才是最古老的动物?

时间: 2020年12月31日 | 作者: Admin | 来源: 原理
我们不禁好奇,最早的动物究竟长什么样呢?这个问题在过去十年时间里引发了激烈的争论。


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共同祖先


根据进化论的奥义,地球上的所有生命都有一个共同的源头。如此看来,地球上所有其他生物,都与我们有着或多或少的亲缘关系。查尔斯·达尔文意识到,类人猿是与我们最近的祖先。但除此之外,生命之树中盘根错节的分支,让整个进化的过程都变得并没有那么清晰。


我们知道,生命是从一个共同的祖先进化而来的,细菌、古菌和真核生物(包括多细胞生物,如植物和动物)都是从它衍生而来。我们不禁好奇,最早的动物究竟长什么样呢?这个问题在过去十年时间里引发了激烈的争论。现在,一项发表于《科学进展》上的新研究为这一问题给出了答案。



海绵 vs 栉水母


从19世纪到大约10年前的这段时间里,海绵曾普遍被认为与我们有着最遥远的亲缘关系。海绵看起来太不像动物了,它们与大多数动物都有所不同。一开始,海绵被归为藻类,然而从海绵的基因和其他特征来看(例如它们能产生精子),发现它们确实是动物。海绵的独特性和简单性,使得其十分符合它们是最早的动物的想法。


但是在过去的十年里,这一模型受到了一些研究的挑战,这些研究通过比较不同动物的DNA,发现了另一种可能成为我们最遥远的动物亲缘的候选——栉水母。这是一种美丽的透明球形动物,其名字源于它们在水中会拍打着梳子状的纤毛使自己向前推进。


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栉水母。| 图片来源:Wikipedia


从表面上看,栉水母与水母相似,它们和水母一样都在海中漂浮。栉水母无疑与人类相隔甚远,但与海绵不同的是,栉水母与我们拥有许多共同的高级特征,比如神经细胞、肌肉以及肠道等等。如果栉水母真的是我们的最远的亲缘,那就意味着所有动物的祖先也拥有这些共同的特征。更奇怪的是,如果最早的动物果真已有这些重要的特征,那么我们不得不假设,海绵也曾经拥有过这些特征,只是最终失去了它们。



追溯进化树


为了理解物种是如何进化的,科学家经常使用“系统发生树”(亦称“进化树”)来展示这个过程,树中的每个分支顶端都代表着物种,每个分支分叉的地方代表着一个共同祖先。图中所示的是就两个进化树的例子,一个绘制的是最早出现的动物是海绵的情况,另一个绘制的是最早出现的动物是栉水母的情况。


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两种不同的系统发生树,A所示的进化树表示最早出现的动物是海绵,B所示的进化树表示最早出现的动物是之水母。| 图片参考:Telford & Kapli


到底是先有海绵还是先有栉水母呢?在过去,这两种说法的进化树都得到了不同基因研究的支持。与之相关的争论甚至还造成了大西洋两岸学者间的轻微分裂:大多数欧洲学者偏向于接受传统的先有海绵的观点,而北美学者则普遍更倾向于接受先有栉水母的这种新观点。


归根结底,这些争论关乎一个问题,即如何才能最好地分析现有的基因数据。“先有海绵论”支持者认为,推导出先有栉水母的动物树可能是由一个错误导致的结果。当被研究的种群中有一个进化得比其他快很多时,就会出现问题。栉水母是一种快速进化的物种,而快速进化的种群往往会出现看起来像是已经存在了很长的时间,比真实存在时间更长的情况。


因此,栉水母的快速进化是否有可能会误导了我们,让我们误以为它们源自于某次更早的分裂?



栉水母“欺骗”了我们吗?


在新研究中,研究人员采用了一种新的方式来处理这个问题——他们直接调查快速进化的栉水母“欺骗”我们的可能性。他们想知道,在这些动物身上呈现出的不均等进化速度,是否有可能导致一个错误结果。


为了解答这个问题,他们采用计算机来模拟DNA的进化过程。他们从一个随机合成的DNA序列开始,这个DNA序列代表了一种动物的祖先。接着,他们在遵循先有海绵的模型,以及遵循先有栉水母的模型这两种不同的设定下,通过积累突变来让DNA序列进化。这些序列的进化会根据每棵进化树的分支模式而展开。


最终,研究人员得到了一组物种,这些物种的DNA序列之间都相互有基因相关性,能够在某种程度上反映它们的进化树。接着,他们再使用这些合成的数据来重建进化树。


研究发现,当使用根据先有栉水母的设定而模拟出数据来构建进化树时,他们总能轻易地就重建正确的进化树。这是因为由快速进化速率导致的偏差,实际上会强化源自于进化树的信息(表明它们是最古老的分支的信息)。当进化树的信息和偏差都指向同一个方向时,就能保证得到正确的结果。


简而言之,研究表明先有栉水母的模型,受到存在系统误差的分析过程的强烈支持,即支持了先有栉水母的模型的进化树,很可能是由系统误差造成的。在重建进化树时的实际数据时,研究人员的确发现栉水母的长长的分支会导致它们看起来比实际年龄更老。


而当研究人员用海绵作为第一个分支来模拟数据时,发现进化树的重建过程中经常出错。这显然是一棵更难以得到正确结果的进化树,原因是树的信息(也就是表明海绵是最古老的分支的信息)与源自快速进化的栉水母的偏差(支持了先有栉水母)相矛盾,系统误差在先有海绵的模型中被最小化了。


那么,到底是谁更早出现的呢?一种可能的情况是,那些表明了栉水母最先出现的基因分析,实际上可能没有考虑到使栉水母看起来比实际年龄更老的偏差。而将这一因素纳入了考量的新研究表明,海绵才是是我们最遥远的动物亲缘。



撰文:

Max Telford(伦敦大学学院动物学教授)

Paschalia Kapli(伦敦大学学院研究员)


原文标题为“Is our most distant animal relative a sponge or a comb jelly? Our study provides an answer”,于2020年12月11日首发于The Conversation,原文链接:https://theconversation.com/is-our-most-distant-animal-relative-a-sponge-or-a-comb-jelly-our-study-provides-an-answer-151889,中文内容略有编辑,仅供参考,一切内容以原文为准。


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