Генетические исследования проливают свет на то, как выглядели самые ранние животные

Более века биологи задавались вопросом, какими были самые ранние животные, когда они впервые появились в древних океанах более полумиллиарда лет назад. Отыскивая среди самых примитивных на вид животных самую раннюю ветвь животного древа жизни, ученые постепенно сузили круг возможных вариантов до двух групп: губки, которые проводят всю свою взрослую жизнь в одном месте, отфильтровывая пищу из морской воды; и гребенчатые желе, прожорливые хищники, которые прокладывают себе путь через мировой океан в поисках пищи.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи используют новый подход, основанный на структуре хромосом, чтобы дать окончательный ответ: гребневики, или гребневики, были первой линией разветвления. от дерева животных. Следующими были губки, за которыми последовала диверсификация всех других животных, включая линию, ведущую к человеку.

Хотя исследователи определили, что родословная гребневиков отделилась от губок, обе группы животных продолжали развиваться от своего общего предка. Тем не менее биологи-эволюционисты считают, что эти группы по-прежнему имеют общие черты с самыми ранними животными, и что изучение этих ранних ветвей животного древа жизни может пролить свет на то, как животные возникли и эволюционировали до разнообразия видов, которые мы видим сегодня вокруг нас.

«Самый недавний общий предок всех животных, вероятно, жил 600 или 700 миллионов лет назад. Трудно понять, какими они были, потому что они были животными с мягким телом и не оставили прямой летописи окаменелостей. животных, чтобы узнать о наших общих предках. Это захватывающе — мы оглядываемся вглубь времени, когда у нас нет надежды получить окаменелости, но, сравнивая геномы, мы узнаем что-то об этих очень ранних предках», — сказал соавтор статьи Даниэль Рохсар из Калифорнийского университета.

Исследователи говорят, что понимание взаимосвязей между родословными животных поможет ученым понять, как ключевые особенности биологии животных, такие как нервная система, мышцы и пищеварительный тракт, развивались с течением времени.

«Мы разработали новый способ заглянуть одним из самых глубоких взглядов в истоки жизни животных. Это открытие заложит основу для того, чтобы научное сообщество начало лучше понимать, как эволюционировали животные», — сказал ведущий автор исследования Шульц.

Большинство знакомых нам животных, включая червей, мух, моллюсков, морских звезд и позвоночных, а также людей, имеют голову с централизованным мозгом, кишечник, идущий ото рта к анусу, мускулы и другие общие черты, которые уже развились ко времени знаменитый «кембрийский взрыв» около 500 миллионов лет назад. Вместе эти животные называются билатериями.

Однако другие настоящие животные, такие как медузы, морские анемоны, губки и гребневики, имеют более простое строение тела. У этих существ отсутствуют многие билатеральные черты — например, у них отсутствует определенный мозг и может даже не быть нервной системы или мышц, — но все же у них есть общие признаки жизни животных, в частности, развитие многоклеточных тел из оплодотворенной яйцеклетки.

Эволюционные отношения между этими разнообразными существами — в частности, порядок ответвления каждой из линий от основного ствола животного древа жизни — вызывает споры.

С появлением секвенирования ДНК биологи смогли сравнить последовательности генов, общих для животных, чтобы построить генеалогическое древо, которое иллюстрирует, как животные и их гены развивались с течением времени, поскольку самые ранние животные возникли в докембрийском периоде.

Но эти филогенетические методы, основанные на последовательностях генов, не смогли разрешить спор о том, были ли губки или гребенчатые желе самой ранней ветвью животного дерева, отчасти из-за глубокой древности их расхождения, сказал Рохсар.

«Результаты сложных исследований, основанных на последовательностях, в основном разделились», — сказал он. «Некоторые исследователи провели хорошо спланированный анализ и обнаружили, что губки разветвляются первыми. Другие провели столь же сложные и оправданные исследования и получили гребневики. На самом деле не было никакого сходства к окончательному ответу».

Просто глядя на них, губки кажутся довольно примитивными. После свободно плавающей личиночной стадии они оседают и обычно остаются на одном месте, осторожно выметая воду через свои поры, чтобы захватить мелкие частицы пищи, растворенные в морской воде. У них нет ни нервов, ни мускулов, хотя их твердые части хорошо моют в ванне.

«Традиционно губки считались самой ранней сохранившейся ветвью животного дерева, потому что у губок нет нервной системы, у них нет мышц, и они немного похожи на колониальные версии некоторых одноклеточных простейших», — сказал Рохсар. «Итак, это была красивая история: сначала появились одноклеточные простейшие, а затем развились губчатые многоклеточные консорциумы таких клеток, которые стали предками всего современного разнообразия животных. В этом сценарии линия губок сохраняет многие черты животный предок на ветви, ведущей ко всем другим животным, включая нас. Развились специализации, которые привели к нейронам, нервам, мышцам, кишечнику и всем тем вещам, которые мы знаем и любим, как определяющим чертам остальной жизни животных. Губки, по-видимому, примитивны, так как у них нет этих функций».

Другим кандидатом на самую раннюю линию животных является группа гребенчатых медуз, популярных животных во многих аквариумах. Хотя внешне они похожи на медуз — они часто имеют колоколообразную форму, хотя и с двумя лопастями, в отличие от медуз, и обычно имеют щупальца — они лишь отдаленно связаны между собой. И в то время как медузы прокладывают свой путь через воду, гребневики движутся с помощью восьми рядов бьющихся ресничек, расположенных по бокам, как гребни. Вдоль побережья Калифорнии обыкновенным гребневиком является морской крыжовник диаметром чуть более двух сантиметров.

Чтобы узнать, были ли губки или гребневики самой ранней ветвью животных, новое исследование опиралось на маловероятную особенность: организацию генов в хромосомы. Каждый вид имеет характерное число хромосом — у людей 23 пары — и характерное распределение генов по хромосомам.

Рохсар, Симаков и их сотрудники ранее показали, что хромосомы губок, медуз и многих других беспозвоночных несут схожие наборы генов, несмотря на более чем полмиллиарда лет независимой эволюции. Это открытие показало, что хромосомы многих животных развиваются медленно, и позволило команде вычислить хромосомы общего предка этих разнообразных животных.

Но структура хромосом гребневиков была неизвестна до 2021 года, когда Шульц, в то время аспирант Калифорнийского университета в Санта-Круз, и его коллеги Ричард Грин из Калифорнийского университета и Стивен Хэддок из MBARI и Калифорнийского университета в Калифорнии определили структуру хромосом гребневика Hormiphora californiensis. По словам Рохсара, он сильно отличался от других животных, что представляло собой загадку.

«Сначала мы не могли сказать, отличаются ли хромосомы гребневиков от хромосом других животных, просто потому, что они сильно изменились за сотни миллионов лет», — объяснил Рохсар. «В качестве альтернативы они могли быть другими, потому что они ответвились первыми, прежде чем появились все другие линии животных. Нам нужно было это выяснить».

Исследователи объединили усилия, чтобы секвенировать геномы еще одного гребневидного желе и губки, а также трех одноклеточных существ, не принадлежащих к линии животных: хоанофлагеллят, амебы-филастереи и рыбьего паразита, называемого ихтиоспорином. Примерные последовательности геномов этих неживотных уже существовали, но они не содержали критической информации, необходимой для сцепления генов в масштабе хромосомы: где они расположены на хромосоме.

Примечательно, что когда команда сравнила хромосомы этих разнообразных животных и неживотных, они обнаружили, что гребневики и неживотные имеют общие определенные комбинации генов и хромосом, в то время как хромосомы губок и других животных были перестроены совершенно по-разному.

«Это был дымящийся пистолет — мы обнаружили несколько перестроек, общих для губок и животных, не являющихся гребневиками. Напротив, гребневики напоминали неживотных. Самое простое объяснение состоит в том, что гребневики ответвились до того, как произошли перестройки», — сказал он.

«Отпечатки этого древнего эволюционного события все еще присутствуют в геномах животных сотни миллионов лет спустя», — сказал Шульц. «Это исследование ... дает нам контекст для понимания того, что делает животных животными. Эта работа поможет нам понять основные функции, которые мы все разделяем, например, как они ощущают свое окружение, как они едят и как они двигаются».

Рохсар подчеркнул, что выводы команды основаны на пяти наборах комбинаций генов и хромосом.

«Мы нашли реликт очень древнего хромосомного сигнала», — сказал он. «Потребовалась некоторая статистическая детективная работа, чтобы убедить себя, что это действительно четкий сигнал, а не просто случайный шум, потому что мы имеем дело с относительно небольшими группами генов и, возможно, миллиардом лет расхождения между животными и неживотными. Но сигнал есть и убедительно поддерживает сценарий «гребневик-сначала разветвленный. Единственный способ, которым альтернативная гипотеза «сначала губка» может быть верной, - это если множественные конвергентные перестройки произошли как у губок, так и у животных, не являющихся гребневиками, что очень маловероятно».