Przez ponad sto lat biolodzy zastanawiali się, jakie były najwcześniejsze zwierzęta, kiedy po raz pierwszy pojawiły się w starożytnych oceanach ponad pół miliarda lat temu.

Poszukując wśród najbardziej prymitywnie wyglądających obecnie zwierząt najwcześniejszej gałęzi zwierzęcego drzewa życia, naukowcy stopniowo zawęzili możliwości do dwóch grup: gąbek, które całe dorosłe życie spędzają w jednym miejscu, filtrując pokarm z wody morskiej; i przeczesują galaretki, żarłoczne drapieżniki, które wiosłują po oceanach świata w poszukiwaniu pożywienia.

W nowym badaniu opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Natura, naukowcy stosują nowatorskie podejście oparte na strukturze chromosomów, aby znaleźć ostateczną odpowiedź: galaretki grzebieniowe lub ctenofory (wymawiane jako teen’-a-fores) były pierwszą linią, która odgałęziła się od drzewa zwierzęcego. Następne były gąbki, a następnie zróżnicowanie wszystkich innych zwierząt, w tym linii prowadzącej do ludzi.

Chociaż naukowcy ustalili, że linia ctenoforów rozgałęziła się przed gąbkami, obie grupy zwierząt nadal ewoluowały od wspólnego przodka. Niemniej biolodzy ewolucyjni uważają, że te grupy nadal mają cechy charakterystyczne dla najwcześniejszych zwierząt, a badanie tych wczesnych gałęzi zwierzęcego drzewa życia może rzucić światło na to, jak zwierzęta powstały i ewoluowały, aż do różnorodności gatunków, które obserwujemy dzisiaj wokół nas.

„Najnowszy wspólny przodek wszystkich zwierząt żył prawdopodobnie 600 lub 700 milionów lat temu. Trudno powiedzieć, jakie były, ponieważ były zwierzętami o miękkim ciele i nie pozostawiły bezpośredniego zapisu kopalnego. zwierząt, aby dowiedzieć się o naszych wspólnych przodkach” – powiedział Daniel Rokhsar z Uniwersytetu Kalifornijskiego, profesor biologii molekularnej i komórkowej w Berkeley oraz współautor artykułu wraz z Darrinem Schultzem i Olegiem Simakovem z Uniwersytetu Wiedeńskiego. „To ekscytujące – spoglądamy w przeszłość, gdzie nie mamy nadziei na zdobycie skamieniałości, ale porównując genomy, dowiadujemy się rzeczy o tych bardzo wczesnych przodkach”.

Naukowcy twierdzą, że zrozumienie relacji między liniami zwierzęcymi pomoże naukowcom zrozumieć, w jaki sposób kluczowe cechy biologii zwierząt, takie jak układ nerwowy, mięśnie i przewód pokarmowy, ewoluowały w czasie.

„Opracowaliśmy nowy sposób, aby uzyskać jeden z najgłębszych możliwych wglądów w pochodzenie życia zwierząt” – powiedział Schultz, główny autor i były absolwent UC Santa Cruz i badacz w Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), który jest obecnie adiunkt na Uniwersytecie Wiedeńskim. „To odkrycie położy podwaliny pod społeczność naukową, aby zacząć lepiej rozumieć ewolucję zwierząt”.

Co to jest zwierzę?

Większość znanych zwierząt, w tym robaki, muchy, mięczaki, rozgwiazdy i kręgowce – w tym ludzie – ma głowę ze scentralizowanym mózgiem, jelito biegnące od ust do odbytu, mięśnie i inne wspólne cechy, które wyewoluowały już w czasach słynnej „eksplozji kambryjskiej” około 500 milionów lat temu. Razem te zwierzęta nazywane są zwierzętami dwustronnymi.

Jednak inne zwierzęta działające w dobrej wierze, takie jak meduzy, ukwiały, gąbki i ctenofory, mają prostsze plany ciała. Stworzeniom tym brakuje wielu cech dwustronnych – na przykład brakuje im określonego mózgu i mogą nawet nie mieć układu nerwowego lub mięśni – ale nadal mają wspólne cechy życia zwierzęcego, w szczególności rozwój ciał wielokomórkowych z zapłodnionego jaja.

Relacje ewolucyjne między tymi różnymi stworzeniami – w szczególności kolejność, w jakiej każda z linii odgałęziła się od głównego pnia zwierzęcego drzewa życia – były kontrowersyjne.

Wraz z rozwojem sekwencjonowania DNA biolodzy byli w stanie porównać sekwencje genów wspólnych dla zwierząt, aby skonstruować drzewo genealogiczne, które ilustruje ewolucję zwierząt i ich genów w czasie, odkąd najwcześniejsze zwierzęta pojawiły się w okresie prekambryjskim.

Ale te metody filogenetyczne oparte na sekwencjach genów nie rozwiązały kontrowersji dotyczących tego, czy gąbki czy galaretki grzebieniowe były najwcześniejszą gałęzią drzewa zwierzęcego, po części z powodu głębokiej starożytności ich rozbieżności, powiedział Rokhsar.

„Wyniki wyrafinowanych badań opartych na sekwencjach były zasadniczo podzielone” – powiedział. „Niektórzy badacze przeprowadzili dobrze zaprojektowane analizy i odkryli, że gąbki najpierw się rozgałęziały. Inni przeprowadzili równie złożone i uzasadnione badania i uzyskali ctenofory. Tak naprawdę nie było żadnej zbieżności w celu uzyskania ostatecznej odpowiedzi”.

Patrząc na nie, gąbki wydają się dość prymitywne. Po fazie larwalnej, która swobodnie pływa, osiadają i zazwyczaj pozostają w jednym miejscu, delikatnie przepuszczając wodę przez pory, aby wychwycić małe cząsteczki pokarmu rozpuszczone w wodzie morskiej. Nie mają nerwów ani mięśni, chociaż ich twarde części świetnie sprawdzają się w kąpieli.

„Tradycyjnie gąbki były powszechnie uważane za najwcześniejsze zachowane gałęzie drzewa zwierzęcego, ponieważ gąbki nie mają układu nerwowego, nie mają mięśni i wyglądają trochę jak kolonialne wersje niektórych jednokomórkowych pierwotniaków, — powiedział Roksar.

„A więc to była niezła historia: najpierw pojawiły się jednokomórkowe pierwotniaki, a następnie gąbczaste wielokomórkowe konsorcja takich komórek wyewoluowały i stały się przodkami całej dzisiejszej różnorodności zwierząt. W tym scenariuszu linia gąbek zachowuje wiele cech zwierzęcy przodek na gałęzi prowadzącej do wszystkich innych zwierząt, w tym nas. Wyewoluowały specjalizacje, które doprowadziły do ​​powstania neuronów, nerwów, mięśni, jelit i wszystkich innych rzeczy, które znamy i kochamy, jako cech definiujących resztę życia zwierzęcego. Wydaje się, że gąbki są prymitywne, ponieważ brakuje im tych cech”.

Innym kandydatem na najwcześniejszą linię zwierząt jest grupa galaretek grzebieniowych, popularnych zwierząt w wielu akwariach. Chociaż z pozoru wyglądają jak meduzy – często mają kształt przypominający dzwon, chociaż mają dwa płaty, w przeciwieństwie do meduz i zwykle macki – są tylko daleko spokrewnione. Podczas gdy meduzy przeciskają się przez wodę, ctenofory poruszają się za pomocą ośmiu rzędów bijących rzęsek ułożonych wzdłuż ich boków jak grzebienie. Wzdłuż wybrzeża Kalifornii powszechnym ctenoforem jest agrest morski o średnicy 1 cala.

Chromosomy na ratunek

Aby dowiedzieć się, czy gąbki lub ctenofory były najwcześniejszą gałęzią zwierząt, nowe badanie opierało się na mało prawdopodobnej cesze: organizacji genów w chromosomy. Każdy gatunek ma charakterystyczną liczbę chromosomów — ludzie mają 23 pary — i charakterystyczne rozmieszczenie genów wzdłuż chromosomów.

Rokhsar, Simakov i współpracownicy wykazali wcześniej, że chromosomy gąbek, meduz i wielu innych bezkręgowców niosą podobne zestawy genów, pomimo ponad pół miliarda lat niezależnej ewolucji. To odkrycie sugeruje, że chromosomy wielu zwierząt ewoluują powoli i pozwoliło zespołowi na obliczeniową rekonstrukcję chromosomów wspólnego przodka tych różnych zwierząt.

Ale struktura chromosomów ctenoforów była nieznana do 2021 r., kiedy to Schultz – wówczas absolwent UC Santa Cruz – i jego współpracownicy, Richard Green z UCSC i Steven Haddock z MBARI i UCSC, określili strukturę chromosomów ctenoforu Hormiphora californiensis . Wyglądał bardzo różnie od innych zwierząt, co stanowiło zagadkę, powiedział Rokhsar.

„Na początku nie mogliśmy stwierdzić, czy chromosomy ctenoforów różnią się od chromosomów innych zwierząt po prostu dlatego, że bardzo się zmieniły w ciągu setek milionów lat” – wyjaśnił Rokhsar. „Alternatywnie mogą być inne, ponieważ najpierw się rozgałęziły, zanim pojawiły się wszystkie inne linie zwierząt. Musieliśmy to rozgryźć”.

Naukowcy połączyli siły, aby zsekwencjonować genomy innej galaretki grzebieniowej i gąbki, a także trzech jednokomórkowych stworzeń spoza linii zwierzęcej: wiciowca choanoflagellata, ameby filasterejskiej i pasożyta ryb zwanego ichthyosporeanem. Zgrubne sekwencje genomów tych niebędących zwierzętami już istniały, ale nie zawierały one krytycznych informacji potrzebnych do łączenia genów w skali chromosomu: gdzie siedzą na chromosomie.

Dymiący pistolet

Co ciekawe, kiedy zespół porównał chromosomy tych różnych zwierząt i innych zwierząt, odkrył, że ctenofory i inne zwierzęta mają wspólne określone kombinacje gen-chromosom, podczas gdy chromosomy gąbek i innych zwierząt zostały uporządkowane w wyraźnie inny sposób.

„To był strzał w dziesiątkę – znaleźliśmy garść przegrupowań wspólnych dla gąbek i zwierząt niebędących ctenoforami. Natomiast ctenofory przypominały zwierzęta niebędące zwierzętami. Najprostszym wyjaśnieniem jest to, że ctenofory rozgałęziły się przed wystąpieniem przegrupowań” – powiedział.

„Odciski palców tego starożytnego wydarzenia ewolucyjnego są nadal obecne w genomach zwierząt setki milionów lat później” – powiedział Schultz. „Te badania… dają nam kontekst do zrozumienia, co sprawia, że ​​zwierzęta są zwierzętami. Ta praca pomoże nam zrozumieć podstawowe funkcje, które wszyscy dzielimy, takie jak sposób, w jaki wyczuwają otoczenie, jak jedzą i jak się poruszają”.

Rokhsar podkreślił, że wnioski zespołu są solidnie oparte na pięciu zestawach kombinacji gen-chromosom.

„Znaleźliśmy relikt bardzo starożytnego sygnału chromosomalnego” – powiedział. „Potrzeba było trochę statystycznej pracy detektywistycznej, aby przekonać się, że to naprawdę wyraźny sygnał, a nie tylko przypadkowy szum, ponieważ mamy do czynienia ze stosunkowo małymi grupami genów i być może miliardem lat rozbieżności między zwierzętami i nie-zwierzętami. Ale sygnał istnieje i zdecydowanie potwierdza scenariusz „najpierw rozgałęziony ctenofor”. Jedynym sposobem, w jaki alternatywna hipoteza „najpierw gąbka” byłaby prawdziwa, byłoby wielokrotne zbieżne przegrupowanie zarówno u gąbek, jak i zwierząt innych niż ctenofor, co jest bardzo mało prawdopodobne. ”