一个多世纪以来，生物学家一直想知道 50 多亿年前最早的动物在远古海洋中首次出现时是什么样子的。
在今天看起来最原始的动物中寻找生命动物树最早的分支，科学家们逐渐将可能性缩小到两类：海绵，它们的整个成年生活都在一个地方，从海水中过滤食物;以及梳状水母，它们是贪婪的食肉动物，它们在世界各大洋中划桨觅食。
在本周发表在《自然》杂志上的一项新研究中, 研究人员使用一种基于染色体结构的新方法得出了一个明确的答案：梳状果冻或栉水母 (teen'-a-fores) 是从动物树中分支出来的第一个谱系。接下来是海绵，然后是所有其他动物的多样化，包括导致人类的血统。
尽管研究人员确定栉水母谱系在海绵之前就已经分支出来，但这两组动物都继续从它们的共同祖先进化而来。尽管如此，进化生物学家认为，这些群体仍然与最早的动物具有相同的特征，研究动物生命之树的这些早期分支可以阐明动物是如何起源和进化成我们今天在我们周围看到的物种多样性的。
“所有动物最近的共同祖先可能生活在 600 或 7 亿年前。很难知道它们长什么样，因为它们是软体动物，没有留下直接的化石记录。但我们可以对现存生物进行比较加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授Daniel Rokhsar和维也纳大学的 Darrin Schultz 和 Oleg Simakov 是该论文的共同通讯作者。“这很令人兴奋——我们正在回顾过去，我们没有希望获得化石，但通过比较基因组，我们正在了解这些非常早期的祖先。”
研究人员说，了解动物谱系之间的关系将有助于科学家了解动物生物学的关键特征，如神经系统、肌肉和消化道，是如何随着时间进化的。
“我们开发了一种新方法，可以最深入地了解动物生命的起源，”主要作者、前加州大学圣克鲁斯分校研究生和蒙特雷湾水族馆研究所 (MBARI) 研究员舒尔茨说。现为维也纳大学博士后研究员。“这一发现将为科学界开始更好地了解动物的进化方式奠定基础。”
什么是动物?
大多数熟悉的动物，包括蠕虫、苍蝇、软体动物、海星和脊椎动物——包括人类——都有一个带有中央大脑的头部、一条从嘴巴到肛门的肠道、肌肉和其他在人类诞生时已经进化的共有特征大约 5 亿年前著名的“寒武纪大爆发”。这些动物一起被称为两侧对称动物。
然而，其他真正的动物，如水母、海葵、海绵和栉水母，具有更简单的身体构造。这些生物缺乏许多两侧对称的特征——例如，它们缺乏明确的大脑，甚至可能没有神经系统或肌肉——但仍然具有动物生命的特征，特别是从受精卵发育成多细胞体。
这些不同生物之间的进化关系——特别是每个谱系从动物生命之树的主干分支出来的顺序——一直存在争议。
随着 DNA 测序的兴起，生物学家能够比较动物共有的基因序列，构建一个家谱，说明自从前寒武纪最早的动物出现以来，动物及其基因如何随着时间的推移而进化。
但这些基于基因序列的系统发育方法未能解决关于海绵或梳状水母是否是动物树最早分支的争论，部分原因是它们的分歧由来已久，Rokhsar 说。
“复杂的基于序列的研究结果基本上是分裂的，”他说。“一些研究人员进行了精心设计的分析，发现海绵首先分枝。其他人进行了同样复杂和合理的研究，并得到了栉水母。对于一个明确的答案，还没有真正的趋同。”
只是看着它们，海绵似乎很原始。在自由游动的幼虫阶段之后，它们会安顿下来并通常呆在一个地方，轻轻地将水扫过它们的毛孔以捕获溶解在海水中的小食物颗粒。它们没有神经或肌肉，尽管它们坚硬的部分可以在浴缸中用作很好的洗涤器。
“传统上，海绵被广泛认为是动物树中现存最早的分支，因为海绵没有神经系统，它们没有肌肉，它们看起来有点像一些单细胞原生动物的殖民版本， “罗克萨尔说。“所以，这是一个很好的故事：首先出现了单细胞原生动物，然后这些细胞的海绵状多细胞联合体进化并成为当今所有动物多样性的祖先。在这种情况下，海绵谱系保留了许多特征动物祖先在导致包括我们在内的所有其他动物的分支上。专业化进化导致神经元，神经和肌肉和内脏以及我们所知道和喜爱的所有这些东西作为动物生命其余部分的定义特征。海绵似乎是原始，
最早动物谱系的另一个候选者是梳状水母，许多水族馆中的流行动物。虽然它们表面上看起来像水母——它们通常呈钟形，但与水母不同，它们有两个裂片，通常还有触手——它们只是远亲。当水母在水中穿行时，栉水母用八排跳动的纤毛推动自己，这些纤毛像梳子一样排列在它们的身体两侧。沿着加利福尼亚海岸，一种常见的栉水母是直径 1 英寸的海醋栗。
染色体来拯救
为了了解海绵或栉水母是否是动物的最早分支，这项新研究依赖于一个不太可能的特征：将基因组织成染色体。每个物种都有一个特征染色体数——人类有 23 对——以及基因沿染色体的特征分布。
Rokhsar、Simakov 和合作者此前曾表明，海绵、水母和许多其他无脊椎动物的染色体携带着相似的基因组，尽管它们已经独立进化了超过 50 亿年。这一发现表明许多动物的染色体进化缓慢，并允许该团队通过计算重建这些不同动物的共同祖先的染色体。
但是，直到 2021 年，栉水母的染色体结构才为人所知，当时舒尔茨——当时是加州大学圣克鲁兹分校的研究生——和他的共同顾问，UCSC 的 Richard Green 和 MBARI 和 UCSC 的 Steven Haddock，确定了栉水母Hormiphora californiensis 的染色体结构. Rokhsar 说，它看起来与其他动物非常不同，这让人感到困惑。
Rokhsar 解释说：“起初，我们无法判断栉水母染色体是否与其他动物的染色体不同，仅仅是因为它们在数亿年的时间里发生了很大变化。”首先，在所有其他动物谱系出现之前。我们需要弄清楚。”
研究人员联手对另一种栉水母和海绵以及动物谱系之外的三种单细胞生物的基因组进行了测序：领鞭毛虫、丝虫变形虫和一种叫做鱼孢子虫的鱼类寄生虫。这些非动物的粗略基因组序列已经存在，但它们不包含染色体规模基因连锁所需的关键信息：它们在染色体上的位置。
确凿的证据
值得注意的是，当研究小组比较这些不同动物和非动物的染色体时，他们发现栉水母和非动物共享特定的基因-染色体组合，而海绵和其他动物的染色体以截然不同的方式重新排列.
“那是确凿的证据——我们发现了海绵和非栉水母动物共有的一些重排。相比之下，栉水母类似于非动物。最简单的解释是，栉水母在重排发生之前就已经分叉了，”他说。
“数亿年后，这一古老进化事件的指纹仍然存在于动物的基因组中，”舒尔茨说。“这项研究……为我们提供了理解是什么让动物成为动物的背景。这项工作将帮助我们了解我们共有的基本功能，例如它们如何感知周围环境、如何进食以及如何移动。”
Rokhsar 强调，该团队的结论基于五组基因-染色体组合。
“我们发现了一个非常古老的染色体信号的遗迹，”他说。“需要一些统计侦探工作才能说服我们自己，这确实是一个清晰的信号，而不仅仅是随机噪音，因为我们正在处理相对较小的基因组，并且动物和非动物之间可能存在 10 亿年的差异。但是The signal is there and strongly supports the 'ctenophore-branched-first' scenarios. 另一种海绵优先假设可能成立的唯一方法是，如果海绵和非栉水母动物都发生了多重收敛重排，这是不太可能的。 ”
加州大学伯克利分校的 Jessen Bredeson 也为这项工作做出了贡献。
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