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蜗牛与海星 谁才是脊椎动物近亲

来源:科技日报2021-07-29 11:15

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  大约6亿年前,地球上最早的动物诞生了。此后,它们演化出了令人惊叹的多样性,形成了包括人类在内的数百万个物种。但是,人类是如何由最原始的动物一步步演化而来的?在拼凑起这个漫长的演化故事之前,首先需要知道我们与其它动物群体的关系。

  回顾人类的谱系树,我们很容易看出我们属于人科、灵长类和哺乳动物。甚至早在两千多年前,亚里士多德就已经因为哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类都拥有脊椎这一共同特征,将它们归为一类,即我们所说的脊椎动物。

  脊椎动物的起源深藏于动物的生命史之中,最早的脊椎动物化石可以追溯到5亿多年前。在过去150年中,关于这些早期化石的研究一直争议不断,想要破解这种古老关系非常困难。最近,一篇发表于《科学·进展》的研究提供了一些新见解。

  海星长久被认为是人类近亲

  一个多世纪以来的普遍观点认为,与人类最亲近的无脊椎动物是一个与脊椎动物完全没有相似之处的群体:棘皮动物,包括海星、海参和海胆。

  1908年,奥地利动物学家卡尔·格罗本首次提出了这个观点。格罗本研究了不同物种最早的胚胎发育事件(胚胎的第一个细胞是如何分裂的,以及嘴最初是如何形成的),从而将绝大多数动物划分为两大分支。他认为,脊椎动物和棘皮动物属于后口动物,其它无脊椎动物属于原口动物,包括昆虫、蚯蚓、软体动物和线虫。

  长久以来,权威观点一直认为脊椎动物与棘皮动物关系密切。但最近,通过比较不同动物的DNA,研究者重建了演化的谱系树,看到了一些意想不到的结果。这些新结论向上述传统观点提出了质疑。同时,研究者还在一些原口动物中发现了原本被认为只出现于后口动物胚胎发育过程的特征。

  这些结果表明,棘皮动物是脊椎动物近亲的证据可能比长期以来认为的要弱。

  新发现带来新挑战

  DNA序列的变化记录了不同动物之间的关系。比较了整个动物王国的基因DNA序列,以重建动物的演化谱系树。

  为了确认DNA数据能否有力地支持脊椎动物和棘皮动物之间的密切关系,研究者研究了只存在于脊椎动物和棘皮动物中,但在其他动物中没有发现的DNA变化的数量。在这个过程中,任何共同特征的出现,都将是支持这一密切关系的证据。

  在研究者关注的大约5000个不同的基因中,对于其中的70%,原口分支能得到比后口分支更多的独特变化的支持。这意味着原口分支上动物的DNA有很多共有而区别于其他分支的变化,DNA证据有力地支持了这一点。相比之下,脊椎动物和棘皮动物的密切关系却没有充足的证据来证明,它们之间相同的特有DNA变化较少。

  接下来研究者尝试了脊椎动物、棘皮动物和原口动物的不同排列,并用3种方式分别构建演化树:第一种典型的后口树认为脊椎动物和棘皮动物是近亲;第二种演化树里的棘皮动物与原口动物的关系比与脊椎动物的更密切;最后一种的脊椎动物与原口动物的关系比与棘皮动物更密切。

  研究者发现对很多基因来说,并没有大量的DNA变化能够支持这3种演化树中的任何一种。在显示出明显倾向的基因分析中,只有略超过半数的基因显示,后口树成立的可能性比另外两种可能性更高。结果显示,脊椎动物、棘皮动物和原口动物这三个分支在很短的时间内就彼此分开了,因此DNA没有充足的时间形成大量变化。也就是说,现在很难判断与这些群体相关的这三种演化树中,哪一种才是正确的。

  两支后口动物演化速率慢

  为什么以往的大多数DNA研究都支持后口树,而新的实验却表明这种树与另外两种几乎没有区别?研究者想要知道,当不同的分支以不同的速度演化时,分析过程是否会更容易产生错误。

  为了找到答案,研究者利用计算机模拟了每个场景中DNA的演化过程,从一个代表祖先动物的随机合成的DNA序列开始。这三种演化树都显示,这个DNA序列可以通过积累变异实现演化。

  当研究者根据后口树进行模拟时,总能正确地构建这棵树;但在模拟其他两棵树的数据时,结果并不总是正确,错误不时会发生。当研究者增加不同群体演化速率的差异时,这种错误就愈发频繁。

  这一结果表明,在真实的DNA数据中可能存在错误,然而即使出现错误,研究者也能重建后口树。这一错误的原因可能是两支后口动物(脊椎动物和棘皮动物)的演化速率比其他分支慢。这使得它们彼此之间的相似度看起来比它们与原口动物的相似度更高,即便它们实际上并不是近亲。

  于是研究者得出结论:一个多世纪以来,教科书中脊椎动物和棘皮动物关系密切的观点可能是错误的。这个演化问题很难解决,并且脊椎动物与蜗牛和苍蝇的关系可能都比与海星的关系更为密切。

  (马克斯·特尔福德、帕斯查利亚·卡普利撰文,张乃欣翻译,据《环球科学》)

[ 责编:赵宇豪 ]
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