Генетическое исследование проливает свет на облик древнейших животных
Более века биологи пытались понять, какими были древнейшие животные, впервые появившиеся в океанах более полумиллиарда лет назад.
Среди современных примитивных животных учёные искали самую раннюю ветвь на древе жизни. Возможности постепенно сузились до двух групп: губок, которые всю взрослую жизнь проводят на одном месте, фильтруя пищу из воды, и гребневиков (ctenophores) — активных хищников.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные использовали новый подход, основанный на структуре хромосом, и получили окончательный ответ: первыми от общего древа животных отделились гребневики. Затем — губки, а после — диверсификация всех остальных животных, включая линию, ведущую к человеку.
Хотя гребневики отделились раньше губок, обе группы продолжали эволюционировать от общего предка. Изучение этих ранних ветвей помогает понять, как животные возникли и эволюционировали.
«Самый недавний общий предок всех животных, вероятно, жил 600 или 700 миллионов лет назад. Трудно понять, какими они были, потому что это были мягкотелые животные, не оставившие прямых окаменелостей. Но мы можем использовать сравнения между живыми животными, чтобы узнать об общих предках», — сказал Даниэль Роксар, соавтор исследования.
Понимание этих отношений поможет узнать, как эволюционировали ключевые черты животной биологии: нервная система, мышцы, пищеварительный тракт.
«Мы разработали новый способ заглянуть в самые истоки животной жизни. Это открытие заложит основу для лучшего понимания того, как животные эволюционировали», — сказал ведущий автор Даррин Шульц.
Спор на дереве жизни
Большинство знакомых животных (черви, мухи, моллюски, позвоночные) — билатерии. У них есть голова с мозгом, сквозной кишечник, мышцы и другие общие черты, которые уже эволюционировали к «кембрийскому взрыву» (~500 млн лет назад).
Другие настоящие животные, такие как медузы, губки и гребневики, имеют более простые планы строения. У них может не быть определённого мозга, нервной системы или мышц, но они сохраняют черты животной жизни (многоклеточность, развитие из оплодотворённой яйцеклетки).
Порядок, в котором эти линии ответвились от основного ствола древа жизни животных, оставался спорным. Филогенетические методы на основе последовательностей ДНК не давали однозначного ответа, была ли первой ветвью губки или гребневики.
«Результаты сложных исследований на основе последовательностей в основном разделились. Не было реальной конвергенции к окончательному ответу», — отметил Роксар.
Традиционно губки считались самой ранней ветвью из-за их примитивного вида (нет нервной системы, мышц). Альтернативный кандидат — гребневики, которые лишь отдалённо связаны с медузами и двигаются с помощью рядов биющих ресничек (гребных пластин).
Хромосомы приходят на помощь
Новое исследование опиралось на организацию генов в хромосомах. Ранее было показано, что хромосомы губок, медуз и других беспозвоночных несут схожие наборы генов, несмотря на более чем полмиллиарда лет независимой эволюции. Это позволило реконструировать хромосомы общего предка.
Однако структура хромосом гребневиков, определённая в 2021 году, выглядела очень иначе. Возник вопрос: это результат долгой независимой эволюции или признак более раннего ответвления?
Учёные секвенировали геномы ещё одного гребневика и губки, а также трёх одноклеточных не-животных: хоанофлагелляты, амёбы филастерии и ихтиоспоридии. Ключевым была информация о сцеплении генов на хромосоме.
«Дымящийся пистолет»
Сравнив хромосомы, исследователи обнаружили, что гребневики и не-животные имеют общие комбинации ген-хромосома. В то время как хромосомы губок и других животных были перестроены явно другим, отличным образом.
«Это был дымящийся пистолет. Мы обнаружили несколько перестроек, общих для губок и не-гребневиковых животных. Напротив, гребневики напоминали не-животных. Простейшее объяснение — гребневики ответвились до того, как произошли эти перестройки», — пояснил Роксар.
«Отпечатки этого древнего эволюционного события до сих пор присутствуют в геномах животных спустя сотни миллионов лет. Это исследование даёт нам контекст для понимания того, что делает животных животными», — сказал Шульц.
Выводы команды основаны на пяти наборах комбинаций ген-хромосома.
«Мы нашли реликт очень древнего хромосомного сигнала. Единственный способ, при котором альтернативная гипотеза «губки-первые» могла бы быть верной, — это если бы множественные конвергентные перестройки произошли независимо и у губок, и у не-гребневиковых животных, что очень маловероятно».