Представьте себе огромное, ветвистое древо жизни, уходящее корнями в глубокое прошлое. Где-то у самого его основания, там, где от общего ствола отделилась ветвь животных, таится одна из величайших загадок эволюционной биологии. Кто был первым? Кто стал той самой «сестринской» группой для всех остальных животных, включая нас с вами?
Долгое время на эту роль было два главных кандидата. С одной стороны — скромные губки. Примитивные, без нервов, мышц и чётких органов, они казались идеальным «нулевым вариантом», с которого и началась вся сложность животного мира. С другой — гребневики, или ктенофоры. Эти студенистые, похожие на медуз существа, переливающиеся всеми цветами радуги, куда сложнее: у них есть нервная система, мышцы и хищнические повадки.
Гребневик — общий предок всех животных (да, нас с вами тоже)
Автор: by Derek Keats, CC BY 2.0Источник: www.flickr.com
И вот тут-то и начиналась главная интрига. Если первыми были губки, история эволюции выглядит логично и просто: от простого к сложному. Но если первыми были гребневики… всё становится гораздо запутаннее.
Запутанное дело о первом животном
Десятилетиями учёные пытались разрешить этот спор. Они сравнивали анатомию, изучали ископаемые останки, анализировали последовательности генов. Но чем больше данных появлялось, тем больше становилось путаницы. Разные методы давали противоречивые результаты. Генетические данные были настолько древними и «зашумлёнными», что их интерпретация сильно зависела от выбранной математической модели. Научное сообщество зашло в тупик.
Морская губка
Автор: By Nhobgood (talk) Nick HobgoodИсточник: commons.wikimedia.org
А ведь вопрос-то не праздный. От ответа на него зависит, как мы понимаем эволюцию самых фундаментальных вещей. Например, нервной системы.
Сценарий «губка первая»: У общего предка животных не было нейронов. Губки отделились, сохранив эту простоту. А уже потом у предка всех остальных животных (включая гребневиков и нас) появилась нервная система. Красивая, последовательная история.
Сценарий «гребневик первый»: У общего предка животных была нервная система. Гребневики её унаследовали. Но тогда получается, что губки, отделившись позже, её… потеряли? Или, что ещё более невероятно, нервная система возникала в ходе эволюции дважды, независимо друг от друга: один раз у гребневиков, а второй — у предка всех остальных?
Оба варианта второго сценария звучат почти фантастически. Эволюция редко избавляется от таких сложных и полезных приобретений, как нервы. А уж двойное их изобретение — это событие исключительной редкости. Честно говоря, требовались совершенно новые, неопровержимые улики.
Новая улика: генетический «адрес» на хромосомах
И такая улика нашлась. Группа учёных под руководством Дэррина Шульца, Олега Симакова и Дэниела Роксара решила посмотреть на проблему под совершенно другим углом. Вместо того чтобы сравнивать сами гены, они решили изучить их расположение.
a, Две альтернативные филогенетические гипотезы многоклеточных, согласно которым сестринской группой по отношению ко всем остальным животным являются либо гребневики (слева), либо губки (справа). b, c, Образцы видов, геномы которых представлены в данной работе. Масштабные линейки, 1 см. b, Лопастной гребневик B. microptera из залива Монтерей, Калифорния. c, Неописанная демоспонгия из кладоризид, собранная у побережья Биг-Сур, Калифорния, на глубине 3975 м. d, Ленточная диаграмма, показывающая консервативные синтении среди животных (α ≤ 0.05, односторонний тест перестановки с поправкой на частоту ложных открытий), включая (сверху вниз) два гребневика (B. microptera (BMI) и H. californensis); медузу R. esculentum; билатерального ланцетника B. floridae; и две демоспонгии (E. muelleri и кладоризидную демоспонгию). Каждая горизонтальная черная полоса представляет собой хромосому. Вертикальные линии между видами представляют ортологичные гены, окрашенные в соответствии с группами синтении BCnS¹². Показаны только те группы генов, которые имеют значимо консервативное сцепление на уровне хромосом (синтению) между видами многоклеточных. Между двумя гребневиками наблюдается обширная консервативная хромосомная синтения 1:1, что согласуется с консервативным кариотипом гребневиков. Пары ортологичных генов у двух гребневиков, которые не участвуют в консервативных синтениях с BCnS, показаны серым цветом. Цитирование: Schultz, D.T., Haddock, S.H.D., Bredeson, J.V. et al. Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals. Nature 618, 110-117 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05936-6
Позвольте объяснить. Гены в наших клетках — это не просто хаотичный набор инструкций. Они аккуратно «упакованы» в хромосомы. Можно представить себе гены как книги, а хромосомы — как книжные полки. На протяжении миллионов лет эволюции с этими полками могут происходить разные события: полки могут сливаться в одну большую, ломаться на части, а книги на них — перемешиваться.
Так вот, учёные сосредоточились на одном типе событий — слиянии двух «полок» с последующим полным перемешиванием «книг». Почему именно на нём? А потому что это, по сути, необратимый процесс. Представьте, что вы взяли содержимое двух разных шкафов, свалили всё в одну кучу и перемешали. Какова вероятность, что, разбирая эту кучу, вы случайно вернёте всё в исходное состояние, разложив по двум первоначальным шкафам? Практически нулевая.
Такое «слияние с перемешиванием» — это уникальная эволюционная подпись, почти как отпечаток пальца. Если у двух разных групп организмов мы находим одни и те же слившиеся и перемешанные хромосомы, это железный довод в пользу их близкого родства.
a, Строки соответствуют видам, рассматриваемым в нашем анализе. Верхние три строки — это немнoгоклеточные внешние группы (outgroups). В столбцах показаны пары филогенетически информативных и статистически значимых по размеру синтений многоклеточных (α ≤ 0.05, односторонний перестановочный тест с поправкой на частоту ложных открытий), обозначенные в соответствии с их названиями BCnS (A1a, C1 и так далее) с суффиксом _x или _y, который указывает на подгруппы, общие для многоклеточных. Количество генов, участвующих в каждой группе синтении многоклеточных, указано в красных и синих прямоугольниках в верхней части каждого столбца. Здесь показаны только гены с определёнными ортологами во внешних группах. На Extended Data Fig. 8 показан более крупный набор генов, для которого требуются только ортологи среди многоклеточных. Вставка: условные обозначения для представления распределения генов на хромосомах (вверху слева). Серые прямоугольники представляют хромосомы (или крупные скаффолды у пластинчатого животного Trichoplax). Номер хромосомы или название скаффолда расположены над или слева от серого прямоугольника. Красные и синие вертикальные штрихи представляют относительное положение генов, участвующих в филогенетически информативных парах групп синтении многоклеточных. b, Наиболее парсимоничная филогения в соответствии с логикой Fig. 2c-g (Extended Data Fig. 4 и Supplementary Information 4), результатами ref ¹² и принятой монофилией демоспонгий. Цитирование: Schultz, D.T., Haddock, S.H.D., Bredeson, J.V. et al. Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals. Nature 618, 110-117 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05936-6
Чтобы найти эти древние «отпечатки», исследователи проделали колоссальную работу. Они полностью расшифровали геномы гребневика, двух морских губок и, что крайне важно, трёх одноклеточных организмов — наших дальних родственников, которые не являются животными. Эти одноклеточные выступили в роли «контрольной группы», показав, как выглядели «книжные полки» до появления животных.
a, Байесовский филогенетический анализ консервативных синтений подтверждает монофилию группы, объединяющей демоспонгий, Cnidaria и Bilateria, за исключением Ctenophora, с высокой апостериорной вероятностью (красная стрелка: 1.0, 100 000 поколений с 25% burn-in). Байесовский анализ проводился как для ограниченных (показано дерево с ограничениями на уровне типов), так и для неограниченных топологий дерева (Supplementary Information 14 и Supplementary Data 6). Эта панель соответствует Supplementary Fig. 14.1c. b, Эволюционные переходы признаков, затрагивающие ALGs C1, F, L и N на Fig. 3, наиболее парсимонично интерпретируются как слияние со смешиванием на стволе Myriazoa после дивергенции от гребневиков, которые сохраняют предковое состояние многоклеточных, выведенное из сравнения с внешними группами. c, d, Интерпретация наблюдаемых паттернов в рамках альтернативной гипотезы сестринского положения губок потребовала бы маловероятных конвергентных хромосомных изменений (либо конвергентных слияний (c), либо точного разделения (unmixing) и разрывов (fissions) до предкового состояния (d)), которые не наблюдались в наших геномах. e, Число генов в симуляциях с перемешиванием генома (n = 1 x 10⁸), подтверждающих гипотезу сестринского положения гребневиков (верхняя) или губок (нижняя). Для гребневика Hormiphora число событий слияния со смешиванием значительно выше в наблюдаемых геномах (вертикальные красные столбцы), чем в симуляциях с перемешиванием генома Hormiphora (вертикальные серые столбцы гистограммы). Статистическая значимость показана как односторонняя частота ложных открытий, α, в перестановочном тесте с перемешиванием генома. Не было обнаружено групп генов, которые бы поддерживали гипотезу сестринского положения губок в реальных геномах, и ни одной такой группы не возникло в симуляциях с перемешиванием генома. f, Дополнительные статистические показатели также подтверждают только гипотезу сестринского положения гребневиков (cteno.) в симуляциях с перемешиванием геномов Hormiphora, Capsaspora (COW), Salpingoeca (SRO), Ephydatia (EMU) и Rhopilema. PI ALG, филогенетически информативные группы сцепления. Форма обозначает обработку; цвет — внешнюю группу. Полный рисунок показан в Extended Data Fig. 10. g, Сводка филогенетических взаимоотношений между животными и близкими внешними группами, включая синтенные признаки. Myriazoa (подчеркнуто) — это название, предложенное для клады, содержащей всех ныне живущих животных, за исключением Ctenophora. Топология внешних групп соответствует работе [49]. Цитирование: Schultz, D.T., Haddock, S.H.D., Bredeson, J.V. et al. Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals. Nature 618, 110-117 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05936-6
Выяснилось, что у гребневиков и у одноклеточных «кузенов» гены расположены по-старому, в исходной, древней конфигурации. Их «книжные полки» остались нетронутыми.
А вот у губок, медуз, насекомых и людей обнаружились одни и те же уникальные «слияния с перемешиванием». Несколько древних хромосом, которые у гребневиков существуют по отдельности, у всех остальных животных оказались объединены и перемешаны.
Вердикт был однозначным. Губки находятся в одной эволюционной «команде» с нами, а гребневики — нет. Это значит, что именно гребневики отделились от общего древа первыми.
a.-d. Перемешивание одного из геномов перед сравнением COW-HCA-EMU-RES показывает, что перестроенное состояние генома гребневика, не говоря уже о других видах в анализе, не может объяснить сигнал, подтверждающий гипотезу сестринского положения гребневиков (вертикальные красные линии). e.-h. Симуляции с перемешиванием, использующие SRO в качестве внешней группы, независимо подтверждают гипотезу сестринского положения гребневиков. i. содержит условные обозначения для интерпретации панелей a-h. Цитирование: Schultz, D.T., Haddock, S.H.D., Bredeson, J.V. et al. Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals. Nature 618, 110-117 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05936-6
Это открытие не просто разрешает старый спор — оно заставляет нас по-новому взглянуть на всю раннюю историю животных. Теперь мы можем с уверенностью сказать: первой отделилась ветвь гребневиков. А уже потом от оставшегося ствола пошли все остальные, включая губок.
Для этой огромной группы — «все животные, кроме гребневиков» — учёные даже предложили новое название: Myriazoa (от греческих слов myria — «мириады, бесчисленное множество» и zoa — «животные»).
И что же это значит для нас и для нашего понимания эволюции? Мы снова возвращаемся к вопросу о нервной системе. Теперь, когда место гребневиков на древе жизни определено, гипотеза об их первичности становится основной. А это значит, что мы стоим перед удивительным выбором:
Либо мы должны принять, что губки в ходе эволюции пошли по пути радикального упрощения и полностью утратили нервную систему, которая была у их предков.
Либо нервные клетки и синапсы — основа работы мозга — были «изобретены» эволюцией как минимум дважды.
Какая из этих версий верна, покажут будущие исследования. Но одно ясно уже сейчас: благодаря генетическим детективам и их новому методу одна из самых больших загадок биологии стала гораздо яснее. История животных оказалась ещё более странной и удивительной, чем мы могли себе представить.
Изображение в превью:
Автор: by Derek Keats, CC BY 2.0
Источник: www.flickr.com
