Кое е първото животно на планетата?
Най-близкият жив роднина на първото животно най-накрая е открит
Учени в дебат относно най-ранния предшественик на животните – свободно плуващо същество с добре развита нервна система.
Назад, назад в геоложкото време, преди около 600 милиона или 700 милиона години, първите животни са еволюирали на Земята. Техните най-близки роднини, които все още живеят днес, включват гъби, морски анемонии и гребенести. Но кое точно от тях е наистина най-близкият роднина на първите животни? Това остава един от най-спорните въпроси в еволюционната биология. Малко са вкаменелостите от тези ранни, меки животни. Тяхната история непременно е била мистерия и е било предизвикателство да се реконструира случилото се.
Проучване, публикувано на 17 май в Nature, разрешава връзките на тези ранни животни. Изследването разглежда хромозомите на гъби, гребенести, медузи и три близки едноклетъчни роднини на животните. Учените проследили модела на хромозомите в основата на животинското еволюционно дърво, което се счупва и слива заедно. Това помогнало да се установи, че гребенестите, по-официално известни като ктенофори, всъщност са най-близките роднини на първите животни. Екип от изследователи е събрал специалисти от Калифорнийския университет, Бъркли, Виенския университет. Както и Изследователския институт за аквариуми в Монтерей Бей и Калифорнийския университет, Санта Круз,
Възстановяване на историята
„Разбирането на тези най-дълбоки взаимоотношения в животинското дърво на живота е абсолютно критично. Критично е за възстановяването на историята на произхода и еволюцията на много от сложните черти. Най-много се интересуваме от неща като нервната система и животинската симетрия.“ Това казва Кейси Дън, еволюционен биолог от Йейлския университет.
Подразбиращото се предположение за повече от 100 години беше, че историята на еволюцията на животните до голяма степен е поетапно добавяне на сложни характеристики в животинската линия, обяснява Дън. Основното сред тези широко разпространени предположения беше, че гъбите са наистина примитивни, защото им липсват неврони и мускули. Това доведе до идеята, че те трябва да са се отделили от животинската линия преди възникването на невроните и мускулите. Гребеновите желета имат мускули и мрежа от неврони, така че се смяташе, че се разклоняват по-късно.
Първите геноми
Но още през 2008 г., въз основа на ранна информация от първите геноми на гъба, Дън и колегите му предположили, че желетата от гребенести са се разклонили преди гъбите. Изследователите открили, че описът на гените на тези животни не съответства на идеята, че гъбите са „моментна снимка на времето, преди тази машина да еволюира“, казва Дън. Гъбите вече са имали гени, които приличат на тези за невротрансмитери? може би те са били използвани за комуникация от клетка към клетка много преди еволюцията на невроните, с тяхната специализирана форма и функция.
След тази статия от 2008 г. се появиха десетки изследвания. Някои бяха в съответствие с резултата на Дън, а други го опровергаха. „Аз лично останах неутрален по отношение на този дебат.“ Това казва Полин Картрайт, еволюционен биолог от Университета на Канзас. Той допълва: „защото прилагането на едва доловими различни модели на еволюция за това как се развиват последователностите може да промени резултата. Което пък означава, че констатациите не са много стабилни по един или друг начин.
Преди повече от половин милиард години…
„Така че моето заключение беше, че това е много трудна задача.“, добавя Картрайт, който не е участвал в документа от 2008 г. или в новото проучване. „Част от причината, поради която е толкова предизвикателно, е, че разглеждаме нещо, което се е случило преди повече от половин милиард години. И не само, че се е случило преди половин милиард години, но вероятно се е случило сравнително бързо в геоложкото време. Така че няма много информация, за да се реконструират тези много древни събития. Също така, гребенестите са имали половин милиард години, за да претърпят собствена независима еволюция и имат различни характеристики, които са уникални за тяхната линия.
В статията на Nature екипът предприе нов, креативен подход за анализиране на геномите на тези ранни животни. В продължение на стотици милиони години генните последователности мутират толкова много, че всеки сигнал за родството на различни линии се измива. „Така че имаме нужда от нещо, което се развива много бавно и което можете да проследите.“ Обяснява Дан Рохсар, еволюционен геномик в U.C. Бъркли, който ръководи проучването. Вместо да разглежда промените в нуклеотидите (еднобуквени промени в ДНК), методът, разработен от Рохсар, заедно с Олег Симаков и Дарин Шулц, се фокусира върху по-мащабни характеристики в геномите: групи от гени в хромозомите.
Мутации
Тази техника се основава на проста идея. През еволюционното време редът на гените в една хромозома се разбърква чрез мутации. Например чрез инверсии, които обръщат реда на гените в една хромозома. Въпреки че техният ред може да се промени, гените на една хромозома образуват вид група на свързване. Те обикновено не се смесват с гени на други хромозоми. Но в редки случаи хромозомите могат да се счупят и слеят, което води до смесване на тези групи на свързване. Тези събития са достатъчно редки, за да е възможно да се проследят чак до произхода на първите животни.
Ключовото прозрение е, че сливането и смесването на хромозоми е толкова необратимо, колкото и смесването на мляко с чай. Така че изследователите заключили, че ако са наблюдавали събития на сливане със смесване, които са били споделени между две линии, тогава това събитие трябва да се е случило в общия прародител на тези две линии. Необратимостта на събитията на синтез и смесване ги прави особено подходящи за разрешаване на взаимоотношения в животинското дърво, които са устояли на по-конвенционалните методи.
За да изяснят връзките в основата на животинското дърво, изследователите събрали последователности от всяка хромозома за гребенестите желета Bolinopsis microptera, две дълбоководни гъби и три едноклетъчни роднини на животни: хоанофлагелат, ихтиоспорова и филастерова амеба. Те също така са използвали съществуващи геноми на хромозомни мащаби на книдарии (морски анемони, медузи и корали, наред с други), гъби и амфиокс. Или ланцетник – безгръбначно, което е много тясно свързано с гръбначните и е билатерално, животно с двустранна симетрия.
Сливане и смесване
От това богатство от геномни данни екипът открил четири събития на сливане и смесване, споделени от двустранни (амфиокс), медузи и гъби, но не и от ктенофори. Ако гъбите са се разклонили преди гребенестите, това би изисквало същите четири събития на сливане и смесване да са се случили независимо в две линии. Шансът за което е изключително малък… Констатациите на изследователите осигуряват силна подкрепа за идеята, че ктенофорите са се разклонили първи. „Този документ е коренна промяна в обсъждането на тези взаимоотношения и техните еволюционни последици“, казва Дън.
„Убеден съм, че изследователите са разрешили този дебат поради вида знаци, които използват.“, казва Картрайт. “Те имат много силни данни в подкрепа на ранните разминаващи се ктенофори.”
Добре розвита нерва система
Откритието означава, че предшественикът на всички животни, включително гъбите, вече е имал добре развита нервна система и вероятно е плувал свободно, добавя Картрайт. „Трябва да преосмислим функцията и структурата на ранния прародител на животните. Не е като обикновена гъба, но вероятно е било нещо много по-сложно.”, казва тя.
Друго следствие от откритията е, че гъбите са загубили много от елементите на правилната нервна система и мускулна система. Те са филтърни хранилки, прикрепени към дъното на океанското дъно. Елементите на нервната система в генома на гъбата може да не са толкова зачатъци на животинска нервна система, колкото останки от добре развита нервна система в предшественика, обяснява Картрайт.
Вместо еволюцията на животните да протича като постепенно нарастване на сложността, ясно е, че еволюционните загуби са част от историята. Също така става ясно, че ранните животни са развили необичайни характеристики на нервните клетки. Скорошни открития показват, че ктенофорите нямат синапси, малките връзки между невроните. Вместо това клетките на тяхната примитивна нервна система, известна като нервна мрежа, се сливат заедно, образувайки синцитиум. Това е “изцяло нов начин за изграждане на нервна система”, казва Дън. И въпреки че гъбите нямат неврони, те имат клетки с невронни характеристики, наречени невроидни клетки, в храносмилателната им система.
Един извод от това дълго търсене е, че с научаването на повече информация изследователите могат да открият, че нервната система на ранните животни е по-разнообразна и новаторска, отколкото можем да си представим в момента. “Сега имаме солидно дърво, на което да ги закрепим, предоставяйки своеобразна пътна карта за бъдещи открития относно еволюцията на основните характеристики на животните.”, категорични са учените.
