生物研究：我們與海星或昆蟲更親近？


圖片來源：Pixabay
在過去6億年裏，人類如何從最早的動物進化而來，這是一個令人著迷的問題。從第一個簡單動物祖先走到現代智人需要許多步驟，而在將它們拚湊起來之前，首先要知道的是我們與其他動物群體的關係。
人類族譜的許多方麵都顯而易見。例如，很容易看出我們屬於類人猿、靈長類和哺乳動物。深入研究我們的曆史，甚至兩千多年前的亞裏士多德都發現，哺乳動物、鳥類、爬行動物、兩棲動物和魚類都擁有脊柱這一共同特征，所以它們被歸為一類，也就是我們所說的脊椎動物。
脊椎動物的起源深藏於地球動物生命史之中，最早的脊椎動物化石可以追溯到5億多年前。在過去150年中，許多關於它們各方麵的研究都一直爭論不斷，因此想解開這種古老關係非常困難。我們發表於《科學進展》（Science Advances）的研究提供了一些新見解。
海星的親戚？
考慮到這些困難，人們可能會驚訝於科學界對誰是脊椎動物最親近的親戚這一問題竟然一直存在共識。更出乎意料的是，一個多世紀以來的普遍觀點認為，與我們最接近的無脊椎動物親戚是一個與脊椎動物完全沒有相似之處的群體：棘皮動物或“刺皮動物”，包括海星、海參和海膽。


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1908年，一位名叫Karl Grobben的奧地利動物學家首次提出這個觀點。Grobben研究了不同物種的最早的胚胎發育事件(胚胎的第一個細胞是如何分裂的，以及嘴巴最初是如何形成的)，從而將動物王國的主要部分劃為兩大分支。他認為，脊椎動物和棘皮動物屬於“後口動物”，其他無脊椎動物屬於原口動物，包括昆蟲、蚯蚓、軟體動物和線蟲。
這個關於脊椎動物和棘皮動物之間密切關係的權威觀點經久不衰，但最近，我們通過比較動物DNA，重建進化的樹狀圖譜（下文簡稱樹），一些意想不到的研究結果浮出水麵，對此觀點提出了質疑。我們還在一些原口動物中發現了原本認為隻出現於後口動物胚胎發育中的特殊特征。
這些結果表明，棘皮動物和脊椎動物是近親的證據可能比長期以來認為的要弱。
新發現
我們著手檢驗證據。基因DNA序列的變化記錄了不同動物之間的關係。我們用電腦比較了整個動物王國的基因DNA序列，以重建動物進化樹。
為了確認DNA數據能否有力支持脊椎動物和棘皮動物之間的密切關係，我們研究了隻存在於脊椎動物和棘皮動物中，但在其他動物中沒有發現的DNA變化數量。隻要發現任何共同的特征，都將是支持密切關係的證據。
在5000個不同的基因中，大約有70%，原口分支能得到比後口分支更多的獨特變化支持。這意味著位於原口分支上的動物，它們的DNA有很多相同但區別於其他分支的變化，DNA證據很好地支持了這點。相比之下，脊椎動物和棘皮動物的密切關係卻沒有充足的證據來證明，它們之間相同的特有DNA變化相對較少。
接下來我們嚐試了脊椎動物、棘皮動物和原口動物的不同排列:第一種典型的後口樹認為脊椎動物和棘皮動物是近親;第二種進化樹裏的棘皮動物與原口動物的關係比與脊椎動物更密切;最後一種的脊椎動物與原口動物的關係比與棘皮動物更密切。
我們發現對很多基因來說，並沒有大量的DNA變化能夠支持這三種樹中的任何一種。在顯示出明顯傾向的基因分析中，隻有略超過半數的基因顯示出後口樹有更強於其他兩種可能性的證據。我們的結果顯示，脊椎動物，棘皮動物和原口動物這三個分支在很短的時間內就互相分開了，這表明DNA沒有時間發生很多變化。也就是說，現在很難判斷與這些群體相關的這三種樹哪一種是正確的。


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後口樹
盡管我們的實驗表明這種樹與另兩種幾乎沒有區別，但為什麽以前的大多數DNA研究都支持後口樹呢？我們想知道，當不同的分支以不同的速度進化時，分析是否容易出現錯誤。
為了找到答案，我們用電腦根據每個場景模擬DNA的進化過程。從一個代表祖先動物的隨機合成的DNA序列開始。這三種樹都顯示，該DNA序列可以通過積累變異實現進化。
根據後口樹模擬數據時，我們總是正確地複製出了該樹；但在模擬其他兩棵樹的數據時，結果並不總是正確，有時會發生錯誤。當我們增大不同群體進化速度的差異時，這種錯誤就愈發頻繁。
這一結果表明，在真實的DNA數據中可能存在一個錯誤，然而就算有錯誤，我們也能重建後口樹。這一錯誤的原因可能是兩個後口組（脊椎動物和棘皮動物）的進化速度比其他組慢。這使它們彼此之間的相似度看起來比它們與原口動物的相似度更高，即便它們實際上並不是近親。
於是我們得出結論：一個多世紀以來，教科書中脊椎動物和棘皮動物關係密切的觀點是錯誤的。我們已經證明，這個進化問題很難解決，並且脊椎動物與蝸牛和蒼蠅的關係可能都比與海星的關係更為密切。
撰文：Max Telford，倫敦大學學院動物學教授；Paschalia Kapli，倫敦大學學院遺傳學、進化與環境係研究員。
翻譯：張乃欣
審校：曾小歡
引進來源：theconversation


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