Новое генеалогическое древо животных поднимает вопросы о происхождении нервной системы

Попросите кого-нибудь подумать о животном, и он, скорее всего, придумает одного из наших родственников млекопитающих. Некоторые люди зашли бы так далеко, что упомянули бы и других позвоночных, таких как птицы и рыбы. Но они едва касаются поверхности разнообразия животных, и такие вещи, как головоногие, насекомые и иглокожие, имеют разные черты.

И это до того, как вы доберетесь до действительно странных вещей, таких как радиально-симметричные полые объекты или губки, у которых отсутствуют мышцы и нервные клетки. Или гребенчатые желеобразные, которые передвигаются, вращая множество нитевидных ресничек. или Оддити — действительно странный ростДископодобные существа, у которых есть две стороны, но нет внутренней части, и они переваривают пищу на своей поверхности.

Для людей, которые склонны думать, что эволюция связана с увеличением сложности организмов, заманчиво представить, что генеалогическое древо животных возникло путем постепенного добавления новых элементов, таких как нервные клетки и мышцы. Но был постоянный поток генетических исследований, показывающих, что есть две отдельные линии, которые закончились нейронами. Результаты этих исследований мало зависели от генов и видов, выбранных для анализа. Но новое исследование, которое не опирается на отдельные гены, теперь твердо позиционирует губок как более близких родственников человека, чем некоторые другие животные с нервной системой.

перестраивает хромосомы

Большинство ранних исследований в этой области включали выявление родственных генов, присутствующих у всех животных, и изучение того, как эти гены связаны. Предполагается, что и сами организмы связаны таким же образом. Это может быть очень полезно во многих ситуациях, но анализ имеет тенденцию сбиваться с толку, когда многие виды расходятся за короткий период времени или когда отдельные гены сильно меняются из-за эволюционного давления. Поэтому точный ответ, который вы получите, иногда может зависеть от того, какие гены вы решите изучить.

Новое исследование пытается избежать путаницы, изучая, как гены расположены на хромосомах. Оказывается, отдельные гены имеют тенденцию оставаться в одном и том же месте на хромосоме в течение длительных периодов времени. Подсчитано, что требуется 40 миллионов лет, чтобы только один процент генов в типичном геноме животного был перенесен в новую хромосому. Так что шансы таковы, что если четыре гена сейчас рядом друг с другом, то они были рядом друг с другом у предков сегодняшних млекопитающих, которые должны были избежать быть съеденными динозаврами.

Это не означает, что у этих предков было точно такое же число и расположение хромосом. Происходят крупномасштабные перестройки, такие как слияние или расщепление хромосом или замена большого сегмента одной хромосомы на другую. Но эти большие перестройки удерживают почти все близлежащие гены рядом друг с другом, даже если вся сборка заканчивается на другой хромосоме (перестановки могут включать один разрыв в молекуле ДНК).

Это означает, что нарушение линейного расположения группы генов называется техническим. синтетический— очень редкий в эволюционной истории животных. И, отслеживая изменения в порядке генов у разных видов, мы можем узнать, где прежние комбинации генов в организме распались, и какие другие виды унаследовали ту же перестройку. И это может сказать нам, какие организмы наиболее тесно связаны с нами.

Отслеживание повторного заказа

Чтобы сделать этот тип анализа, вам нужно знать, как гены расположены в хромосомах. Недавно мы разработали технологию, позволяющую секвенировать очень длинные фрагменты ДНК — часто на десятки тысяч растянутых оснований, — что значительно упрощает сбор хромосом. Исследователи использовали столько же геномов животных, сколько было сделано, и завершили несколько собственных для исследования. Кроме того, они реконструировали хромосомы одноклеточных организмов, которые, как считается, были тесно связаны с животными, чтобы обеспечить основу для их исходного устройства.

Считается, что происхождение животных произошло примерно 800 миллионов лет назад. Следовательно, хотя распад генных кластеров происходит редко, этого времени достаточно, чтобы он произошел в большей части генома. Исследователи смогли идентифицировать только чуть менее 300 генов, которые находились в кластерах, распространявшихся на родственников одноклеточных животных, при этом самая большая группа включала 29 генов. Когда исследователи запустили 10 миллионов симуляций, в которых гены случайным образом собирали вместе с ожидаемой скоростью в течение 800 миллионов лет, они никогда не получали группу из восьми генов, поэтому большинство из них, вероятно, являются истинными наследственными случаями.

Отслеживая перестройки, исследователи смогли определить восемь перестроек, общих для правосторонних и левосторонних животных, таких как мы, позвоночные, а также для медуз (Cnidaria) и губок (Porifera). Ни один из них не был обнаружен у гребневиков (Ctenophora). Опять же, они провели 100 миллионов случайных симуляций и ни разу не увидели этот образец наследования, так что он кажется реальным.

Это означает, что такие животные, как мы, как позвоночные, наряду со всем остальным, что имеет левую и правую стороны, более тесно связаны с губками, чем мы с желеобразными. И это несмотря на то, что у губок нет ни мускулов, ни нервной системы, а гребневики делят нас всех вместе.

Как это могло быть правдой?

Помимо отсутствия нервов и мышц, губки необычны тем, что многие из них имеют внутреннюю минеральную структуру, немного напоминающую скелет. Многие из них используют для этого карбонат кальция, но некоторые виды делают его из кремнезема, который по химическому составу сильно отличается от того, что делают двуногие. У него также отсутствует что-либо вроде внутренней пищеварительной системы.

Но если они выглядят как странные родственники, Placozoans — дядя Festers в семействе животных. Они существуют в виде двустороннего диска, который скоординированно перемещается по поверхностям. Когда они проглатывают пищу, они просто образуют небольшой мешочек на нижней стороне диска и переваривают его на месте. Все это происходит без каких-либо явных нейронов или мышц, хотя есть сообщения о том, что они испытывают всплески электрической активности, которые у других животных являются отличительной чертой нейронов.

Опять же, эти скопления, по-видимому, более тесно связаны с нами, чем гребенчатые желе, которые содержат нервные сети и мышечные клетки.

Этому есть два возможных объяснения, и на данный момент их невозможно различить. Первая состоит в том, что у предков губок и плакозоев тоже были мышцы и нервные клетки, но они их утратили в ходе эволюции, что радикально облегчило планы их тел на протяжении сотен миллионов лет. Это идет вразрез с тем, как большинство людей ожидает, что эволюция будет работать, но есть много организмов, которые процветали благодаря обтекаемому строению тела (многие из них являются паразитами). Губки процветали в нише, которую они занимают. Placozoa также могут процветать, но они маленькие и их легко не заметить, поэтому у нас нет четкого понимания этого.

Альтернативой является то, что такие вещи, как мышцы и нервные клетки, эволюционировали дважды. Это может показаться невозможным, но есть несколько вещей, которые указывают в этом направлении. Во-первых, существуют значительные различия между нейронами и мышцами гребневиков и право- и левосторонних животных. Placozoans, как упоминалось выше, по-видимому, имеют нейроноподобное поведение, даже если у них нет нейронов. Многие белковые соединения, необходимые для функционирования нервных клеток, вырабатываются губками. Так что вполне возможно, что у предков всех этих животных были части, которые позволяли нейронам развиваться с меньшими изменениями, чем в противном случае.

Различение этих возможностей было бы серьезной проблемой, и маловероятно, что простой сбор большего количества последовательностей генома даст нам ответ. Вместо этого, возможно, нам нужно начать работу по культивированию гребневиков в лаборатории, чтобы мы могли поближе познакомиться с нейронами и мышцами.

Природа, 2023. DOI: 10.1038/с41586-023-05936-6 (о DOI).