棘皮動(dòng)物和脊椎動(dòng)物的關(guān)系比你想象的要弱的多！

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在過(guò)去6億年里，人類(lèi)如何從最早的動(dòng)物進(jìn)化而來(lái)，這是一個(gè)令人著迷的問(wèn)題。從第一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)物祖先走到現(xiàn)代智人需要許多步驟，而在將它們拼湊起來(lái)之前，首先要知道的是我們與其他動(dòng)物群體的關(guān)系。

人類(lèi)族譜的許多方面都顯而易見(jiàn)。例如，很容易看出我們屬于類(lèi)人猿、靈長(zhǎng)類(lèi)和哺乳動(dòng)物。深入研究我們的歷史，甚至兩千多年前的亞里士多德都發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)、爬行動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)都擁有脊柱這一共同特征，所以它們被歸為一類(lèi)，也就是我們所說(shuō)的脊椎動(dòng)物。

脊椎動(dòng)物的起源深藏于地球動(dòng)物生命史之中，最早的脊椎動(dòng)物化石可以追溯到5億多年前。在過(guò)去150年中，許多關(guān)于它們各方面的研究都一直爭(zhēng)論不斷，因此想解開(kāi)這種古老關(guān)系非常困難。我們發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）的研究提供了一些新見(jiàn)解。

海星的親戚？

考慮到這些困難，人們可能會(huì)驚訝于科學(xué)界對(duì)誰(shuí)是脊椎動(dòng)物最親近的親戚這一問(wèn)題竟然一直存在共識(shí)。更出乎意料的是，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，與我們最接近的無(wú)脊椎動(dòng)物親戚是一個(gè)與脊椎動(dòng)物完全沒(méi)有相似之處的群體：棘皮動(dòng)物或“刺皮動(dòng)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(dòng)物學(xué)家首次提出這個(gè)觀點(diǎn)。Grobben研究了不同物種的最早的胚胎發(fā)育事件(胚胎的第一個(gè)細(xì)胞是如何分裂的，以及嘴巴最初是如何形成的)，從而將動(dòng)物王國(guó)的主要部分劃為兩大分支。他認(rèn)為，脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物屬于“后口動(dòng)物”，其他無(wú)脊椎動(dòng)物屬于原口動(dòng)物，包括昆蟲(chóng)、蚯蚓、軟體動(dòng)物和線蟲(chóng)。

這個(gè)關(guān)于脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物之間密切關(guān)系的權(quán)威觀點(diǎn)經(jīng)久不衰，但最近，我們通過(guò)比較動(dòng)物DNA，重建進(jìn)化的樹(shù)狀圖譜（下文簡(jiǎn)稱(chēng)樹(shù)），一些意想不到的研究結(jié)果浮出水面，對(duì)此觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。我們還在一些原口動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了原本認(rèn)為只出現(xiàn)于后口動(dòng)物胚胎發(fā)育中的特殊特征。

這些結(jié)果表明，棘皮動(dòng)物和脊椎動(dòng)物是近親的證據(jù)可能比長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為的要弱。

新發(fā)現(xiàn)

我們著手檢驗(yàn)證據(jù)。基因DNA序列的變化記錄了不同動(dòng)物之間的關(guān)系。我們用電腦比較了整個(gè)動(dòng)物王國(guó)的基因DNA序列，以重建動(dòng)物進(jìn)化樹(shù)。

為了確認(rèn)DNA數(shù)據(jù)能否有力支持脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物之間的密切關(guān)系，我們研究了只存在于脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物中，但在其他動(dòng)物中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的DNA變化數(shù)量。只要發(fā)現(xiàn)任何共同的特征，都將是支持密切關(guān)系的證據(jù)。

在5000個(gè)不同的基因中，大約有70%，原口分支能得到比后口分支更多的獨(dú)特變化支持。這意味著位于原口分支上的動(dòng)物，它們的DNA有很多相同但區(qū)別于其他分支的變化，DNA證據(jù)很好地支持了這點(diǎn)。相比之下，脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物的密切關(guān)系卻沒(méi)有充足的證據(jù)來(lái)證明，它們之間相同的特有DNA變化相對(duì)較少。

接下來(lái)我們嘗試了脊椎動(dòng)物、棘皮動(dòng)物和原口動(dòng)物的不同排列:第一種典型的后口樹(shù)認(rèn)為脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物是近親;第二種進(jìn)化樹(shù)里的棘皮動(dòng)物與原口動(dòng)物的關(guān)系比與脊椎動(dòng)物更密切;最后一種的脊椎動(dòng)物與原口動(dòng)物的關(guān)系比與棘皮動(dòng)物更密切。

我們發(fā)現(xiàn)對(duì)很多基因來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有大量的DNA變化能夠支持這三種樹(shù)中的任何一種。在顯示出明顯傾向的基因分析中，只有略超過(guò)半數(shù)的基因顯示出后口樹(shù)有更強(qiáng)于其他兩種可能性的證據(jù)。我們的結(jié)果顯示，脊椎動(dòng)物，棘皮動(dòng)物和原口動(dòng)物這三個(gè)分支在很短的時(shí)間內(nèi)就互相分開(kāi)了，這表明DNA沒(méi)有時(shí)間發(fā)生很多變化。也就是說(shuō)，現(xiàn)在很難判斷與這些群體相關(guān)的這三種樹(shù)哪一種是正確的。

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后口樹(shù)

盡管我們的實(shí)驗(yàn)表明這種樹(shù)與另兩種幾乎沒(méi)有區(qū)別，但為什么以前的大多數(shù)DNA研究都支持后口樹(shù)呢？我們想知道，當(dāng)不同的分支以不同的速度進(jìn)化時(shí)，分析是否容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

為了找到答案，我們用電腦根據(jù)每個(gè)場(chǎng)景模擬DNA的進(jìn)化過(guò)程。從一個(gè)代表祖先動(dòng)物的隨機(jī)合成的DNA序列開(kāi)始。這三種樹(shù)都顯示，該DNA序列可以通過(guò)積累變異實(shí)現(xiàn)進(jìn)化。

根據(jù)后口樹(shù)模擬數(shù)據(jù)時(shí)，我們總是正確地復(fù)制出了該樹(shù)；但在模擬其他兩棵樹(shù)的數(shù)據(jù)時(shí)，結(jié)果并不總是正確，有時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)我們?cè)龃蟛煌后w進(jìn)化速度的差異時(shí)，這種錯(cuò)誤就愈發(fā)頻繁。

這一結(jié)果表明，在真實(shí)的DNA數(shù)據(jù)中可能存在一個(gè)錯(cuò)誤，然而就算有錯(cuò)誤，我們也能重建后口樹(shù)。這一錯(cuò)誤的原因可能是兩個(gè)后口組（脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物）的進(jìn)化速度比其他組慢。這使它們彼此之間的相似度看起來(lái)比它們與原口動(dòng)物的相似度更高，即便它們實(shí)際上并不是近親。

于是我們得出結(jié)論：一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，教科書(shū)中脊椎動(dòng)物和棘皮動(dòng)物關(guān)系密切的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。我們已經(jīng)證明，這個(gè)進(jìn)化問(wèn)題很難解決，并且脊椎動(dòng)物與蝸牛和蒼蠅的關(guān)系可能都比與海星的關(guān)系更為密切。

撰文：Max Telford，倫敦大學(xué)學(xué)院動(dòng)物學(xué)教授；Paschalia Kapli，倫敦大學(xué)學(xué)院遺傳學(xué)、進(jìn)化與環(huán)境系研究員。

翻譯：張乃欣

來(lái)源：theconversation