Egzotyczne stworzenia morskie rozświetlają świt królestwa zwierząt

Jedna z największych przemian w historii życia miała miejsce ponad 600 milionów lat temu, kiedy jednokomórkowy organizm dał początek pierwszym zwierzętom. Ze swoimi wielokomórkowymi ciałami zwierzęta ewoluowały w oszałamiającą gamę kształtów, takich jak 200-tonowe wieloryby, ptaki wznoszące się na sześć mil w niebo i pomocnicy szybujący po pustynnych wydmach.

Naukowcy od dawna zastanawiali się, jakie były pierwsze zwierzęta, w tym pytania dotyczące ich anatomii i sposobu, w jaki znajdowały pożywienie. W Stań Opublikowano w środę, naukowcy znaleźli kuszące odpowiedzi w mało znanej grupie galaretowatych stworzeń zwanych galaretkami grzebieniowymi. Podczas gdy pierwsze zwierzęta są nadal tajemnicą, naukowcy odkryli, że galaretki grzebieniowe należą do najgłębszej gałęzi drzewa genealogicznego zwierząt.

Debata na temat pochodzenia zwierząt trwa od dziesięcioleci. Początkowo naukowcy polegali głównie na zapisie kopalnym, aby uzyskać wskazówki. Najstarsze określone skamieniałości zwierząt pochodzą z ok 580 milionów lat, chociaż niektórzy badacze twierdzili, że znaleźli jeszcze starszą. Na przykład w 2021 roku kanadyjski paleontolog Elizabeth Turner zgłosiła odkrycie 890-milionowe skamieliny możliwych gąbek.

Ma sens, że gąbki są najstarszymi zwierzętami. To proste stworzenia, bez mięśni i układu nerwowego. Zakotwiczają się w dnie oceanu, gdzie filtrują wodę przez labirynt porów, zatrzymując kawałki jedzenia.

W rzeczywistości gąbki są tak proste, że może dziwić, że w ogóle są zwierzętami, ale ich struktura molekularna ujawnia ich pokrewieństwo. Wytwarzają pewne białka, takie jak kolagen, które wytwarzają tylko zwierzęta. Co więcej, ich DNA wskazuje, że są bliżej spokrewnieni ze zwierzętami niż z innymi formami życia.

Począwszy od lat 90., kiedy naukowcy zbierali DNA od większej liczby gatunków zwierząt, próbowali sporządzić mapę drzewa genealogicznego tych zwierząt. W niektórych badaniach gąbki trafiały na najgłębszą gałąź drzewa. W tym scenariuszu zwierzęta rozwinęły układ nerwowy dopiero po rozwidleniu gąbek.

Jednak na początku XXI wieku inni naukowcy doszli do zaskakująco odmiennych wniosków. Odkryli, że najgłębszą gałęzią fauny były cukierki-galaretki — cienkie, owalne stworzenia, które często wyrastają z charakterystycznego szeregu opalizujących pasm, które migoczą w ciemnościach głębin oceanu.

Wielu ekspertów niechętnie zaakceptowało ten wniosek, ponieważ oznaczało to, że ewolucja zwierząt była dziwniejsza, niż im się wydawało. Po pierwsze, żele grzebieniowe nie są tak proste jak gąbka. Mają układ nerwowy: sieć neuronów biegnących wokół ich ciała, które kontrolują ich mięśnie.

Aby rozwiązać debatę na temat galaretki, grzebienia i gąbki, naukowcy z całego świata zebrali DNA większej liczby gatunków zwierząt oceanicznych. Zamiast patrzeć na pojedyncze geny, naukowcy wymyślili, jak zsekwencjonować cały genom.

Ale potok nowych danych nie rozstrzygnął kontrowersji. Niektórzy naukowcy zmontowali drzewo, w którym gąbka była najgłębszą gałęzią, podczas gdy inni wycięli galaretkę z grzebienia.

Nowe badanie, opublikowane w czasopiśmie Nature, opiera się na nowej metodzie wykorzystania DNA do śledzenia ewolucji zwierząt.

W poprzednich badaniach naukowcy przyglądali się, jak określone mutacje pojawiają się w różnych gałęziach zwierząt. Mutacja może spowodować, że jedna litera genetyczna, znana jako podstawa, zostanie przekształcona w inną literę. Mutacja ta zostanie następnie odziedziczona przez potomków zwierzęcia.

Ale te mutacje mogą być niewiarygodnymi historycznymi markerami. Podstawa może przesuwać się z jednej litery na drugą, a miliony lat później z powrotem do pierwotnej litery. Alternatywnie ta sama podstawa może oznaczać tę samą literę w dwóch niepowiązanych rodowodach. Ten równoległy rozwój stwarza złudzenie, że te dwie linie rodowe są ze sobą blisko spokrewnione.

W nowym badaniu Darren Schultz, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Wiedeńskiego, i jego koledzy przyjrzeli się zamiast tego innym rodzajom zmian genetycznych. W rzadkich przypadkach duża część DNA jest przypadkowo krzyżowana z jednego chromosomu do drugiego.

Jest mało prawdopodobne, aby naukowcy dali się nabrać na tak ogromną mutację. Szanse na to, że dokładnie ten sam fragment DNA przemieści się dokładnie w to samo miejsce po raz drugi, są astronomicznie niskie. Niemożliwe jest również, aby ten kawałek powrócił dokładnie do miejsca, z którego pochodzi.

„To bezpośredni dowód, że coś się wydarzyło” – powiedział dr Schultz.

Jego zespół śledził ruchy materiału genetycznego w chromosomach dziewięciu zwierząt, wraz z trzema jednokomórkowymi krewnymi zwierząt. Znaleźli wiele fragmentów DNA dokładnie w tym samym miejscu w genomach gąbek i innych zwierząt. Ale te kawałki znajdowały się w innej pozycji w galaretkach grzebieniowych i ich jednokomórkowych zwierzęcych krewnych. To odkrycie doprowadziło dr Schultza i jego współpracowników do wniosku, że galaretki grzebieniowe najpierw oddzielają się od innych zwierząt.

„To nowe spojrzenie z nowym podejściem do problemu” – powiedział Antonis Rocas, biolog ewolucyjny z Vanderbilt University, który nie był zaangażowany w badania.

W badaniu z 2021 r. dr Rocas i współpracownicy poparli galaretkę grzebieniową. Powiedział, że nowa analiza dostarczyła mocnego potwierdzenia.

„Nauczyłem się nie mówić, że kontrowersje się skończyły” – powiedział dr Rocas. „Ale to rusza igłą”.

Badanie stwarza nowe i intrygujące możliwości, jak mógł wyglądać wspólny przodek żywych zwierząt. Jeśli galaretki grzebieniowe, wraz ze swoim układem nerwowym i mięśniami, były najgłębszą gałęzią drzewa zwierzęcego, być może wczesne zwierzęta nie były proste i podobne do gąbek. Mieli także układ nerwowy i mięśnie. Dopiero później gąbka zrezygnowała ze swojego układu nerwowego.

Dr Schultz ostrzega przed traktowaniem galaretek grzebieniowych jako żywych skamieniałości, które nie zmieniły się od zarania zwierząt. „Coś, co żyje dzisiaj, nie może być przodkiem czegoś, co żyje dzisiaj” – powiedział.

Zamiast tego naukowcy chcą teraz przeczesać galaretki, aby zobaczyć, jak podobne i różne są ich układy nerwowe od innych zwierząt. Niedawno Mike Keitelman, biolog komórkowy z Oxford Brookes University, wraz ze współpracownikami zamroził larwy galaretki grzebieniowej, aby mogły przyjrzeć się pod mikroskopem ich układowi nerwowemu. To, co zobaczyli, wprawiło ich w zakłopotanie.

W całym królestwie zwierząt neurony są zwykle oddzielone od siebie małymi szczelinami zwanymi synapsami. Mogą komunikować się przez lukę, uwalniając chemikalia.

Ale kiedy dr Kettleman i jej współpracownicy zaczęli badać neurony żelowe kości śródstopia, mieli trudności ze znalezieniem synaps między neuronami. „W tamtym momencie pomyśleliśmy:„ To jest ciekawe ”- powiedziała.

Ostatecznie nie udało im się znaleźć między nimi żadnych synaps. Zamiast tego śródręczno-paliczkowy układ nerwowy tworzy jedną ciągłą sieć.

Według dr Kettleman i jej współpracowników Zgłosiłem ich wyniki w zeszłym miesiącui spekulowali na inną możliwość pochodzenia zwierząt. Galaretki grzebieniowe mogły wyewoluować swój osobliwy układ nerwowy niezależnie od innych zwierząt, używając niektórych z tych samych elementów budulcowych.

Dr Kittelmann i jej współpracownicy badają teraz inne rodzaje galaretki grzebieniowej, aby sprawdzić, czy ten pomysł się utrzyma. Ale nie zdziwiliby się, gdyby znów zostali zaskoczeni. – Nie powinieneś niczego zakładać – powiedziała.