Кто наш самый дальний родственник среди животных: губка или гребневик? Исследование даёт ответ

Теория эволюции показывает, что вся жизнь происходит от единого корня и что мы в той или иной степени родственны каждому живому существу на Земле. Наши ближайшие предки, как признавал Чарльз Дарвин, — человекообразные обезьяны. Но за пределами этого неясности в схеме ветвления древа жизни приводят к путанице.

Мы знаем, что жизнь эволюционировала от общего универсального предка, который дал начало бактериям, археям и эукариотам (включая многоклеточные организмы, такие как растения и животные). Но как выглядели первые животные? Последние десять лет вокруг этого вопроса велись особенно жаркие споры. Теперь наше новое исследование, опубликованное в Science Advances, даёт ответ.

Губка против гребневика

С XIX века и примерно до десяти лет назад существовал общий консенсус, что наши самые дальние родственники — губки. Губки настолько отличаются от большинства животных, что изначально были классифицированы как водоросли. Однако гены и другие черты современных губок, например, то, что они производят сперматозоиды, показывают, что они определённо являются животными. Их своеобразие и простота хорошо согласуются с идеей, что губки появились первыми.

Но за последнее десятилетие эта модель была оспорена рядом исследований, сравнивающих ДНК разных животных. Альтернативными кандидатами на роль наших самых дальних родственников среди животных являются гребневики: красивые, прозрачные, шарообразные животные, названные так из-за мерцающих рядов ресничек (гребней), которыми они бьют, чтобы двигаться в воде.

Гребневики поверхностно похожи на медуз и, как и они, обитают в море. Гребневики, несомненно, довольно далеки от людей, но, в отличие от губок, они разделяют с нами такие сложные черты, как нервные клетки, мышцы и кишечник. Если гребневики действительно наши самые дальние родственники, это подразумевает, что предок всех животных также обладал этими общими чертами. Более того, если первые животные имели эти важные признаки, то мы должны предположить, что губки когда-то имели их, но в конечном итоге утратили.

Восстановление эволюционного древа

Чтобы понять, как эволюционировали виды, учёные часто используют филогенетические деревья, где концы ветвей представляют виды, а точки разветвления — общего предка.

Как эволюционное древо с первым ответвлением губок, так и древо с первым ответвлением гребневиков были поддержаны разными исследованиями генов. Спор, казалось, привёл к трансатлантическому тупику: большинство европейцев предпочитают традиционный вариант «губки первые», а североамериканцы — новый вариант «гребневики первые».

Спор сводится к вопросу о том, как лучше анализировать обширные генетические данные, которые у нас теперь есть. Одна из возможностей, выдвинутая сторонниками «губки первые», заключается в том, что древо животных с первым ответвлением гребневиков является результатом ошибки. Проблема возникает, когда одна из изучаемых групп эволюционировала намного быстрее других. Быстро эволюционирующие группы часто выглядят так, как будто они существуют дольше. Гребневики — одна из таких групп. Может ли быстрая эволюция гребневиков вводить нас в заблуждение, заставляя думать, что они возникли в результате более раннего разделения, чем было на самом деле?

Вводят ли нас в заблуждение гребневики?

Мы подошли к этой проблеме по-новому — напрямую исследуя возможность того, что быстро эволюционирующие гребневики вводят нас в заблуждение. Мы хотели выяснить, могут ли неравные скорости эволюции, которые мы наблюдаем у этих животных, привести к неверному ответу.

Наш новый подход заключался в том, чтобы смоделировать на компьютере процесс эволюции ДНК. Мы начали со случайной синтетической последовательности ДНК, представляющей предковое животное. В компьютере мы позволили этой последовательности эволюционировать, накапливая мутации, в соответствии с двумя разными моделями: «губки первые» или «гребневики первые». Последовательности эволюционировали согласно схемам ветвления каждого дерева.

В итоге мы получили набор видов с последовательностями ДНК, которые связаны между собой способом, отражающим деревья, на которых они эволюционировали. Затем мы использовали каждый из этих синтетических наборов данных для реконструкции эволюционного дерева.

Мы обнаружили, что когда мы строили деревья, используя данные, смоделированные по модели «гребневики первые», мы всегда могли легко и правильно восстановить дерево. Это связано с тем, что смещение, вызванное их высокой скоростью изменений, фактически усиливало информацию от дерева — в данном случае также показывая, что они самая древняя ветвь. Тот факт, что информация о дереве и смещение указывают в одном направлении, гарантирует, что мы получим правильный результат. Короче говоря, если бы гребневики действительно были первой ветвью, в этом не было бы сомнений.

Однако, когда мы моделировали данные с губками в качестве первой ветви, мы очень часто восстанавливали неверное дерево, где первой ветвью оказывались гребневики. Очевидно, это дерево сложнее восстановить правильно, и причина в том, что информация о дереве (в данном случае показывающая, что губки — самая древняя ветвь) противоречит смещению, вызванному быстро эволюционирующими гребневиками (которое поддерживает модель «гребневики первые»).

Длинная ветвь, ведущая к гребневикам, действительно может заставить их казаться старше, чем они есть на самом деле, и именно эту трудность реконструкции дерева мы и наблюдаем с реальными данными.

Итак, кто же был первым? Вероятно, генетические анализы, предполагающие, что первыми были гребневики, могут страдать от того, что не учитывают смещение, из-за которого эти животные кажутся старше, чем они есть на самом деле. В конечном счёте, наша работа предполагает, что губки действительно являются нашими самыми дальними родственниками среди животных.