Główny problem w filogenezie zwierząt wydaje się być rozwiązany

Sekwencjonowanie DNA wykazało, że są to albo żebropławy, albo gąbki (najczęstszy kandydat), ale bardzo trudno było zdecydować między nimi, ponieważ minęło tyle czasu, odkąd przodkowie współczesnych gąbek i żebropławów oddzielili się od innych grup – 700 -800 milionów lat – że nagromadziło się zbyt wiele zmian DNA, aby umożliwić solidne rozwiązanie oparte na DNA. (DNA jest obecnie najlepszym sposobem na rozwiązanie problemu tych drzew.) Co kilka lat ktoś próbuje stworzyć kolejną filogenezę zwierząt opartą na DNA, a grupa zewnętrzna/siostrzana ciągle się zmienia między gąbkami a żebropławami.

Dlaczego jest to ważne pytanie? Nie chodzi tylko o ciekawość, odpowiedź ma znaczenie dla ważnego faktu: podobnie jak wszystkie inne zwierzęta z wyjątkiem gąbek, żebropławy mają nerwy i mięśnie. Wydaje się to wskazywać, że żebropławy są zgrupowane z innymi zwierzętami, podczas gdy gąbki wcześnie odgałęziły się, a następnie nerwy i mięśnie wyewoluowały u przodka wszystkich innych zwierząt. To przekonało wielu, że gąbki są grupą zewnętrzną. Z drugiej strony, gdyby żebropławy były siostrzaną grupą zewnętrzną, która rozgałęziła się jako pierwsza, postawiłoby nas to przed zagadką: dlaczego gąbki są jedynym wyjątkiem, pozbawionym nerwów i mięśni, wśród wszystkich innych zwierząt? Oto dwie możliwości dla grup zewnętrznych, z „N&M” pokazującym, gdzie ewoluowały nerwy i mięśnie. (Wstawiłem kropki i materiał dotyczący „N&M”.)

A. Żebropławy jako grupa zewnętrzna: przodkowie WSZYSTKICH zwierząt miały nerwy i mięśnie, ale gąbki je utraciły.

Lub

B. Gąbki jako grupa zewnętrzna: nerwy i mięśnie wyewoluowały po tym, jak przodek gąbek oddzielił się od przodka wszystkich innych zwierząt. (Nie jest wymagana utrata już wyewoluowanych cech.)

Lewa strona pokazuje literę „A”, gdzie wspólny przodek wszystkich zwierząt ma nerwy i mięśnie, ale potem zostały one utracone przez przodka żywych gąbek. Prawa strona pokazuje możliwość „B”, z przodkiem wszystkich żywych zwierząt (czerwona kropka) pozbawionym nerwów i mięśni, które pojawiły się później u wspólnego przodka wszystkich żywych zwierząt po tym, jak ten przodek oddzielił się od przodka gąbek.

Jak widać, „A” zakłada dwa zdarzenia ewolucyjne: ewolucję nerwów i mięśni u przodka wszystkich żyjących zwierząt, a następnie ich utratę w linii gąbki, podczas gdy „B” zakłada ewolucję nerwów i mięśni tylko raz: u przodka wszystkich zwierząt niegąbczastych.

Jeśli jednak ma miejsce „A”, można założyć inny scenariusz, w którym żebropławy niezależnie od innych grup zwierząt wyewoluowały nerwy i mięśnie, podczas gdy przodkowie wszystkich zwierząt ich nie mieli.

Poniższy diagram pokazuje wspólnego przodka wszystkich zwierząt (czerwona kropka) pozbawionego nerwów i mięśni, które niezależnie od siebie wyewoluowały dwukrotnie: w żebropławach, a następnie także w innych grupach, które później oddzieliły się od wspólnego przodka z gąbkami. Tak więc, jeśli A jest poprawne, a żebropławy są grupą zewnętrzną, nadal istnieją dwa wyjaśnienia obecności nerwów/mięśni u zwierząt: albo były u przodka wszystkich żywych zwierząt, a następnie zaginęły u przodka gąbek, albo nie występują u zwierzęcego przodka, ale następnie ewoluowały dwukrotnie niezależnie od siebie (N&M pokazuje, gdzie nastąpiła ewolucja). Jak widać, jeśli przodek zaznaczony czerwoną kropką nie miał nerwów i mięśni, ale mają je wszystkie współczesne zwierzęta oprócz gąbek, ORAZ jeśli żebropławy były grupą siostrzaną, to nerwy i mięśnie musiały ewoluować dwukrotnie LUB (jak widać powyżej), posiadały je wszystkie wczesne zwierzęta, ale utracił je przodek gąbek. Tak więc lewa strona powyższego diagramu LUB poniższy diagram pokazują dwie możliwości ewolucyjne, w których występują mięśnie i nerwy.

Właśnie dlatego rozwiązanie problemu grupy zewnętrznej jest ważne: prowadzi do różnych hipotez dotyczących tego, jak działała ewolucja. Tak więc możliwościami są: A z grupą zewnętrzną żebropławów, gdzie nerwy i mięśnie albo zostały utracone w gąbkach, albo ewoluowały dwukrotnie niezależnie; lub B, z grupą zewnętrzną gąbek, w którym to przypadku nerwy i mięśnie wyewoluowały tylko raz — u wspólnego przodka wszystkich innych zwierząt. Ponieważ dla wielu „B” wydaje się bardziej oszczędne, taki był scenariusz konsensusu.

Ale teraz konsensus wydaje się błędny: nowe dane pokazują całkiem przekonująco, że żebropławy wydają się być grupą zewnętrzną, a gąbki są bliżej spokrewnione ze wszystkimi innymi żywymi zwierzętami niż żebropławy. Można o tym przeczytać, klikając na link pod  zrzutem z ekranu lub przechodząc do pliku pdf tutaj (odnośnik na dole).

Analiza była bardzo sprytna. Zamiast po prostu patrzeć na duże ilości DNA u zwierząt, przyjrzeli się kolejności sekwencji DNA (genów) na chromosomach. W ciągu ostatnich 800 milionów lat to DNA zostało przetasowane, gdy chromosomy się zlewały się lub fragmenty chromosomów poluzowały i przykleiły do innych chromosomów (translokacje). W obu przypadkach fragmenty DNA są następnie tasowane między chromosomami i na danym chromosomie przez inwersje.

Daje nam to sposób, by zobaczyć, które grupy przeszły unikalne fuzje/translokacje i zdarzenia tasowania, ponieważ gdy ma to miejsce u wspólnego przodka, jest mało prawdopodobne, aby zostało to cofnięte przez odwrócenie wszystkich procesów, które prowadziły do dzisiejszego uporządkowania genów. Tak więc, jeśli zobaczymy grupę zwierząt, które mają wspólny porządek genów inny niż w innej linii rodowej, możemy być prawie pewni, że ta grupa jest bliżej spokrewniona ze sobą niż z inną linią.

I to właśnie zrobili autorzy: nie tylko zsekwencjonowali lub pobrali sekwencje z całych genomów wszystkich powyższych linii zwierzęcych (w tym dwóch gatunków żebropławów), ale uporządkowali geny wzdłuż chromosomów. Nie tylko przyjrzeli się wszystkim liniom rodowym zwierząt, ale także grupom jednokomórkowców, które są mniej spokrewnione ze zwierzętami, takimi jak ameby i wiciowce kołnierzykowe (nie są one uważane za „zwierzęta”, ale ich przodkowie są uważani za grupy zewnętrzne w stosunku do wszystkich żywych zwierząt).

Wyniki były dość jednoznaczne: znaleźli kilka fragmentów DNA, które były wspólne dla jednokomórkowych krewnych i żebropławów, ale także cztery uporządkowane fragmenty genów, które były wspólne dla wszystkich żywych zwierząt wielokomórkowych z wyjątkiem żebropławów. Oznacza to, że gąbki dzieliły fragmenty genów z kręgowcami, parzydełkowcami i płaskowcami, ale te fragmenty znajdowały się w zupełnie innych miejscach w żebropławach.

Wniosek: te fragmenty znalazły swoje wspólne położenie u współczesnych zwierząt po tym, jak już oddzieliły się od przodka współczesnych żebropławów. Żebropławy są zatem grupą zewnętrzną i jesteśmy z nimi mniej spokrewnieni niż z gąbkami. Scenariusz A powyżej jest prawidłowy. (Trzy grupy na górze poniższego diagramu to jednokomórkowe organizmy niezwierzęce, daleko spokrewnione ze zwierzętami). Jak widać, żebropławy oddzieliły się od wszystkich innych żyjących zwierząt przed jakąkolwiek inną grupą zwierząt, co czyni, że są mniej spokrewnione ze współczesnymi zwierzętami niż gąbki.

Ta analiza może być błędna, ale biorąc pod uwagę nieodwracalność wielokrotnego przenoszenia fragmentów genów, wspólne fragmenty genów na chromosomach prawie na pewno oznaczają wspólne pochodzenie. Jestem więc całkiem przekonany, że ten artykuł rozwiązał długotrwałe kontrowersje dotyczące „grupy zewnętrznej” wszystkich zwierząt.

Ale to pozostawia nas oczywiście z dwoma pytaniami. Czy przodek wszystkich żywych zwierząt miał mięśnie i nerwy, a gąbki po prostu je straciły, czy też nerwy i mięśnie ewoluowały dwukrotnie niezależnie od siebie?

Do każdego z nich dołączona jest inna łamigłówka. Pierwszą z nich jest to: dlaczego gąbki miały złożony i wysoce rozwinięty zestaw cech do wyczuwania środowiska i poruszania się, ale potem go utraciły? Drugi jest jeszcze bardziej zagadkowy: w jaki sposób tak złożone cechy mogły ewoluować dwukrotnie niezależnie od siebie?

Chociaż wiemy, że najlepsze informacje, jakie mamy, to scenariusz „A” powyżej, nie wiemy, czy gąbki straciły swoje oprzyrządowanie, czy też to oprzyrządowanie wyewoluowało dwukrotnie i niezależnie. Autorzy artykułu nie omawiają tego, ale w artykule Carla Zimmera w „New York Times” na temat tej pracy pisze on o wskazówce, że nerwy i mięśnie mogły ewoluować niezależnie u żebropławów i u wszystkich innych zwierząt, które je mają:

Zamiast tego naukowcy przyglądają się teraz żebropławom, żeby zobaczyć, jak podobne i różne od innych zwierząt są ich układy nerwowe. Niedawno Maike Kittelmann, biolożka komórkowa z Oxford Brookes University, wraz z współpracownikami zamroziła larwy żebropławów, by zdobyć mikroskopowy obraz  ich układu nerwowego. To, co zobaczyli, wprawiło ich w zdumienie.

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

Kiedy jednak dr Kittelmann i jej współpracownicy zaczęli badać neurony żebropławów, mieli trudności ze znalezieniem synaps między neuronami. „W tym momencie pomyśleliśmy: ‘To jest dziwne’ ”- powiedziała.

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

Kiedy dr Kittelmann i jej współpracownicy  zgłosili swoje odkrycia w zeszłym miesiącu, rozważali jeszcze jedną możliwość pochodzenia zwierząt. Żebropławy mogły wyewoluować swój własny dziwny układ nerwowy niezależnie od innych zwierząt, używając niektórych z tych samych elementów budulcowych.

Dr Kittelmann i jej współpracownicy badają teraz inne gatunki żebropławów, by sprawdzić, czy ten pomysł się utrzyma. Ale nie będą zdziwieni, że znów coś ich zaskoczy. „Nie można niczego zakładać” – powiedziała.

Oznacza to, że istnieją różnice między nerwami żebropławów i wszystkich innych zwierząt posiadających nerwy: wydaje się, że te pierwsze nie mają synaps. Sugeruje to, że nerwy mogły ewoluować niezależnie i podążać dwiema drogami, z których jedna nie miała przerwy (synaps) między nerwami. Jeśli chodzi o mięśnie, ani artykuł, ani Zimmer nie zajmują się tym, czy istnieją jakieś fundamentalne różnice między strukturą mięśni lub ich działaniem między żebropławami z jednej strony, a wszystkimi innymi zwierzętami posiadającymi mięśnie z drugiej.

Jak zwykle, prawdopodobnie rozwiązaliśmy jedną kwestię ewolucyjną, ale pojawiło się kilka innych. Ludzie będą teraz poświęcać więcej uwagi nerwom i mięśniom zwierząt.

Jak powiedział jeden z moich przyjaciół, który wykłada podstawy biologii na dużym uniwersytecie: „Cóż, chyba będę musiał zrewidować swoje notatki z wykładów. Od lat powtarzam studentom, że chociaż grupa zewnętrzna wszystkich zwierząt nie jest pewna, najprawdopodobniej są to gąbki”.

Oto żebropław pokazany w Wikipedii. To naprawdę fajne zwierzęta, a jeśli chcesz zobaczyć ich kilka, udaj się do Monterey Aquarium w Kalifornii, gdzie mają hipnotyzujący pokaz:

Schultz, D.T., Haddock, S.H.D., Bredeson, J.V. et al. 2023. Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-023-05936-6

Link do oryginału: https://whyevolutionistrue.com/2023/05/21/a-major-problem-in-animal-phylogeny-seems-to-have-been-solved/

Why Evolution Is True, 21 maja 2023

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska