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使科学家重新思考动物的开端

2020-11-16 14:27 主页 来源:未知
使科学家重新思考动物的开端

编辑 | 湘蓉
 
栉水母是一种原始的海洋生物,在游动过程中,它们的梳状纤毛会折射光线。而生物学家对其不同寻常的的神经系统兴趣斐然,并开始由此重新思考动物的起源。
 
当惠特尼海洋实验室的神经科学家列昂尼德·莫罗兹首次开始研究栉水母时,他感到十分困惑。一般来说,原始的海洋生物具有神经细胞,负责控制触须的伸展和纤毛的闪光。但是那些神经元难以被观测到,常见的细胞染料对它们根本不起作用。
 
经过多年的研究,他逐渐理出了头绪。根据传统的生物进化论,神经元仅在数亿年前发生过一次进化,大概是在海绵从进化树上分支出来之后。但是莫罗兹认为,神经元的演化其实发生了两次:第一次与栉水母的祖先有关,它们的分支时间段与海绵差不多,第二次与普通水母的祖先有关,它们是人类等大多数动物的祖先。栉水母的神经系统非常与众不同,其化学递质与细胞结构与其他生物存在明显差异。莫罗兹说:“栉水母的基因组密码不仅与我们语法相异,甚至连字母表都大不相同。”
 
莫罗兹的理论提出之初,进化生物学家对此表示怀疑。他们认为,神经元是现存最复杂的细胞类型,能够捕获信息,进行计算并执行决策。正因它们如此复杂,所以两次演化的可能性并不大。
栉水母独立于其他动物进化出神经元
 
(Courtesy of Leonid Moroz)
 
但是,近期一项新的遗传学研究对莫罗兹这一想法提供了有力支持,这项研究发现,栉水母是最古老的从动物进化树上分支出来的生物,这说明它们的神经元很可能是独立进化的。
 
不同观点的激烈碰撞引发了学者们的浓厚兴趣。莫罗兹的发现不仅是对大脑起源和动物进化史的质疑,它还动摇了一个根深蒂固的观念,告诉我们进化不一定是一点点稳步向前的,生物的复杂性也不一定是逐代累积的结果。
 
首个分支
 
5.4亿年前,所有动物的共同祖先漫游在浩瀚的原始海洋中,物种大爆发蓄势待发,即将产生我们今天所见的丰富动物群。
 
长期以来,科学家一直认为海绵是第一种从动物进化树上分支出来的生物。它们是最简单的动物之一,缺乏高度分化的神经系统和消化系统,平时只依靠周围的水流来滤过食物和清除代谢废物。
 
后来,正如我们所知,其余的动物类群进化化成了栉水母(梳状水母)、刺胞动物(水母,珊瑚和海葵)、扁盘动物(一种简单的多细胞生物)以及两侧对称动物,这个分支就是从昆虫到人类之间一系列动物的始祖。
栉水母
 
但是,确定古生物的确切分支顺序是一个相当棘手的难题。我们难以预测数百万年前的动物究竟是什么模样,因为它们的柔软躯体几乎无法留下化石证据,仅有的标本也良莠不齐。
 
为了弥补对过去的无知,科学家正在尝试利用现存动物的形态学和遗传学知识来复原古生物的进化关系,但栉水母的活体研究是一个严峻的挑战。
 
人类对栉水母的基本生物学理论知之甚少。而且它们非常脆弱,一旦被捕入网中,会立即化为碎片。栉水母的培养极其困难,更不用说动物实验的开展了。
 
长期以来,人们认为栉水母与普通水母亲缘关系密切,因为它们有着相似的对称结构和凝胶外衣。然而,两种动物的运动和狩猎方式却有所不同:水母的触角带刺,而栉水母的触角粘性更大。实际在基因水平上,栉水母与完全没有神经系统的海绵更为接近。
 
在生物学领域中,基于形态学的进化分析能够帮助我们勾勒出进化树的基本结构,而基于基因组数据的分析结果可能与此大相径庭。这些分歧引发了学术界的激烈争论。
科学家们对神经元的起源也存在分歧
 
(Olena Shmahalo/Quanta magazine)
 
2008年就发生了一个这样的故事,当时惠特尼实验室的现任负责人马克·马丁代尔,哈佛大学的进化生物学家贡扎洛·吉里贝特和其他研究人员发表了一项研究,在分析了29种不同动物的基因序列并反复对比遗传数据之后,他们对现有的动物进化树提出了一系列质疑。
 
而其中争议最大的话题是,最古老的动物究竟是海绵还是栉水母?生物学家的传统观念认为,随着进化过程的推移,生物复杂性是不断增加的。按照这个逻辑,既然海绵看起来比栉水母更简单,其出现阶段也应该更早。马丁代尔和吉里贝特的遗传数据结果与上述假设背道而驰,但大多数学者对此新见解也持怀疑态度,马丁代尔更是自嘲成为了整个科学界的笑柄。
 
马丁代尔及其团队需要引用更多证据以支持自己的观点。他们说服美国国立卫生研究院对栉水母的基因组进行了测序。莫罗兹团队于2014年在《自然》杂志上发表了第二个栉水母基因序列。与2008年的文章相比,这两篇研究运用了更广泛的数据和更复杂的分析方法,是栉水母起源论强有力的论据。
 
由于新的证据相继出现,科学家们开始认真对待这个假说,尽管许多业内人士认为做出确凿断言的可靠数据依旧不够。这一观点在去年发表的一系列评论文章中得到了应证,其中许多文章认为栉水母并不是最古老的动物分支,这只是一种迷惑性的表象。
 
栉水母的进化过程比其他古动物更为快速,这意味着它们的基因序列可能经历了迅猛的变化。反过来,它们在进化树中的位置分析,也可能受制于一种被称为“长枝吸引效应”的计算伪影,这种假信号会让人类误以为快速进化的物种位于进化树底部。
 
德国欧洲分子生物学实验室的进化生物学家德特列夫·阿伦特说。“长支动物的分支位点一般很难界定,到目前为止,系统发育学的数据还不能完全确定栉水母的进化归属。”
 
科学家们希望获得更多数据,这将有助于我们探索动物进化树的最古老的分支,同时加深对人类对神经元及其起源的理解。德国马克斯·普朗克发育生物学研究所的生物学家加斯帕·杰凯利说:“明确动物分支顺序对神经系统进化的研究至关重要。”
 
然而,那些支持栉水母起源论的学者在神经元产生的问题上也意见各异。
 
思想的火花
Courtesy of Leonid Moroz
 
神经元的产生是动物进化史上的重要事件。这些细胞可以通过化学递质和电信号的方式进行细胞通信,包括信息的采集、传输和处理。而这种能力的根源在于贯穿身体的复杂神经网络。马丁代尔说:“一个巴掌拍不响,完整的神经元群才具有特定功能,可以完成许多单个细胞束手无策的工作。”
 
进化中的神经元建立了一种复杂的机制,不仅构造出了细胞间的物理连接,还使得它们具有了传输和解码信号的能力。马丁代尔认为:“大多数学者反对神经元二次演化假说的原因就在于其高度发达的信息交流和自我调节能力。”
 
根据莫罗兹对进化树的描述,动物从缺乏神经元的共同祖先开始进化。栉水母率先分支出来,并且进化出了一套独一无二的神经系统,这就是神经元的初次演化。随后,海绵和扁盘动物的祖先也分支出来了,但它们是没有神经元的。原始神经元在水母和两侧对称动物的祖先中发生了第二次进化,为人类等现代动物的神经系统构筑了地基。莫罗兹认为动物始祖是没有神经系统的,即使栉水母的分支在海绵之后,其神经元进化依旧是独立的过程。
 
然而其他支持栉水母起源论的学者却有着不同的见解。他们认为动物始祖本就有一套简单的神经系统,只是在海绵中退化消失了。而栉水母和包括人类祖先在内的两侧对称动物则进化出了一种全新的原始神经元,并逐渐形成了愈加复杂的神经系统。
栉水母
 
斯坦福大学的生物学家克里斯托弗·洛则认为栉水母起源论的确阐明了一些有趣的事实,而且以上两种假说都很有趣。一方面,导致神经元产生的遗传漂变概率极小,几乎不可能多次发生,这是神经元二次独立起源学说的疏漏所在。但是从另一个角度出发,如果说海绵退化失去了神经元这样来之不易的精妙结构,似乎也显得有些牵强。洛说:“在所有的双侧对称动物中,完全失去神经系统的唯一物种是寄生虫。”
 
这两种假说的对立其实反映了进化生物学家的经典难题:“动物究竟是失去了某种结构,还是压根就没拥有过?”在这个特例中,做出判断显得愈发艰难。
 
进化过程中不乏退化和平行演化的特例。蠕虫类生物就退化丢失了其他动物使用的调节分子和发育基因。趋同演化是指源自不同祖先的生物,由于相似的自然选择,整体或部分形态结构向着同一方向改变的现象。这种情况在自然界是相当普遍的,比如视网膜就独立进化了好几次。“有时不同的动物会用迥然相异的“工具包”来构建形态相似的神经元和大脑回路。” 莫罗兹说。“大部分人都接受视网膜的多次演化理论,但他们却固执地认为大脑和神经元只有过一次进化历史。”
 
莫罗兹神经元独立进化理论的主要依据是栉水母“特立独行”的神经系统。分子生物学家安德烈·科恩还说:“栉水母的神经系统与其他生物大相径庭。” 栉水母缺乏其他动物体内的常见的神经递质,如5-羟色胺,多巴胺和乙酰胆碱(但栉水母和其他生物共有谷氨酸盐类神经递质)。相反,它们的基因表达产物包含大量神经肽,神经肽是一类具有信使功能的小型蛋白质总称。这样的神经系统绝无仅有,只存于栉水母这一类生物中。
栉水母
 
但也有人对此表示怀疑。阿伦特说,可能栉水母也具有5-羟色胺和其他神经递质基因,它们只是进化得面目全非,导致人类无法辨认了而已。
 
各执己见的科学家们表示,只有获得更多的基因数据和栉水母生物学知识,人类才能做出明确的论断。即使栉水母与模式生物(例如小鼠和果蝇)共享某些相同基因,但它们的作用尚不清楚,而且科学家对其基本的细胞生物学理论也不甚了解。
 
激烈的争论掀起了科学界的栉水母研究热潮,越来越多的科学家正在走上解码其神经系统,发育进程和基因结构的道路。也有科学家说道,是莫罗兹团队照亮了进化树上从前被忽略的分支,这是一项伟大的进步。