一个挑战百年共识的新发现

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Max Telford（伦敦大学学院动物学教授）、Paschalia Kapli（伦敦大学学院遗传学研究员），编译：糖兽，题图来自：unsplash

一

科学中存在许多穷尽一切也难以尽数知晓的问题，比如一个与人类密切相关的谜题——智人的进化，便是如此。

人类是如何进化的？这是一则永远也说不完的故事，从首批最简单的动物进化到现代智人，中间经历了无数变化。一直以来，科学家都在试图尽可能地将变化的步骤一一拼凑，而识别这些步骤的一个关键点，就在于搞清楚我们与不同动物种群之间的关系。

有的关系是显而易见的，比如从生物分类学上看，人类属于脊椎动物亚门下的哺乳纲中的灵长目动物；而有的关系却非常微妙，识别它们的过程面临着许多天然的、固有的、难以绕开的困难。

有这样一个与脊椎动物有关的问题，它原本应该是微妙的、困难的、需要更多讨论的，但有趣的是人们从很久以前就对其达成了共识，这个问题便是——脊椎动物的最近亲缘究竟为何。1908年，奥地利动物学家Karl Grobben首次提出，与我们亲缘关系最近的非脊椎动物，是一个与脊椎动物没有任何重大相似之处的群体——棘皮动物（如海星、海参、海胆等）。自那时候起，这一观点便被广泛接受。

Grobben通过研究不同物种的早期胚胎发育事件（如胚胎的第一个细胞是如何分裂的、嘴巴是如何形成的等等），将双侧对称动物分成两大单源物种分支：脊椎动物和棘皮动物属于后口动物；其他动物，包括昆虫、软体动物、线虫等在内的无脊椎动物，则属于原口动物。

现在，一篇发表于《科学进展》上的新研究对这种观点进行了反驳，认为被宣扬了一个多世纪的脊椎动物和棘皮动物之间的密切关系——是错误的。新研究表明，判断究竟是什么拥有与脊椎动物相近的亲缘关系，是一个极难解决的进化问题。

二

近年来，科学家在比较动物的DNA序列以重建进化树之时，发现了一些让他们开始质疑脊椎动物与棘皮动物之间存在着密切亲缘关系这一观点的现象。此外，还有研究发现一些被认为是只有后口动物才有的独特的胚胎发育特征，也在一些原口动物物种中被发现。这些发现削弱了支持棘皮动物是脊椎动物的最近亲缘的证据。

在进化树中，出现在不同动物谱系中的DNA序列变化，记录了它们之间的关系。在新研究中，研究人员比较了动物王国中的许多基因的DNA序列。为了确定这些DNA数据是否真的能有效支持脊椎动物和棘皮动物之间的密切关系，他们决定寻找只存在于脊椎动物和棘皮动物中（而不存在于其他动物中）的DNA变化数量。如果能发现这样的共同特征，那么则是对脊椎动物和棘皮动物有着最近亲缘关系的强有力支持。

调查结果发现，约70%的原口动物拥有比后口动物更多的独有的DNA序列变化，这意味着原口动物这一分支上的动物的DNA序列有着更多的共有变化。也就是说，原口动物这一分支更好地得到了DNA证据的支持；而相比之下支持后口动物这一分支的证据则薄弱了许多，从DNA序列变化数量来看，脊椎动物和棘皮动物之间所共有的独特DNA变化相对较少，因此它们的亲缘关系很可能不如我们以为的那么密切。

接着，他们将脊椎动物、棘皮动物和原口动物在进化树中进行了不同的排列。第一棵进化树（后口树）就是被广泛接受的经典场景，人类为代表的脊椎动物与海星为代表的的棘皮动物有着密切的亲缘关系，都属于后口动物，以蜗牛为代表的的无脊椎动物为原口动物；第二棵进化树则是将棘皮动物和原口动物归为有着密切亲缘关系的一类，脊椎动物属于另一类；第三棵进化树将脊椎动物和原口动物归为一类，棘皮动物另属一类。

 三种可能的进化树。| 图片来源：Max Telford

结果表明，对于许多基因来说，并没有出现大量的DNA变化足以支持这三种场景中的任何一种。而对于那些能得出明显倾向于其中的某一种场景的基因来说，被广为接受的后口进化树只在非常少的情况下，才得到了强于另外两种进化树的证据的支持。

这样的结果意味着，脊椎动物、棘皮动物、原口动物，是三个在很短时间内分开的分支，因此它们没有足够的时间在DNA中积累很多变化。也就是说，对于现在的研究人员而言，已经很难分辨出三种进化树究竟其中哪一种才是正确的。从研究结果来看，后口进化树与另外两种几乎没有什么区别。

三

那么，为什么大多数之前的DNA研究都支持后口进化树结构？研究人员推测，是否是因为当不同的分支以不同速度发展时，分析结果更容易出现错误？

为了找到这个问题的答案，他们用计算机模拟了DNA的进化过程。模拟从一个随机合成的DNA序列开始，然后这种DNA可以根据这三棵不同的进化积累突变并进化。他们发现，当按照后口进化树模拟数据时，总是能正确地复现出后口进化树；而当他们按照另外两棵进化树进行模拟时，得到的结果并不总是能复现出正确的树——有时甚至还会错误地复现出后口进化树。尤其是当他们把不同群体的进化速率设置得不尽相同时，这种错误就尤为普遍。

研究人员认为，这样的结果意味着或许在真实的DNA数据中存在一个错误，能使结果总是重现后口进化树。这一错误可能是由于脊椎动物和棘皮动物的进化速度比其他动物更慢，因而与原口动物相比，它们看起来更加相似，而它们实际上可能并非近亲。

#参考来源：

https://theconversation.com/are-we-more-closely-related-to-starfish-or-insects-our-study-questions-100-years-of-consensus-157740 

https://advances.sciencemag.org/content/7/12/eabe2741

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Max Telford（伦敦大学学院动物学教授）、Paschalia Kapli（伦敦大学学院遗传学研究员）