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最简单的动物揭示了隐藏的多样性

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第一个纯粹由遗传特征定义的动物属代表了动物分类和命名的新时代。人们对世界上最简单的动物知之甚少,甚至都没有为它提供一个普通的名字。由于粘附在玻璃器皿上,这个无定形的团状物被正式地称为“毛状斑点”。它只有几毫米宽,外形就像一个压扁了的三明治,上面一层保护着它的身体,最下面一层负责爬行,黏糊糊的填料将它们粘在一起。它没有器官,只有少量的细胞类型,因此它也十分无趣。

这些小斑点是毛毛虫——或者是它们本身?胎盘动物门中的所有动物都被认为属于同一物种。然而新的基因组分析表明,形态学上相同的生物至少属于两个属种中的两个物种。图片:Hans-Jürgen Osigus, ITZ Ecology and Evolution, Stiftung Tierrztliche Hochschule Hannover, Germany

德国路德维希马克西米利安大学进化生物学家迈克尔·埃特尔说:当我第一次听说有这个东西的时候,我就被它迷住了,因为它没有真正意义上的身体,它没有嘴巴,没有脊背,没有神经细胞等等。在花了4年的时间费力重建了这团细菌的基因组后,埃特尔可能比地球上任何人都更了解这种生物。值得一提的是,埃特尔对基因密码进行了足够的研究,以了解视觉检查未能揭示的内容。长期以来,生物学家们一直称毛状斑点为“神秘物种”,这种生物至少有两种,甚至可能多达12种;虽然有些在解剖学上结构完全相同,但从遗传学上来看却又截然不同。

这一发现开创了分类学的先河,也是第一次以纯粹的遗传学来定义动物属类。自18世纪50年代卡尔林奈提出现代分类学体系以来,几乎没有发生任何改变。该体系试图将不断蔓延的生命之树分成七个整齐的层次,赋予每个物种一个独特的标签。这个由两部分组成的科学名称(如智人)代表了贯穿这棵树的一条分支路径末端,从最粗壮的树枝直到最细树枝,按照界、属、种排列。这条路径显示出所有关于有机体与其他生物群体关系,至少在理论上是这样的。

德国路德维希马克西米利安大学的进化生物学家迈克尔·埃特尔领导了一项新的研究,这项研究鉴定了区分不同胎盘动物的遗传特征。图片:Manuela Schellenberger, Bavarian State Collection for Paleontology and Geology

自从1800年代末被发现以来,人们一直认为毛状斑点有非常特别的体型,并且它正式融入了原生动物门(“扁平动物”)将近半个世纪。门是一个海绵状生物独自占据的空间:门脊索动物门,从孔雀到鲸鱼到鳗鱼,遍布着超过65000种生物。生物学家一直怀疑胎盘动物隐藏着更多的多样性,2004年的发现更加证实了这一猜想。当时研究人员发现,来自不同个体的短序列看起来与来自不同家族的生物的短序列一样不同(一个层次有N个属)。

但是,对这两个胎盘动物的观察并没有达到公认的国际标准。美国国家海洋和大气管理局国家系统学实验室的动物学家艾伦柯林斯说:当时刚刚发现了基因差异,看着收集的动物,无法分辨出它们在形态上有何不同。为了完成柯林斯开始的工作,埃特尔和同事们决定放弃视觉方法,而是转向寻找定位胎盘动物基因组本身的特征。首先用柯林斯使用过的易于测序线粒体DNA绘制出该门的遗传领域。通过比较这种名为16S分子数据

美国国家海洋和大气管理局的动物学家艾伦·柯林斯在加利福尼亚海岸采集标本时,发现了胎盘动物门包含不止一个属的早期基因组的证据。图片:Courtesy of Allen Collins

特殊胎盘动物是标准菌株的最远房亲戚,该菌株的基因组在2008年就已经被完全测序。如果任何一个群体都能成为不同物种,这就是唯一的一个。接下来,埃特尔需要阅读、订购和解释构成变异基因组的8000多万个A、G、C和T核苷酸碱基。研究人员花了很长时间研究扁盘动物的基因组,当研究小组终于有了一个完整的基因组可供比较时,希望能从中找到差异,但当第一次看到分析结果时,真的不知所措。

四分之一的基因出现在错误位置,蛋白质平均差异近30%,在某些情况下差异高达80%。基因缺失了4%的远房亲戚基因,并且有自己独特的一部分基因。总体而言,胎盘动物的基因组与阿德海伦动物的基因组存在较大差异,就像人类的DNA与老鼠DNA差异那样大。埃特尔说:这真的很惊人。它们看起来一样基因组却相差甚远,那么这些基因变化会在哪些方面表现出来呢?加州大学河滨分校海洋生物学家霍莉比克说:尽管胎盘动物本身看起来像一个小胶球,但它的细胞可能在做一些非常复杂的事情。

图片:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine; Source: doi.org/10.1371/journal.pbio.2005359 fig 4

胎盘动物来自于微咸的红树林,那里温度和盐度的大幅波动需要身体灵活地产生化学反应。从生理学上讲,对于生物体来说,这是一件非常重要的事情。通过将胎盘动物的变异与其他门类群体间的平均遗传差异进行比较,德国研究小组得出结论:香港胎盘动物不仅是一个新物种,而且是一个新属。它甚至有资格成为动物树其他领域的一个新家族或新秩序,但为了保守起见,研究小组对比了水母属变异的标准。剩下的工作就是命名了,分类学需要具有识别特征,但不能区分生物是视觉上的还是遗传上相似。

所以研究小组在16S线粒体基因组中挑出了四个基因字母,这四个字母是唯一能够区分这两个谱系的标准。7月下旬,在同行评议和公共科学图书馆生物学的支持下,研究在生命地图上放置了一个新有机体。研究小组给他们的样本取名为Hoilungia,这是中国神话中一个变形龙王的属名,并且他们给收集到的物种命名为“hongkongensis”。基于基因组分类在原生动物和细菌世界中很常见,并且相对少数的隐秘动物物种是基于遗传学命名。将形态特征与遗传特征相融合的命名和重命名方式也越来越普遍。

但这是首次单独使用遗传性状来定义一个动物属,这些性状不受喙的大小或鳍数目等特征支持。路德维希·马西米兰大学植物学家苏珊·雷纳说:这些人做的这一切真是太棒了。研究人员希望他们的工作能够使未来基于遗传特征的命方式变得更加容易,这样就不会因为鹿角和鳍等吸引注意力的视觉特征而使分类受到偏见影响。而这些视觉特征可能无法准确反映群体之间的进化距离。埃特尔说:必须有第一个人为在基因组学基础上定义新的一般物种的权利而斗争,我们幸运地得到了认可。

尽管基因分类可能很精确,但它很可能涵盖了传统的区分动物的方法,而不是完全取代它们。即使是像线虫这样无法人工饲养的神秘动物,基因技术的应用也很有限。Bik说:对我来说,在一个线虫身上工作,永远不会有足够的从个体中分离出来的DNA来使用这些技术。但对于研究人员能够培育的神秘动物来说,基因测序可能是照亮进化树阴影部分的完美亮点。从分析H. hongkongensis基因组的过程中学到了很多,并正在预测下一个变种的测序。未来可能会出现几十个新物种,以后还会有更多,因为一直在取样。

博科园-科学科普|参考期刊文献 :《PLOS Biology》|文:Charlie Wood/Quanta magazine/Quanta Newsletter|DOI:doi.org/10.1371/journal.pbio.2005359

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