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动物是如何从单细胞,变幻出30多种不同的形态?

2018-9-21 14:04| 发布者: admin| 查看: 665| 评论: 0|来自: 广州桑拿网

摘要: 三叶虫化石。三叶虫是化石记录中最早出现的动物群体之中。| 图片来源:Jakob Vinther, University of Bristol  来源:原理(ID:principle1687)  “当这一行星按照固定的引力法则持续运行时,无数最美丽也最奇 ...

 三叶虫化石。三叶虫是化石记录中最早出现的动物群体之中。| 图片来源:Jakob Vinther, University of Bristol

  来源:原理(ID:principle1687)

  “当这一行星按照固定的引力法则持续运行时,无数最美丽也最奇异的类型,即是从如此简单的开端进化而来、并依然在进化之中。”

  这是达尔文在《物种起源》一书中写下的话。动物的起源和进化是现代生物学中最值得探究的问题之一。我们知道,如今存活于世的各种各样的动物,都是从单细胞的祖先进化而来的。我们也知道,这种转变很可能与地球的环境、生物与环境间的相互作用以及生物的遗传物质(基因组)的变化有关。

  但我们不知道动物身形的多样性,即达尔文所描述的“无穷无尽的最美丽、最奇妙的形式”,是迅速出现于第一批动物生命形态后,还是在进化过程中的很久以后才出现。为了解决这个问题,一组来自英国和美国的进化生物学家,在科学期刊《美国国家科学院院刊》上发表了一篇美丽而精彩的论文。

  论文作者运用复杂的统计方法进行了大量的动物解剖分析。他们的结果显示,大多数动物群体在很早的时候就达到了解剖学多样性的顶峰,但在少数例子下,存在解剖学多样性在后来仍有增加的情况。同时,他们还发现了最有可能导致这些变异规律的原因。

  动物有很多不同的解剖学部位,每个部位的形态和形状都具有很大的差异。例如,昆虫有一个头和六条腿,而海葵(无脊椎动物)没有。这些特征的组合被称为“躯体模式(bodyplan)”,这一概念通常被用于将不同动物归类为同一(phylum)。现代的门类例子包括节肢动物(蜘蛛、蜈蚣、甲壳纲动物、昆虫等)、脊索动物(脊椎动物和一些无脊椎动物)、软体动物(蜗牛、章鱼等)和环节动物(蚯蚓和水蛭等)。

  现如今,动物的门类超过30种,其中一部分显示出具有比另一部分更大的形式范围(称为“差异”)。例如,脊索动物就包括有像鱼和猴子这样完全不同的动物,而蛔虫(线虫门)的差异就没有这么大,它们看起来几乎都一样。

  研究人员想要解决这些存在于群体之间和群体内部的这种差异是如何进化的。他们从210种动物群体中收集了近2000个解剖特征的解剖数据,在每个门中都对多个群类进行了取样。然后,他们用最前沿的统计数据方法对它们的解剖相似性进行了分析,从而得到了一张分类图,其中每个群用一个点表示,而点与点之间的距离与它们所代表的群的解剖相似性成正比。

根据多样性绘制的动物种群图。| 图片来源:Philip Donoghue根据多样性绘制的动物种群图。| 图片来源:Philip Donoghue

  他们的研究结果表明,每个门中的不同群都在这张图上齐整地聚集在了一起,正如由它们共有的躯体模式所预期的那样。例如,在这张图上,蜘蛛更接近昆虫和其他节肢动物,而鱼更接近哺乳动物和其他脊索动物。一个门的成员所占领的地图区域,显示了这一门在解剖学上的多样性,其中脊椎动物和节肢动物的面积最大。

  值得一提的是,大多数门类都在动物起源之后不久就达到了它们的差异水平,除了四门例外:节肢动物、脊索动物、软体动物和环节动物的差异水平仍保持了继续扩大,它们有一些成员在进化过程中从水里过渡到了陆地上。迁移到陆地之后的它们面临了新的挑战,使得进化出了新的身体部位。

  更重要的是,这些生物门类之间具有非常大的差异,它们在地图上显示出有很大的空白区域。但当向分析中加入已灭绝的物种化石后,不同门类之间的差距就缩小了。这表明早期的动物与它们如今的样貌并没有多么不同。动物的早期进化探索了许多不同的解剖学可能性,但是一些躯体模式的灭绝放大了它们的不同。

  最后,研究人员试图找出动物的差异性与其他生物特征之间是否存在联系。他们发现一个门所具有的差异越大,那么细胞类型的数量、体型和物种数量就越大。

  此外,这还与基因组的大小有关,但与基因组中的蛋白质编码基因的数量无关。我们知道,基因组的某些部分是用于调节人体蛋白质的工作时间和位置,而不是制造蛋白质本身的。这篇论文的作者认为,如果差异性的程度与动物门类的基因组大小有关,而与门类中的基因数量无关,那么这就意味着基因调节在动物多样性中所发挥的作用比新基因的出现更大。

  这项研究为动物起源描绘了一幅新的图景,其中大多数动物门类在早期就探索了它们的解剖多样性,但是从水中到陆地的过渡导致一些门类出现在了地图的新区域中。动物原本是同族的,而我们看到的现代差异是因为一些中间种群的灭绝而产生的结果。

  所有的这些差异性都与基因调节的进化密切相关。更多的解剖数据、更多的化石,以及对基因调节的进一步研究,将对我们进一步理解动物们无穷无尽的最美丽与最奇妙的形态至关重要。


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