Когда карикатурист и учитель морской биологии Стив Хилленбург создал Губку Боба Квадратные Штаны в 1999 году, он, возможно, поддержал неправильную сторону одного из самых давних споров в области эволюционной биологии.
В течение последнего десятилетия зоологи бились над вопросом: «Какая ветвь генеалогического древа животных была самой старой?» Были ли это губки, как они долго думали, или это был совершенно другой набор существ, нежные морские хищники, называемые гребенчатыми желе? Ответ на этот вопрос может сильно повлиять на представление ученых о том, как развивалась нервная система, пищеварительный тракт и другие основные органы современных животных.
Теперь группа биологов-эволюционистов из Университета Вандербильта и Университета Висконсин-Мэдисон разработала новый подход, разработанный специально для решения таких спорных вопросов филогенетического древа жизни, как этот. Новый подход полностью на стороне гребенчатых желе.
Метод и его применение к этому и 17 другим противоречивым филогенетическим отношениям были опубликованы в Интернете 10 апреля в журнале Nature Ecology & Evolution в статье под названием «Разрешение спорных отношений в филогеномных исследованиях может быть обусловлено одним или горстка генов."
В течение почти столетия ученые составляли генеалогическое древо животных, в значительной степени основываясь на своих суждениях об относительной сложности различных организмов. Из-за своей сравнительной простоты губки считались самыми ранними представителями линии животных. Эта парадигма начала меняться, когда революция в геномике начала давать огромное количество информации о ДНК все большего числа видов. Биологи-эволюционисты начали применять это богатство информации для уточнения и переопределения эволюционных отношений, создав новую область под названием филогеномика. В большинстве случаев данные ДНК помогли прояснить эти отношения. Однако в ряде случаев это порождало споры, которые усиливались по мере накопления все большего количества данных.
В 2008 году одно из ранних филогеномных исследований выявило гребневиков (также известных как гребневики) как самых ранних представителей животного мира, а не губок. Это вызвало непрекращающиеся споры, поскольку последний раунд представляет собой масштабное исследование, опубликованное в прошлом месяце, в котором собран беспрецедентный массив генетических данных, подтверждающих положение губок как первого ответвления животных.
Существующий метод, который ученые используют в филогеномных исследованиях, состоит в том, чтобы собрать большое количество генетических данных, проанализировать данные, построить набор взаимосвязей, а затем утверждать, что их выводы верны благодаря различным усовершенствованиям, которые они сделали в своих исследованиях. анализ», - сказал Антонис Рокас, профессор биологических наук Корнелиуса Вандербильта, который разработал новый подход вместе с докторантом Вандербильта Син-Синг Шеном и доцентом Крисом Тоддом Хиттингером из Университета Висконсин-Мэдисон.«Это сработало очень хорошо в 95 процентах случаев, но привело к явно непримиримым различиям в оставшихся 5 процентах».
Рокас и его сотрудники решили сосредоточиться на 18 из этих спорных взаимосвязей (семь из животных, пять из растений и шесть из грибов) в попытке выяснить, почему исследования дали такие сильно противоречивые результаты. Чтобы сделать это, они углубились в сорняки, говоря генетически, и начали сравнивать отдельные гены ведущих претендентов в каждых отношениях.
«В этих анализах мы используем только те гены, которые являются общими для всех организмов», - сказал Рокас. «Хитрость заключается в том, чтобы изучить последовательности генов разных организмов, чтобы выяснить, кого они идентифицируют как своих ближайших родственников. Когда вы смотрите на конкретный ген в организме, назовем его А, мы спрашиваем, наиболее ли он связан со своим аналогом. в организме B? Или к своему аналогу в организме C? И насколько?"
Эти анализы обычно включают от сотен до тысяч генов. Исследователи определили, насколько каждый ген поддерживает одну гипотезу (сначала гребенчатые желе) по сравнению с другой (сначала губки). Они назвали полученную разницу «филогенетическим сигналом». Правильная гипотеза - это та, в пользу которой неизменно благоприятствуют филогенетические сигналы от большинства генов.
Таким образом они определили, что гребенчатые медузы имеют значительно больше генов, которые поддерживают их статус «первых дивергенций» в линии животных, чем губки..
Еще один спорный вопрос, который затронули исследователи, заключался в том, являются ли крокодилы более тесно связанными с птицами или черепахами. Они обнаружили, что 74 процента общих генов подтверждают гипотезу о том, что крокодилы и черепахи являются сестринскими линиями, а птицы - близкими родственниками.
В ходе своего исследования они также обнаружили, что в ряде спорных случаев один или два «сильно самоуверенных гена» среди всех анализируемых генов, по-видимому, вызывают проблему, потому что статистические методы, используемые биологами-эволюционистами, которые употребляли, очень восприимчивы к их влиянию.
В некоторых случаях, таких как споры о происхождении цветковых растений и современных птиц, они определили, что удаление даже одного самоуверенного гена может изменить результаты анализа от одного кандидата к другому. В таких случаях исследователи были вынуждены сделать вывод, что имеющихся данных либо недостаточно для подтверждения окончательного вывода, либо они указывают на то, что диверсификация произошла слишком быстро, чтобы ее можно было решить..
"Мы считаем, что наш подход может помочь решить многие из этих давних противоречий и поднять игру филогенетической реконструкции на новый уровень", - сказал Рокас.