18.12.2015

Сравнительная геномика вынуждает пересмотреть место гребневиков на эволюционном древе животных

Проведенные в 2013–2014 годах исследования полных геномов гребневиков привели ряд ученых к выводу, что эта ветвь многоклеточных животных является самой древней — сестринской по отношению ко всем остальным животным без исключения. Поскольку у гребневиков есть хорошо развитая нервная система, можно предположить, что она возникла независимо от нервных систем других животных (стрекающих и билатерий). Однако сейчас другая группа исследователей заново обработала генетические данные и пришла к выводу, что самая древняя ветвь животных, вероятнее всего, — губки.

Гребневики (Ctenophora) — группа животных, положение которой на эволюционном древе в последние годы стало темой активнейших исследований. Что в них такого интересного? Конечно, гребневики — существа примечательные, но вопросу об их родственных связях придается большое значение в основном потому, что он является частью куда более широкой проблемы. Как устроен «нижний этаж» эволюционного древа животных в целом? С чего начиналась эволюция животного мира? Ясно, что важность таких вопросов для зоологии трудно переоценить.

Сейчас в этой области отчетливо противостоят друг другу две гипотезы. Первую, традиционную, можно назвать гипотезой «первичности губок». Согласно ей, сестринской группой по отношению ко всем остальным животным являются губки (Porifera) — существа, всегда ведущие во взрослом состоянии прикрепленный образ жизни и почти лишенные активной подвижности. Гипотеза «первичности губок» предполагает, что общий предок всех многоклеточных животных был достаточно простым организмом, скорее всего сидячим, и не имел ни нервной системы, ни рта, ни кишечной полости.

Вторую гипотезу, более новую, можно назвать гипотезой «первичности гребневиков». Согласно ей, сестринской группой по отношению ко всем остальным являются уже упомянутые гребневики (Ctenophora). Иными словами, эта гипотеза означает, что все животное царство делится на две эволюционные ветви: к первой принадлежат гребневики и только они, а ко второй — губки, пластинчатые, стрекающие и билатерии. Причем эта вторая ветвь не имеет ни одного морфологического признака, который был бы присущ всем входящим в нее крупным группам. Возможно, как раз поэтому она еще не получила названия. Представлять себе общего предка этой ветви можно как угодно, данные о нем у нас в любом случае лишь самые косвенные.

То же самое можно сказать и про общего предка всех многоклеточных животных. Он мог быть похожим на гребневиков (а это активно передвигающиеся хищники с довольно сложным поведением). Но мог быть и очень простым существом, даже не многоклеточным, а колониальным. Гипотеза «первичности гребневиков» оставляет открытыми все варианты. А главное, она делает неизбежными допущения о неоднократных приобретениях или потерях ряда структур (например, нервных клеток) — в любом случае, какую интерпретацию ни выбери. Для сторонников кладистики, практически запрещающей гипотезы о повторном появлении одних и тех же признаков, это очень болезненно.

Гипотеза «первичности гребневиков» основана почти исключительно на результатах молекулярной филогенетики, сравнивающей последовательности геномов. Но можно ли считать эти результаты абсолютно незыблемыми? Конечно нет. Совсем недавно датчанин Клаус Нильсен и его коллеги указали на несколько спорных моментов, относящихся именно к методам молекулярно-филогенетических построений. Неудивительно, что еще одна группа ученых решила проверить новое эволюционное древо на прочность.

В эту группу вошло несколько известных генетиков, например работающий в Англии итальянец Давид Пизани (Davide Pisani), а также французы Эрве Филипп (Herve Philippe) и Николя Лартилло (Nicolas Lartillot). Особенно примечательно, что их статья опубликована под редакцией Нила Шубина (Neil Shubin) — крупнейшего специалиста по эволюционной биологии развития и автора двух книг, переведенных на русский язык («Внутренняя рыба» и «Вселенная внутри нас»). Нил Шубин не является профессиональным филогенетиком (по крайней мере, это не основная область его исследований), но, поставив на титуле статьи свое имя, он, видимо, как бы выражает солидарность с ее авторами.

Очевидно, что любое эволюционное древо — это не прямо данная нам в ощущениях реальность, а продукт умственной работы ученых. Его построение — сложная многоэтапная процедура, которую исследователь проводит по методикам, выбранным им самим (хотя и с помощью компьютера, конечно). Вот тут-то и открывается простор для искажений, вызванных человеческим разумом.

Допустим, мы рассматриваем структуру белка, который представляет собой длинную цепочку аминокислот. По умолчанию проще всего предположить, что замена любой аминокислоты за один и тот же отрезок времени одинаково вероятна. Такие модели называются сайт-гомогенными (site-homogeneous). Проблема в том, что предположение о равной вероятности замен всех аминокислот на самом деле нереалистично. Любой белок — это довольно сложная молекулярная «машина». В нем есть участки, которые могут меняться относительно свободно, а есть и такие, где изменчивость резко ограничена (например, активные центры ферментов). Переход к сайт-гетерогенным (site-heterogeneous) моделям, которые это учитывают, вполне может изменить структуру получаемого эволюционного древа. Сайт-гетерогенные модели вычислительно сложнее, но, по-видимому, точнее.

Кроме того, результат филогенетического исследования может сильно зависеть от того, какие группы организмов в него включены, а какие нет. Особенно это касается выбора так называемых внешних групп (см. Outgroup), которые не относятся к основным объектам сравнения, но нужны, чтобы откалибровать данные по ним. В идеале смена внешней группы не должна влиять на конфигурацию древа, но на практике — очень часто влияет.

Филогенетикам давно известен эффект притяжения длинных ветвей (Long branch attraction), при котором быстро эволюционирующая группа может ошибочно показаться очень древней просто потому, что в ее белках и генах успело накопиться много замен. Это довольно частый вычислительный артефакт. Так вот, включение в анализ слишком отдаленных внешних групп может усилить этот эффект, «притягивая» быстро эволюционирующие ветви к корню древа.

Первая нашумевшая работа, доказывающая «первичность гребневиков», была опубликована в 2013 году Джозефом Райаном (Joseph F. Ryan) с большой группой соавторов (J. Ryan et al., 2013. The genome of the ctenophore Mnemiopsis leidyi and its implications for cell type evolution). Однако приведенное авторами этой работы итоговое древо построено за счет сочетания сайт-гомогенной модели с включением в анализ отдаленной внешней группы (таковой послужили грибы — гораздо менее близкие родственники животных, чем воротничковые жгутиконосцы, которыми можно было бы и ограничиться). Если перейти к сайт-гетерогенной модели и выкинуть грибы, поддержка «первичности гребневиков» тут же исчезает и на том же самом материале получается древо, статистически надежно демонстрирующее «первичность губок» (рис. 2, A).

Вторая, более основательная работа на эту тему была сделана под руководством Леонида Мороза (Leonid Moroz) и вышла в 2014 году. Версия «первичности гребневиков» была там получена, но с относительно слабой статистической поддержкой и тоже на основе сайт-гомогенной модели. Более того, даже сайт-гомогенная модель на материале, использованном Морозом, может дать и другую конфигурацию древа, при которой от общего эволюционного ствола животных отходят сначала обыкновенные и стеклянные губки, потом гребневики, а потом известковые и гомосклероморфные губки. Тогда получается, что губки — не единая ветвь, а целый эволюционный уровень, из которого вышли все остальные животные. Правда, статистическая поддержка этой версии невысока, но и у гипотезы «первичности гребневиков» она примерно такая же.

Наконец, в 2015 году вышла еще одна статья с участием Мороза, в которой детально обсуждаются именно технические аспекты создания деревьев (N. Whelan et al., 2015. Error, signal, and the placement of Ctenophora sister to all other animals). На сей раз Мороз с коллегами решили достойно ответить на критику: они строили эволюционные деревья очень тщательно, применяя сайт-гетерогенную модель и учитывая эффект выбора внешних групп, и всё равно получили подтверждение «первичности гребневиков» с высокими уровнями поддержки.

Но и тут Давид Пизани с его соавторами нашли к чему придраться. Дело в том, что в новой работе «морозовцев» действие двух факторов на деревья проверялось по отдельности. То есть промежуточные деревья строились или по сайт-гетерогенной модели, но с прежним широким набором внешних групп, или без далеких внешних групп, но тогда по сайт-гомогенной модели. Взаимодействие этих факторов, таким образом, учтено не было.

Пизани и его коллеги не преминули проверить, что будет, если построить древо на том же самом материале, одновременно применив сайт-гетерогенную модель и исключив далекие внешние группы (рис. 2, B). Ответ: поддержка «первичности гребневиков» будет падать, причем тем ниже, чем более близкими внешними группами ограничится сравнение. Древо, в котором единственной внешней группой будут самые близкие к животным воротничковые жгутиконосцы, скорее покажет «первичность губок».

Иными словами, обосновать «первичность гребневиков» тем легче, чем более далекие родственники животных задействованы в качестве внешних групп. Это четкая зависимость, которая выполняется для материала всех трех рассмотренных исследований (рис. 3).

Интересно, что в некоторых деревьях, построенных Пизани с соавторами, заодно с «первичностью губок» внезапно восстанавливается полузабытая группа Coelenterata. Один из участников работы, Эрве Филипп, получал такие результаты и раньше (H. Philippe et al., 2009. Phylogenomics revives traditional views on deep animal relationships). Coelenterata — это кишечнополостные в старом широком смысле слова, включающие в себя гребневиков вместе со стрекающими (Cnidaria). Архаичная версия, напрочь не согласующаяся с новыми революционными гипотезами! Леонид Мороз объявил восстановление целентерат чистейшим артефактом, вызванным произвольной переоценкой данных по отдельным молекулам, а именно по рибосомным белкам. Но неудивительно, что авторы этой идеи с ним не согласны.

Из статей Мороза и его оппонентов видно, что полемика завязалась очень острая. На самом деле сам факт столь долгого и жаркого спора показывает, что обоснование всех конкурирующих версий — на грани достоверности. Спешить с выводами тут не стоит. А на то, что картину прояснят палеонтологические данные, надежда в данном случае слабая. Так что проблеме родственных связей низших многоклеточных животных (небилатерий) еще суждено какое-то время оставаться запутанной.

На самом деле тут не одна проблема, а, по меньшей мере, две. Первая из них касается геометрии родословного древа: в каком порядке оно ветвилось? Критически важным этот вопрос является с точки зрения кладистики, формальный аппарат которой требует, чтобы построенное эволюционное древо ветвилось дихотомически (ровно надвое) и никак иначе. Между тем это не всегда реалистично: видимо, бывают случаи, когда несколько эволюционных ветвей выделяются почти одновременно и разбивать древо на серию дихотомий бессмысленно (G. Rautian, I. Dubrovo, 2003. Data on DNA give evidence for parallel development in mammoths and elephants). И в любом случае построение древа — не самоцель. Скорее, это средство для решения других проблем, чисто биологических.

Одна такая чисто биологическая проблема очевидна. Сколько раз в истории жизни на Земле возникала нервная система? Один раз или много? Если хотя бы дважды, то это тоже «много», тут важно, уникально событие или нет. Версия «первичности гребневиков» тем и интересна, что она подтверждает независимое возникновение нервной системы у гребневиков и у стрекающих с билатериями, то есть два раза. А что если эта версия все-таки неверна?

Пизани и его коллеги отвечают: тогда идея об отдельном происхождении нервной системы гребневиков становится сомнительной (как минимум). Категоричных утверждений на этот счет они избегают, однако сочувственно ссылаются на работы, авторы которых считают, что нервные клетки возникли все-таки лишь однажды (H. Marlow, D. Arendt, 2014. Evolution: ctenophore genomes and the origin of neurns).

Но тут важен вот какой момент. Идея о неоднократном независимом происхождении нервных клеток, действительно любимая Леонидом Морозом, обоснована в первую очередь результатами прямого изучения нервной системы гребневиков, в которой есть много удивительных черт: необычный состав нейромедиаторов, особенности синапсов, иной набор задействованных в развитии регуляторных генов. Неужели смена филогенетической реконструкции сходу обнуляет все эти доводы? Да с чего бы? Ведь перечисленные факты — чисто нейробиологические. Они не зависят от филогенетики и могут быть верны при любом положении гребневиков на родословном древе.

Возвращение к гипотезе «первичности губок» само по себе не решит вопроса о происхождении нервной системы. Хотя бы потому, что на таком древе между гребневиками и прочими животными с нервной системой наверняка окажется трихоплакс — единственный представитель типа пластинчатых. У трихоплакса никаких нервных клеток нет. А тогда ничего принципиально не меняется, нервная система всё так же могла возникнуть дважды. Собственно говоря, у Пизани с соавторами именно такое древо и получилось. В этом смысле гора родила мышь.

Тут стоит высказать тезис, который был очевиден большинству крупных биологов конца XIX — начала XX веков, и с тех пор ничуть не потерял силу. Филогенетика (изучающая только родственные связи) и сравнительная анатомия (изучающая эволюцию органов, систем и планов строения) суть две отдельные науки. Они могут взаимодействовать, но подменять друг друга не должны. Сейчас, когда филогенетика стала молекулярной, это еще более верно, чем сто лет назад.

Исследования гребневиков поднимают целый ворох вопросов, как филогенетических, так и сравнительно-анатомических. Что ж, тем интереснее.

Источник: Davide Pisani, Walker Pett, Martin Dohrmann, Roberto Feuda, Omar Rota-Stabelli, Herve Philippe, Nicolas Lartillot and Gert Worheide. Genomic data do not support comb jellies as the sister group to all other animals // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015. V. 112. No 50. P. 15402–15407. Doi: 10.1073/pnas.1518127112.

Сергей Ястребов

Источники:

1. elementy.ru