世界上最簡單的動物揭示了隱藏的多樣性

2020-12-06 博科園

博科園-科學科普

第一個純粹由遺傳特徵定義的動物屬代表了動物分類和命名的新時代。人們對世界上最簡單的動物知之甚少，甚至都沒有為它提供一個普通的名字。由於粘附在玻璃器皿上，這個無定形的團狀物被正式地稱為「毛狀斑點」。它只有幾毫米寬，外形就像一個壓扁了的三明治，上面一層保護著它的身體，最下面一層負責爬行，黏糊糊的填料將它們粘在一起。它沒有器官，只有少量的細胞類型，因此它也十分無趣。

這些小斑點是毛毛蟲——或者是它們本身？胎盤動物門中的所有動物都被認為屬於同一物種。然而新的基因組分析表明，形態學上相同的生物至少屬於兩個屬種中的兩個物種。圖片：Hans-Jürgen Osigus, ITZ Ecology and Evolution, Stiftung Tierrztliche Hochschule Hannover, Germany

德國路德維希馬克西米利安大學進化生物學家麥可·埃特爾說：當我第一次聽說有這個東西的時候，我就被它迷住了，因為它沒有真正意義上的身體，它沒有嘴巴，沒有脊背，沒有神經細胞等等。在花了4年的時間費力重建了這團細菌的基因組後，埃特爾可能比地球上任何人都更了解這種生物。值得一提的是，埃特爾對基因密碼進行了足夠的研究，以了解視覺檢查未能揭示的內容。長期以來，生物學家們一直稱毛狀斑點為「神秘物種」，這種生物至少有兩種，甚至可能多達12種；雖然有些在解剖學上結構完全相同，但從遺傳學上來看卻又截然不同。

這一發現開創了分類學的先河，也是第一次以純粹的遺傳學來定義動物屬類。自18世紀50年代卡爾林奈提出現代分類學體系以來，幾乎沒有發生任何改變。該體系試圖將不斷蔓延的生命之樹分成七個整齊的層次，賦予每個物種一個獨特的標籤。這個由兩部分組成的科學名稱(如智人)代表了貫穿這棵樹的一條分支路徑末端，從最粗壯的樹枝直到最細樹枝，按照界、屬、種排列。這條路徑顯示出所有關於有機體與其他生物群體關係，至少在理論上是這樣的。

德國路德維希馬克西米利安大學的進化生物學家麥可·埃特爾領導了一項新的研究，這項研究鑑定了區分不同胎盤動物的遺傳特徵。圖片：Manuela Schellenberger, Bavarian State Collection for Paleontology and Geology

自從1800年代末被發現以來，人們一直認為毛狀斑點有非常特別的體型，並且它正式融入了原生動物門（「扁平動物」）將近半個世紀。門是一個海綿狀生物獨自佔據的空間：門脊索動物門，從孔雀到鯨魚到鰻魚，遍布著超過65000種生物。生物學家一直懷疑胎盤動物隱藏著更多的多樣性，2004年的發現更加證實了這一猜想。當時研究人員發現，來自不同個體的短序列看起來與來自不同家族的生物的短序列一樣不同（一個層次有N個屬）。

但是，對這兩個胎盤動物的觀察並沒有達到公認的國際標準。美國國家海洋和大氣管理局國家系統學實驗室的動物學家艾倫柯林斯說：當時剛剛發現了基因差異，看著收集的動物，無法分辨出它們在形態上有何不同。為了完成柯林斯開始的工作，埃特爾和同事們決定放棄視覺方法，而是轉向尋找定位胎盤動物基因組本身的特徵。首先用柯林斯使用過的易於測序線粒體DNA繪製出該門的遺傳領域。通過比較這種名為16S分子數據

美國國家海洋和大氣管理局的動物學家艾倫·柯林斯在加利福尼亞海岸採集標本時，發現了胎盤動物門包含不止一個屬的早期基因組的證據。圖片：Courtesy of Allen Collins

特殊胎盤動物是標準菌株的最遠房親戚，該菌株的基因組在2008年就已經被完全測序。如果任何一個群體都能成為不同物種，這就是唯一的一個。接下來，埃特爾需要閱讀、訂購和解釋構成變異基因組的8000多萬個A、G、C和T核苷酸鹼基。研究人員花了很長時間研究扁盤動物的基因組，當研究小組終於有了一個完整的基因組可供比較時，希望能從中找到差異，但當第一次看到分析結果時，真的不知所措。

四分之一的基因出現在錯誤位置，蛋白質平均差異近30%，在某些情況下差異高達80%。基因缺失了4%的遠房親戚基因，並且有自己獨特的一部分基因。總體而言，胎盤動物的基因組與阿德海倫動物的基因組存在較大差異，就像人類的DNA與老鼠DNA差異那樣大。埃特爾說：這真的很驚人。它們看起來一樣基因組卻相差甚遠，那麼這些基因變化會在哪些方面表現出來呢？加州大學河濱分校海洋生物學家霍莉比克說：儘管胎盤動物本身看起來像一個小膠球，但它的細胞可能在做一些非常複雜的事情。

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

胎盤動物來自於微鹹的紅樹林，那裡溫度和鹽度的大幅波動需要身體靈活地產生化學反應。從生理學上講，對於生物體來說，這是一件非常重要的事情。通過將胎盤動物的變異與其他門類群體間的平均遺傳差異進行比較，德國研究小組得出結論：香港胎盤動物不僅是一個新物種，而且是一個新屬。它甚至有資格成為動物樹其他領域的一個新家族或新秩序，但為了保守起見，研究小組對比了水母屬變異的標準。剩下的工作就是命名了，分類學需要具有識別特徵，但不能區分生物是視覺上的還是遺傳上相似。

所以研究小組在16S線粒體基因組中挑出了四個基因字母，這四個字母是唯一能夠區分這兩個譜系的標準。7月下旬，在同行評議和公共科學圖書館生物學的支持下，研究在生命地圖上放置了一個新有機體。研究小組給他們的樣本取名為Hoilungia，這是中國神話中一個變形龍王的屬名，並且他們給收集到的物種命名為「hongkongensis」。基於基因組分類在原生動物和細菌世界中很常見，並且相對少數的隱秘動物物種是基於遺傳學命名。將形態特徵與遺傳特徵相融合的命名和重命名方式也越來越普遍。

但這是首次單獨使用遺傳性狀來定義一個動物屬，這些性狀不受喙的大小或鰭數目等特徵支持。路德維希·馬西米蘭大學植物學家蘇珊·雷納說：這些人做的這一切真是太棒了。研究人員希望他們的工作能夠使未來基於遺傳特徵的命方式變得更加容易，這樣就不會因為鹿角和鰭等吸引注意力的視覺特徵而使分類受到偏見影響。而這些視覺特徵可能無法準確反映群體之間的進化距離。埃特爾說：必須有第一個人為在基因組學基礎上定義新的一般物種的權利而鬥爭，我們幸運地得到了認可。

儘管基因分類可能很精確，但它很可能涵蓋了傳統的區分動物的方法，而不是完全取代它們。即使是像線蟲這樣無法人工飼養的神秘動物，基因技術的應用也很有限。Bik說：對我來說，在一個線蟲身上工作，永遠不會有足夠的從個體中分離出來的DNA來使用這些技術。但對於研究人員能夠培育的神秘動物來說，基因測序可能是照亮進化樹陰影部分的完美亮點。從分析H. hongkongensis基因組的過程中學到了很多，並正在預測下一個變種的測序。未來可能會出現幾十個新物種，以後還會有更多，因為一直在取樣。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《PLOS Biology》｜文：Charlie Wood/Quanta magazine/Quanta Newsletter｜DOI：doi.org/10.1371/journal.pbio.2005359

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