動物從單細胞變幻出30多種不同形態

“當這一行星按照固定的引力法則持續運行時,無數最美麗也最奇異的類型,即是從如此簡單的開端進化而來、並依然在進化之中。”這是達爾文在《物種起源》一書中寫下的話。動物的起源和進化是現代生物學中最值得探究的問題之一。我們知道,如今存活於世的各種各樣的動物,都是從單細胞的祖先進化而來的。我們也知道,這種轉變很可能與地球的環境、生物與環境間的相互作用以及生物的遺傳物質(基因組)的變化有關。

三葉蟲是化石記錄中最早出現的動物群體之中。 (圖源:Jakob Vinther, University of Bristol)

三葉蟲是化石記錄中最早出現的動物群體之中。 (圖源:Jakob Vinther, University of Bristol)

但我們不知道動物身形的多樣性,即達爾文所描述的“無窮無盡的最美麗、最奇妙的形式”,是迅速出現於第一批動物生命形態後,還是在進化過程中的很久以後才出現。為了解決這個問題,一組來自英國和美國的進化生物學家,在科學期刊《美國國家科學院院刊》上發表了一篇美麗而精彩的論文。

論文作者運用複雜的統計方法進行了大量的動物解剖分析。他們的結果顯示,大多數動物群體在很早的時候就達到了解剖學多樣性的頂峰,但在少數例子下,存在解剖學多樣性在後來仍有增加的情況。同時,他們還發現了最有可能導致這些變異規律的原因。

動物有很多不同的解剖學部位,每個部位的形態和形狀都具有很大的差異。例如,昆蟲有一個頭和六條腿,而海葵(無脊椎動物)沒有。這些特徵的組合被稱為“軀體模式”,這一概念通常被用於將不同動物歸類為同一門。現代的門類例子包括節肢動物(蜘蛛、蜈蚣、甲殼綱動物、昆蟲等)、脊索動物(脊椎動物和一些無脊椎動物)、軟體動物(蝸牛、章魚等)和環節動物(蚯蚓和水蛭等)。

現如今,動物的門類超過30種,其中一部分顯示出具有比另一部分更大的形式範圍(稱為“差異”)。例如,脊索動物就包括有像魚和猴子這樣完全不同的動物,而蛔蟲(線蟲門)的差異就沒有這麼大,它們看起來幾乎都一樣。

研究人員想要解決這些存在於群體之間和群體內部的這種差異是如何進化的。他們從210種動物群體中收集了近2000個解剖特徵的解剖資料,在每個門中都對多個群類進行了取樣。然後,他們用最前沿的統計資料方法對它們的解剖相似性進行了分析,從而得到了一張分類圖,其中每個群用一個點表示,而點與點之間的距離與它們所代表的群的解剖相似性成正比。

他們的研究結果表明,每個門中的不同群都在這張圖上齊整地聚集在了一起,正如由它們共有的軀體模式所預期的那樣。例如,在這張圖上,蜘蛛更接近昆蟲和其他節肢動物,而魚更接近哺乳動物和其他脊索動物。一個門的成員所佔領的地圖區域,顯示了這一門在解剖學上的多樣性,其中脊椎動物和節肢動物的面積最大。

值得一提的是,大多數門類都在動物起源之後不久就達到了它們的差異水平,除了四門例外:節肢動物、脊索動物、軟體動物和環節動物的差異水平仍保持了繼續擴大,它們有一些成員在進化過程中從水裏過渡到了陸地上。遷移到陸地之後的它們面臨了新的挑戰,使得進化出了新的身體部位。

更重要的是,這些生物門類之間具有非常大的差異,它們在地圖上顯示出有很大的空白區域。但當向分析中加入已滅絕的物種化石後,不同門類之間的差距就縮小了。這表明早期的動物與它們如今的樣貌並沒有多麼不同。動物的早期進化探索了許多不同的解剖學可能性,但是一些軀體模式的滅絕放大了它們的不同。

最後,研究人員試圖找出動物的差異性與其他生物特徵之間是否存在聯繫。他們發現一個門所具有的差異越大,那麼細胞類型的數量、體型和物種數量就越大。此外,這還與基因組的大小有關,但與基因組中的蛋白質編碼基因的數量無關。

所有的這些差異性都與基因調節的進化密切相關。更多的解剖資料、更多的化石,以及對基因調節的進一步研究,將對我們進一步理解動物們無窮無盡的最美麗與最奇妙的形態至關重要◆

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