棘皮动物和脊椎动物的关系比你想象的要弱的多！

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在过去6亿年里，人类如何从最早的动物进化而来，这是一个令人着迷的问题。从第一个简单动物祖先走到现代智人需要许多步骤，而在将它们拼凑起来之前，首先要知道的是我们与其他动物群体的关系。

人类族谱的许多方面都显而易见。例如，很容易看出我们属于类人猿、灵长类和哺乳动物。深入研究我们的历史，甚至两千多年前的亚里士多德都发现，哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类都拥有脊柱这一共同特征，所以它们被归为一类，也就是我们所说的脊椎动物。

脊椎动物的起源深藏于地球动物生命史之中，最早的脊椎动物化石可以追溯到5亿多年前。在过去150年中，许多关于它们各方面的研究都一直争论不断，因此想解开这种古老关系非常困难。我们发表于《科学进展》（Science Advances）的研究提供了一些新见解。

海星的亲戚？

考虑到这些困难，人们可能会惊讶于科学界对谁是脊椎动物最亲近的亲戚这一问题竟然一直存在共识。更出乎意料的是，一个多世纪以来的普遍观点认为，与我们最接近的无脊椎动物亲戚是一个与脊椎动物完全没有相似之处的群体：棘皮动物或“刺皮动物”，包括海星、海参和海胆。

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1908年，一位名叫Karl Grobben的奥地利动物学家首次提出这个观点。Grobben研究了不同物种的最早的胚胎发育事件(胚胎的第一个细胞是如何分裂的，以及嘴巴最初是如何形成的)，从而将动物王国的主要部分划为两大分支。他认为，脊椎动物和棘皮动物属于“后口动物”，其他无脊椎动物属于原口动物，包括昆虫、蚯蚓、软体动物和线虫。

这个关于脊椎动物和棘皮动物之间密切关系的权威观点经久不衰，但最近，我们通过比较动物DNA，重建进化的树状图谱（下文简称树），一些意想不到的研究结果浮出水面，对此观点提出了质疑。我们还在一些原口动物中发现了原本认为只出现于后口动物胚胎发育中的特殊特征。

这些结果表明，棘皮动物和脊椎动物是近亲的证据可能比长期以来认为的要弱。

新发现

我们着手检验证据。基因DNA序列的变化记录了不同动物之间的关系。我们用电脑比较了整个动物王国的基因DNA序列，以重建动物进化树。

为了确认DNA数据能否有力支持脊椎动物和棘皮动物之间的密切关系，我们研究了只存在于脊椎动物和棘皮动物中，但在其他动物中没有发现的DNA变化数量。只要发现任何共同的特征，都将是支持密切关系的证据。

在5000个不同的基因中，大约有70%，原口分支能得到比后口分支更多的独特变化支持。这意味着位于原口分支上的动物，它们的DNA有很多相同但区别于其他分支的变化，DNA证据很好地支持了这点。相比之下，脊椎动物和棘皮动物的密切关系却没有充足的证据来证明，它们之间相同的特有DNA变化相对较少。

接下来我们尝试了脊椎动物、棘皮动物和原口动物的不同排列:第一种典型的后口树认为脊椎动物和棘皮动物是近亲;第二种进化树里的棘皮动物与原口动物的关系比与脊椎动物更密切;最后一种的脊椎动物与原口动物的关系比与棘皮动物更密切。

我们发现对很多基因来说，并没有大量的DNA变化能够支持这三种树中的任何一种。在显示出明显倾向的基因分析中，只有略超过半数的基因显示出后口树有更强于其他两种可能性的证据。我们的结果显示，脊椎动物，棘皮动物和原口动物这三个分支在很短的时间内就互相分开了，这表明DNA没有时间发生很多变化。也就是说，现在很难判断与这些群体相关的这三种树哪一种是正确的。

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后口树

尽管我们的实验表明这种树与另两种几乎没有区别，但为什么以前的大多数DNA研究都支持后口树呢？我们想知道，当不同的分支以不同的速度进化时，分析是否容易出现错误。

为了找到答案，我们用电脑根据每个场景模拟DNA的进化过程。从一个代表祖先动物的随机合成的DNA序列开始。这三种树都显示，该DNA序列可以通过积累变异实现进化。

根据后口树模拟数据时，我们总是正确地复制出了该树；但在模拟其他两棵树的数据时，结果并不总是正确，有时会发生错误。当我们增大不同群体进化速度的差异时，这种错误就愈发频繁。

这一结果表明，在真实的DNA数据中可能存在一个错误，然而就算有错误，我们也能重建后口树。这一错误的原因可能是两个后口组（脊椎动物和棘皮动物）的进化速度比其他组慢。这使它们彼此之间的相似度看起来比它们与原口动物的相似度更高，即便它们实际上并不是近亲。

于是我们得出结论：一个多世纪以来，教科书中脊椎动物和棘皮动物关系密切的观点是错误的。我们已经证明，这个进化问题很难解决，并且脊椎动物与蜗牛和苍蝇的关系可能都比与海星的关系更为密切。

撰文：Max Telford，伦敦大学学院动物学教授；Paschalia Kapli，伦敦大学学院遗传学、进化与环境系研究员。

翻译：张乃欣

来源：theconversation