在遙遠的地質年代，大約六億到七億年前，最早的動物在地球上進化出來。今天仍然活著的與它們最親近的親屬包括海綿、海葵和櫛水母。但是，究竟哪一種是真正與最早的動物最親近的親屬，一直是進化生物學中最具爭議的問題之一。由於這些早期、軟體動物的化石很少，它們的歷史必然是模糊不清的，重建所發生的事情一直充滿挑戰。
5月17日發表在《自然》雜誌上的一項研究透過觀察海綿、櫛水母、水母和動物的三種近親單細胞生物的染色體，解決了這些早期動物的關係。透過研究動物進化樹底部的染色體模式斷裂和融合在一起，加州大學伯克利分校、維也納大學、蒙特雷灣水族館研究所和加州大學聖克魯茲分校的研究團隊確定，櫛水母（更正式的名稱是櫛板動物）實際上是最早動物的最近親屬。
耶魯大學的進化生物學家凱西·鄧恩說：“理解動物生命樹中最深層的關係對於重建我們最感興趣的許多複雜特徵——例如神經系統和動物對稱性——的起源和進化歷史至關重要。”他沒有參與這項研究。
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鄧恩解釋說，100多年來的隱含假設是，動物進化的歷史在很大程度上是動物譜系中逐步新增複雜特徵的過程。在這些被廣泛接受的假設中，最主要的是海綿非常原始，因為它們缺乏神經元和肌肉。這導致了一種觀點，即它們一定是在神經元和肌肉起源之前就從動物譜系中分離出來的。櫛水母有肌肉和一個神經元網路，因此人們認為它們的分支較晚。
但在2008年，根據來自第一批海綿和櫛板動物基因組的早期資訊，鄧恩和他的同事提出櫛水母的分支早於海綿。研究人員發現，這些動物的基因清單與海綿是“這種機制進化之前的時間快照”的觀點不符，鄧恩說。海綿已經有類似於神經遞質的基因；也許這些基因在神經元進化很久之前就用於細胞間通訊，具有其特殊的形狀和功能。
在2008年的論文之後，出現了數十項研究。有些研究與鄧恩的結果一致，有些則反駁了它。“我個人對這場辯論保持中立，”堪薩斯大學的進化生物學家保琳·卡特賴特說，“因為應用略有不同的進化模型來解釋序列的進化方式可能會改變結果——這意味著這些發現無論如何都不是非常可靠的。”
“所以我的結論是，這是一個非常困難的問題，”卡特賴特補充說，她沒有參與2008年的論文或這項新研究。“它如此具有挑戰性的部分原因是，我們正在研究發生在超過5億年前的事情。不僅發生在5億年前，而且它可能在地質時間上發生得相對較快，因此沒有太多資訊可以重建這些非常古老的事件。”此外，櫛板動物有5億年的時間進行獨立的進化，它們具有許多其譜系獨有的特徵。
在《自然》雜誌的論文中，該團隊採取了一種新的、有創新的方法來分析這些早期動物的基因組。經過數億年的時間，基因序列發生瞭如此多的突變，以至於關於不同譜系相關性的任何訊號都被沖刷掉了。“所以你需要一些進化非常緩慢的東西，你可以追蹤它，”加州大學伯克利分校的進化基因組學家丹·羅克薩爾說，他負責監督這項研究。羅克薩爾與奧列格·西馬科夫和達林·舒爾茨（均在維也納大學）一起開發的方法側重於基因組中更大規模的特徵：染色體上的基因組。
這項技術基於一個簡單的想法：在進化過程中，染色體上基因的順序會透過突變被打亂——例如，透過倒位來翻轉染色體內的基因順序。儘管它們的順序可能會改變，但染色體上的基因形成了一種連鎖群：它們通常不會與其他染色體上的基因混雜。但在極少數情況下，染色體可能會斷裂和融合，導致這些連鎖群混合。這些事件非常罕見，以至於有可能將它們追溯到最早動物的起源。
關鍵的見解是，染色體融合和混合是不可逆轉的，就像將牛奶混入一杯茶中一樣。因此，研究人員推斷，如果他們觀察到兩個譜系之間共享的融合-混合事件，那麼該事件一定發生在兩個譜系的共同祖先中。融合-混合事件的不可逆轉性使它們特別適合於解決動物樹中那些抵抗了更傳統方法的關係。
為了闡明動物樹底部的關係，研究人員組裝了櫛水母微翼櫛水母、兩種深海海綿和動物的三種單細胞親屬的每個染色體的序列：領鞭毛蟲、魚孢子蟲和絲足蟲變形蟲。他們還使用了現有的刺胞動物（海葵、水母和珊瑚等）、海綿和文昌魚（一種與脊椎動物非常接近的無脊椎動物，也是兩側對稱動物，一種具有兩側對稱的動物）的染色體規模基因組。
從這些豐富的基因組資料中，研究小組發現了兩側對稱動物（文昌魚）、水母和海綿共享的四個融合-混合事件，但櫛板動物沒有。如果海綿的分支早於櫛板動物，那麼就需要這完全相同的四個融合-混合事件獨立發生在兩個譜系中，其可能性微乎其微。因此，研究人員的發現為櫛板動物首先分支的觀點提供了強有力的支援。“這篇論文是關於這些關係及其進化意義的討論中的一個巨大轉變，”鄧恩說。
“我非常確信[研究人員]已經解決了這場辯論，因為他們使用的特徵型別，”卡特賴特說。“他們有非常強有力的資料來支援早期分化的櫛板動物。”
卡特賴特補充說，這一發現意味著，包括海綿在內的所有動物的祖先已經擁有發達的神經系統，並且可能可以自由遊動。“我們必須重新思考早期動物祖先的功能和結構。它不像簡單的海綿，但它可能更復雜，”她說。
這些發現的另一個含義是，海綿失去了許多適當的神經系統和肌肉系統的要素，因為它們是附著在海底的濾食性動物。海綿基因組中神經系統要素可能與其說是動物神經系統的開端，不如說是祖先發達的神經系統的殘餘，卡特賴特解釋說。
動物進化並非以複雜性逐漸增加的方式進行，而是很明顯，進化損失是故事的一部分。早期動物進化出不尋常的神經細胞特徵也變得清晰起來。最近的發現表明櫛板動物沒有突觸，即神經元之間的微小連線。相反，它們原始神經系統的細胞（稱為神經網）是融合在一起的，形成合胞體——“一種構建神經系統的全新方式，”鄧恩說。儘管海綿缺乏神經元，但它們的消化系統中有具有神經元特徵的細胞，稱為神經樣細胞。
從這項漫長的探索中得出的一個啟示是，隨著瞭解的資訊越來越多，研究人員可能會發現早期動物的神經系統比我們目前可以想象的更加多樣化和創新。現在我們有了一棵堅實的樹可以用來標記它們，為未來發現關於基本動物特徵的進化提供了一個路線圖。