水母的基因组暗示复杂性并非遗传上的复杂

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一个至少在过去5亿年左右的进化史中，最重要的主题是增加复杂性．当然，还有其他的主题，但生活无疑自其起源以来变得更加复杂。早期的细胞聚集在一起形成多细胞联盟．几千年过去了，他们的身体和生活方式变得更加复杂，他们找到了更加多样化的谋生方式。你可能会认为，随着身体变得越来越复杂，基因组也变得越来越复杂。

但最近的一项研究出现在自然、生态与进化这表明事实并非如此——至少对于水母这种在动物历史的关键时刻进化而来的卑微生物来说是如此。它们不需要更多的基因——甚至是明显不同的基因——来推动它们在复杂性上的巨大飞跃。这项新研究增加了越来越多的工作，对寻找复杂性进化的直接基因组特征提出了质疑。

水母和海葵、珊瑚、水螅在一起Cnidarian分支动物的生命树。通向刺胞动物的叉代表了在动物变成双对称之前的最终转折，这使它们成为一个有趣的研究群体，因为后来的创新带来了更大的复杂性。水母最初的生活和它们的表亲很像，它们是固定在海底的固着珊瑚虫，在过往的洋流中寻找食物。与它们的表亲不同，它们最终挣脱出来，变成了一种自由游动的形式，被称为水母，“这是我们通常想到水母时所想到的，”说大卫·金他是加州大学戴维斯分校的生物学家，领导了这项研究。

戈尔德解释说，美杜莎阶段代表了复杂性的一个量子飞跃。美杜莎水母会主动捕食浮游生物，利用能探测光线和方向的神经感觉结构在水柱中导航。从一个静止的珊瑚虫变成一个漂浮的美杜莎几乎就像人类进化出了在空中游泳的能力，并用有弹性的网状附体捕捉鸟类。

然而，衡量动物复杂性的危险在于，很难客观地看待它。曼西斯利瓦斯塔瓦他警告说，我们如何看待复杂性与我们自身的关系更大，而不是我们试图定义什么。因为我们与海绵和水母是如此不同，我们可能会错过复杂的代谢途径或“更简单”的动物生命的其他特征，导致我们在有细微差别的地方得出“简单”的结论。

不过，斯里瓦斯塔瓦和戈尔德同意，如果你把复杂性与生命史联系起来，水母比它们的刺胞动物亲属更复杂。但他们是如何实现这一飞跃的尚不清楚。“我们只是不知道从这种更简单的生活方式到这种更复杂的生活方式需要什么样的基因改变，”戈尔德说。为了找到答案，研究人员决定对其基因组进行排序水母然后将其与没有水母的刺胞动物进行比较。

如果生命史的彻底改变需要基因含量的大幅增加，那么水母水母的基因组应该充满独特的新基因。相反，戈尔德发现，广义上说，“两者之间真的没有太大的区别水母和他们的亲戚们过着简单的生活。”有一些新的基因，但并不比你从任何不同的群体中所期望的多。

对戈尔德来说，这一发现并不十分令人惊讶，因为如果你眯着眼看，其他更迥然不同的物种的基因组也很相似。戈尔德已经提出了一个更为微妙的假设:在塑造身体的过程中，基因的存在与否并不重要，它们何时被使用也很重要。如果你想在水母中寻找那些使其变得复杂的基因，那么在水母发育过程中，当这种复杂性显现出来时，寻找它们是有意义的。戈尔德认为，水母特有的基因在从珊瑚虫到水母的转化过程中会活跃起来。

但令他惊讶的是，这并不是他的发现。水母独有的新基因并不比其他古老基因更容易在水母阶段或任何发育阶段表达。“在广义的基因层面上，似乎你不需要在基因组上做出重大改变，就能在你的生命历史上做出这些重大改变，”戈尔德说。

另一种解释是通过翻转起源故事来解释差异的缺乏。也许复杂性，以水母阶段的形式存在于早期的刺胞动物中，但在今天生活的所有相关群体中消失了，除了水母。两种情况都会产生相似的基因组特征，不过戈尔德认为后者的可能性较小。比较更多不同分化阶段的刺胞生物序列，最终会揭示答案。

斯里瓦斯塔瓦说:“水母没有发明一大堆新基因来形成水母阶段，这并不奇怪，但我们只有在观察后才知道。”她对新基因在美杜莎阶段没有过多代表的发现很感兴趣，因为这表明“通过不同的方式连接相同的基因，可以产生非常不同的身体计划。”

戈尔德的结果与另一种水母基因组的结果大体一致，Clytia．这项研究也发现，新基因并没有发挥很大作用。更神秘的是，甚至有迹象表明Clytia在美国，更古老和保守的途径在美杜莎的发展中发挥了更大的作用。

无论如何，到目前为止，导致水母这种变态的基因变化仍是未知的。这种转化可能依赖于基因组的某些区域，这些区域并不编码蛋白质，而是控制基因的开启和关闭。也许对生命来说，通过重新排列现有的基因网络而不是进化大量的新基因更容易创新。又或者，基因组的广泛第一次传递只是错过了在这一过程中发挥巨大作用的少数编码基因。

的水母基因组加入了越来越多的研究，使我们对复杂性的看法复杂化。当科学家们开始比较生命之树不同分支的基因和基因组时，他们希望发现巨大的差异，但却发现了惊人的相似性。例如，人类和猫的基因有90%是相同的;我们与果蝇的基因组有近三分之二是相同的，尽管它们已经分离了大约8亿年。

即使是最早的动物谱系也有着意想不到的复杂性。当斯里瓦斯塔瓦和他的同事测序第一个基因时海绵基因组2010年，他们惊讶地发现，在这个没有大脑、没有肌肉的海绵中，已经存在着构建其他动物大脑和肌肉的基因。“它们的基因是一样的，但很明显，它们不是在一起做同样的事情，”她说。

随着更多的基因组测序，研究人员将能够超越笼统的描述。斯里瓦斯塔瓦说:“我认为基因组测序是产生假说的一个非常好的工具。”“然后序列本身就为我们提供了一个更有效地测试这些假设的工具。”有了序列数据和CRISPR等功能工具，科学家们就可以开始调整单个基因和基因网络，以解开它们之间的联系与它们构建的不同形式之间的关系。

斯里瓦斯塔瓦说:“我可以给你列出一系列似乎与复杂性增加有关的基因，但在某种程度上，这并不是非常有力的信息。”它无法解释为什么人看起来像人，而海绵看起来像海绵。”根据她的说法，“下一个重大进步将来自于实验生物学的艰苦工作，”她很高兴看到艰苦的工作将把我们带到哪里。

乔纳森·兰伯特是一位进化生物学家，现为科学作家广达电脑杂志写实习。在那之前，他是美国科学促进会的大众传媒研究员达拉斯晨报,同时也是美国公共媒体面向孩子们的科学播客《Brains on !》的助理制片人。他目前是康奈尔大学的博士生。