在遥远的地质年代，大约六亿到七亿年前，最早的动物在地球上进化出来。今天仍然活着的与它们最亲近的亲属包括海绵、海葵和栉水母。但是，究竟哪一种是真正与最早的动物最亲近的亲属，一直是进化生物学中最具争议的问题之一。由于这些早期、软体动物的化石很少，它们的历史必然是模糊不清的，重建所发生的事情一直充满挑战。
5月17日发表在《自然》杂志上的一项研究通过观察海绵、栉水母、水母和动物的三种近亲单细胞生物的染色体，解决了这些早期动物的关系。通过研究动物进化树底部的染色体模式断裂和融合在一起，加州大学伯克利分校、维也纳大学、蒙特雷湾水族馆研究所和加州大学圣克鲁兹分校的研究团队确定，栉水母（更正式的名称是栉板动物）实际上是最早动物的最近亲属。
耶鲁大学的进化生物学家凯西·邓恩说：“理解动物生命树中最深层的关系对于重建我们最感兴趣的许多复杂特征——例如神经系统和动物对称性——的起源和进化历史至关重要。”他没有参与这项研究。
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邓恩解释说，100多年来的隐含假设是，动物进化的历史在很大程度上是动物谱系中逐步添加复杂特征的过程。在这些被广泛接受的假设中，最主要的是海绵非常原始，因为它们缺乏神经元和肌肉。这导致了一种观点，即它们一定是在神经元和肌肉起源之前就从动物谱系中分离出来的。栉水母有肌肉和一个神经元网络，因此人们认为它们的分支较晚。
但在2008年，根据来自第一批海绵和栉板动物基因组的早期信息，邓恩和他的同事提出栉水母的分支早于海绵。研究人员发现，这些动物的基因清单与海绵是“这种机制进化之前的时间快照”的观点不符，邓恩说。海绵已经有类似于神经递质的基因；也许这些基因在神经元进化很久之前就用于细胞间通讯，具有其特殊的形状和功能。
在2008年的论文之后，出现了数十项研究。有些研究与邓恩的结果一致，有些则反驳了它。“我个人对这场辩论保持中立，”堪萨斯大学的进化生物学家保琳·卡特赖特说，“因为应用略有不同的进化模型来解释序列的进化方式可能会改变结果——这意味着这些发现无论如何都不是非常可靠的。”
“所以我的结论是，这是一个非常困难的问题，”卡特赖特补充说，她没有参与2008年的论文或这项新研究。“它如此具有挑战性的部分原因是，我们正在研究发生在超过5亿年前的事情。不仅发生在5亿年前，而且它可能在地质时间上发生得相对较快，因此没有太多信息可以重建这些非常古老的事件。”此外，栉板动物有5亿年的时间进行独立的进化，它们具有许多其谱系独有的特征。
在《自然》杂志的论文中，该团队采取了一种新的、有创新的方法来分析这些早期动物的基因组。经过数亿年的时间，基因序列发生了如此多的突变，以至于关于不同谱系相关性的任何信号都被冲刷掉了。“所以你需要一些进化非常缓慢的东西，你可以追踪它，”加州大学伯克利分校的进化基因组学家丹·罗克萨尔说，他负责监督这项研究。罗克萨尔与奥列格·西马科夫和达林·舒尔茨（均在维也纳大学）一起开发的方法侧重于基因组中更大规模的特征：染色体上的基因组。
这项技术基于一个简单的想法：在进化过程中，染色体上基因的顺序会通过突变被打乱——例如，通过倒位来翻转染色体内的基因顺序。尽管它们的顺序可能会改变，但染色体上的基因形成了一种连锁群：它们通常不会与其他染色体上的基因混杂。但在极少数情况下，染色体可能会断裂和融合，导致这些连锁群混合。这些事件非常罕见，以至于有可能将它们追溯到最早动物的起源。
关键的见解是，染色体融合和混合是不可逆转的，就像将牛奶混入一杯茶中一样。因此，研究人员推断，如果他们观察到两个谱系之间共享的融合-混合事件，那么该事件一定发生在两个谱系的共同祖先中。融合-混合事件的不可逆转性使它们特别适合于解决动物树中那些抵抗了更传统方法的关系。
为了阐明动物树底部的关系，研究人员组装了栉水母微翼栉水母、两种深海海绵和动物的三种单细胞亲属的每个染色体的序列：领鞭毛虫、鱼孢子虫和丝足虫变形虫。他们还使用了现有的刺胞动物（海葵、水母和珊瑚等）、海绵和文昌鱼（一种与脊椎动物非常接近的无脊椎动物，也是两侧对称动物，一种具有两侧对称的动物）的染色体规模基因组。
从这些丰富的基因组数据中，研究小组发现了两侧对称动物（文昌鱼）、水母和海绵共享的四个融合-混合事件，但栉板动物没有。如果海绵的分支早于栉板动物，那么就需要这完全相同的四个融合-混合事件独立发生在两个谱系中，其可能性微乎其微。因此，研究人员的发现为栉板动物首先分支的观点提供了强有力的支持。“这篇论文是关于这些关系及其进化意义的讨论中的一个巨大转变，”邓恩说。
“我非常确信[研究人员]已经解决了这场辩论，因为他们使用的特征类型，”卡特赖特说。“他们有非常强有力的数据来支持早期分化的栉板动物。”
卡特赖特补充说，这一发现意味着，包括海绵在内的所有动物的祖先已经拥有发达的神经系统，并且可能可以自由游动。“我们必须重新思考早期动物祖先的功能和结构。它不像简单的海绵，但它可能更复杂，”她说。
这些发现的另一个含义是，海绵失去了许多适当的神经系统和肌肉系统的要素，因为它们是附着在海底的滤食性动物。海绵基因组中神经系统要素可能与其说是动物神经系统的开端，不如说是祖先发达的神经系统的残余，卡特赖特解释说。
动物进化并非以复杂性逐渐增加的方式进行，而是很明显，进化损失是故事的一部分。早期动物进化出不寻常的神经细胞特征也变得清晰起来。最近的发现表明栉板动物没有突触，即神经元之间的微小连接。相反，它们原始神经系统的细胞（称为神经网）是融合在一起的，形成合胞体——“一种构建神经系统的全新方式，”邓恩说。尽管海绵缺乏神经元，但它们的消化系统中有具有神经元特征的细胞，称为神经样细胞。
从这项漫长的探索中得出的一个启示是，随着了解的信息越来越多，研究人员可能会发现早期动物的神经系统比我们目前可以想象的更加多样化和创新。现在我们有了一棵坚实的树可以用来标记它们，为未来发现关于基本动物特征的进化提供了一个路线图。