في حين أن هذا التقييم للعلاقة التطورية بين الفقاريات وشوكيات الجلد قد أصبح إجماعًا، إلا أن النتائج غير المتوقعة من دراسات الحمض النووي الحي المقارنة المصممة لإعادة بناء الأشجار التطورية تدعو إلى التشكيك في الإجماع.
بقلم: ماكس تيلفورد، أستاذ علم الحيوان، كلية لندن الجامعية، وفاسيليا كابلي، زميلة أبحاث في علم الوراثة والتطور والبيئة، كلية لندن الجامعية. ترجمه آفي بيليزوفسكي
إن السؤال عن كيفية تطور البشر من الحيوانات الأولى خلال الـ 600 مليون سنة الماضية هو سؤال رائع. عند تجميع الخطوات العديدة المؤدية من أول شكل حياة بسيط الذي شكّل سلفنا إلى الإنسان العاقل الحديث، فإن أول شيء نحتاج إلى معرفته هو كيف نرتبط بمجموعات الحيوانات الأخرى؟
العديد من جوانب شجرة عائلتنا واضحة بذاتها. فمن السهل أن نرى أننا ننتمي إلى مجموعة القردة العليا والرئيسيات والثدييات، على سبيل المثال. بالتعمق في تاريخنا، حتى أرسطو كان يدرك أن الثدييات والطيور والزواحف والبرمائيات والأسماك متحدة بواسطة السمة المشتركة المتمثلة في العمود الفقري في المجموعة التي نسميها الفقاريات.
تكمن أصول الفقاريات في عمق تاريخ الحياة الحيوانية على الأرض، وأقدم الحفريات المؤرخة التي تظهر أي عمود فقري يبلغ عمرها أكثر من نصف مليار سنة. هناك صعوبات متأصلة في حل مثل هذه العلاقات القديمة. لقد ناضل العلماء مع العديد من جوانبها على مدار الـ 150 عامًا الماضية. الآن تقدم دراستنا الجديدة، المنشورة في Science Advances، نظرة ثاقبة.
أقارب نجم البحر؟
ونظرًا لهذه الصعوبات، فإن حقيقة وجود فترة طويلة من الإجماع حول هوية أقارب الفقاريات أمر غير معتاد إلى حد كبير. لقد كان التصور العام لأكثر من قرن من الزمان هو أنه من المثير للدهشة أن أقرب الحيوانات بين اللافقريات هي مجموعة لا تحمل أي تشابه ملفت للنظر مع الفقاريات على الإطلاق. هم خيوط الجلد - مجموعة تضم نجم البحر وخيار البحر وقنفذ البحر.
في عام 1908، اقترح عالم الحيوان النمساوي كارل جروبين هذا الارتباط. درس جروفن الأحداث المبكرة للتطور الجنيني في مجموعات مختلفة من الأنواع (كيف تنقسم الخلايا الأولى للجنين وكيف يتشكل الفم لأول مرة) بهدف تقسيم الجزء الرئيسي من المملكة الحيوانية إلى فرعين كبيرين. وادعى أن الفقاريات وشوكيات الجلد هي جزء من مجموعة تسمى "ثانيات الفم" وأن اللافقاريات الأخرى في المجموعة المعروفة باسم أوليات الفم هي الحشرات وديدان الأرض والرخويات والديدان الخيطية.
في حين أن هذا التقييم للعلاقة التطورية بين الفقاريات وشوكيات الجلد قد أصبح إجماعًا، إلا أن النتائج غير المتوقعة من دراسات الحمض النووي الحي المقارنة المصممة لإعادة بناء الأشجار التطورية تدعو إلى التشكيك في الإجماع. في الوقت نفسه، تم اكتشاف بعض السمات المحددة للطريقة التي تتطور بها الأجنة والتي تم تسليط الضوء عليها على أنها خاصة بفرع الحيوانات ثنائي الفم في العديد من أنواع أوليات الفم.
تشير هذه النتائج إلى أن الدليل على أن شوكيات الجلد هي أقرب أقارب الفقاريات قد يكون أضعف مما كان يعتقد منذ فترة طويلة.
نتائج جديدة
شرعنا في التحقق من الأدلة. حدثت تغييرات في تسلسل الحمض النووي للجينات في سلالات مختلفة من شجرة الحياة - وسجل للعلاقات بينها. استخدمنا جهاز كمبيوتر لمقارنة تسلسل الحمض النووي للجينات من جميع أنحاء المملكة الحيوانية لإعادة بناء الشجرة التطورية الحيوانية.
لمعرفة ما إذا كانت بيانات الحمض النووي تدعم بشكل مقنع وجود علاقة وثيقة بين الفقاريات واللافقاريات، نظرنا في عدد تغيرات الحمض النووي الموجودة أيضًا في الفقاريات وخلايا الجلد ولكن ليس في الحيوانات الأخرى. والأنواع التي تحمل هذه السمات المشتركة، إذا وجدت، ستكون دليلاً يدعم العلاقة الوثيقة بين الأنواع.
رسومات الأشجار الثلاثة المحتملة. ماكس تيلفورد، بإذن من المؤلف
إذا نظرت إلى حوالي 5,000 جينة مختلفة، فإن حوالي 70% من الحيوانات في فرع أوليات الفم كان لديها تغيرات فريدة أكثر من فرع ثنائي الفم. أي أن الحيوانات الموجودة على فرع أوليات الفم تشترك في الكثير من التغييرات الفريدة في حمضها النووي - لذا فإن هذا الفرع مدعوم جيدًا بأدلة الحمض النووي. ومع ذلك، فإن العلاقة الوثيقة بين الفقاريات مدعومة بأدلة أضعف بكثير، فهي تشترك في عدد قليل نسبيًا من التغييرات الفريدة في الحمض النووي.
بعد ذلك، جربنا ترتيبات مختلفة للفقاريات، وخيوط الجلد، وأوليات الفم: أولاً، الشجرة الكلاسيكية التي تربط بين الفقاريات وخيوط الجلد؛ ثانيًا، الشجرة التي ترتبط خيوط جلدها في الواقع بأوليات الفم أكثر من ارتباطها بالفقاريات؛ وأخيرًا شجرة ترتبط فيها الفقاريات بأوليات الفم أكثر من ارتباطها بالأشواك الجلدية
لقد رأينا أن العديد من الجينات لم يكن لديها قدر كبير من تنوع الحمض النووي الذي يدعم أيًا من الأشجار الثلاثة. ومن بين التحليلات الجينية التي أظهرت أدلة تؤيد بوضوح أحد البدائل الثلاثة، أظهرت أغلبية صغيرة جدًا من الجينات دليلًا أقوى على الشجرة ثنائية الفم مقارنة بالخيارين الآخرين. تشير نتائجنا إلى أن الفروع الثلاثة - الفقاريات، وشوكيات الجلد، وأوليات الفم - انفصلت عن بعضها البعض في فترة زمنية قصيرة، مما يعني أنه لم يكن هناك الكثير من الوقت لتراكم العديد من التغييرات في الحمض النووي. وهذا يعني أنه من الصعب جدًا الآن فهم أي من الأشجار الثلاثة المحتملة التي تشير إلى هذه المجموعات هي الصحيحة.
الشجرة ثنائية الفم
فلماذا دعمت معظم دراسات الحمض النووي السابقة وجود شجرة من مجموعة ثنائيات الفم، على الرغم من أن تجاربنا أظهرت أنه لا يوجد شيء تقريبًا يميز هذه الشجرة عن البديلين؟ أردنا معرفة ما إذا كانت التحليلات عرضة للأخطاء التي يمكن أن تنشأ عندما تتطور الفروع المختلفة بسرعات مختلفة.
لمعرفة ذلك، استخدمنا جهاز كمبيوتر لمحاكاة تطور الحمض النووي وفقًا لكل سيناريو. لقد بدأنا بتسلسل الحمض النووي الاصطناعي العشوائي الذي يمثل حيوانًا قديمًا. أصبح فرك الحمض النووي هذا ممكنًا بفضل تراكم الطفرات وفقًا لكل شجرة من الأشجار الثلاثة.
عندما قمنا بمقارنة البيانات بشجرة ثنائي الفم، قمنا دائمًا بفرز الشجرة. ومع ذلك، عندما قمنا بتشغيل البيانات التي تناسب الشجرتين الأخريين، لم نقم دائمًا بنسخ الشجرة الصحيحة - في بعض الأحيان قمنا بإنشاء شجرة ثانوي الفم عن طريق الخطأ (أضف كلمة "مقصودة"، إذا فهمت غرضها بشكل صحيح). وكان هذا الخطأ شائعًا بشكل خاص عندما قمنا بتغيير معدلات التطور في المجموعات المختلفة.
تشير هذه النتيجة إلى أنه قد يكون هناك خطأ في بيانات الحمض النووي الفعلية التي من شأنها أن تجعلنا نعيد بناء شجرة ثنائي الفم، حتى لو كانت غير صحيحة. قد يكون سبب الخطأ هو إغراء مجموعتي ثنائي الفم (الفقاريات وشوكيات الجلد) بمعدل أبطأ من المجموعات الأخرى. وهذا من شأنه أن يجعلها تبدو متشابهة مع بعضها البعض أكثر من تشابهها مع أوليات الفم، حتى لو لم تكن مرتبطة ببعضها البعض حقًا.
والنتيجة التي توصلنا إليها هي أن الثقة في العلاقات الوثيقة بين الفقاريات واللافقاريات - الموجودة في الكتب المدرسية منذ أكثر من قرن - ليست في محلها. لقد أظهرنا أن هذه المشكلة التطورية يصعب حلها بشكل خاص، وأننا نحن الفقاريات قد يتبين أننا أكثر ارتباطًا بالقواقع والذباب من ارتباطنا بنجم البحر.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 2
والأمر المثير وربما الغريب هو أنه باستثناء الأسماك (وليس الأسماك) لا يوجد نوع واحد على فرع، أي أن جميع أسلاف النوع الذي انفصلت عنه الأنواع انقرضت أو غير معروفة للعلم.
ويبدو أن المشكلة صعبة الحل للغاية، خاصة أن هناك نقل جانبي للجينات بين الأنواع المختلفة - نظام كريسبر معروف في البكتيريا التي ربما كانت أو لا تزال لها بقايا منه في الكائنات متعددة الخلايا، هناك نقل عن طريق الفيروسات، وأكثر من ذلك بكثير غير معروف. لذا فإن الاستفادة من التطور لمئات الملايين من السنين من اليوم هي بمثابة محاولة لضرب هدف بعيد جدًا.