我校多位生物学家作为国际研究小组的成员,参与了对500多种海洋苔藓虫(来自苔藓虫门的滤食性动物)的分析工作,并为该分类群创建了迄今为止最完整的系统发育树。事实证明,其中一组苔藓虫的出现时间比早先认为的还要早2亿年。研究的详细成果发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。这篇文章发表于圣彼得堡国立大学动物学专业成立200周年之际。

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苔藓虫——是广泛分布于海洋和淡水生态系统中的群落无脊椎动物。这类极为古老的生物至少在寒武纪初期就出现在我们星球的海洋之中。在此期间,它们征服了全部水深范围(从潮汐带到深海),适应了不同的盐度条件,甚至能在淡水中生存。苔藓虫既可以生活在坚硬的基质(石头、礁石)上,也可以生活在柔软的基质(沙子和淤泥)上。此外,它们还以各种生物为食:藻类、软体动物、螃蟹、海蛇和海龟。某些苔藓虫可以钻出软体动物的钙质外壳,在其厚层上形成群落。

与众所周知的珊瑚一样,苔藓虫的群落形态多种多样:有匍匐和直立、扁平和分枝、扇形的、格子状甚至螺旋状。每个群落由大量带有触须冠(以过滤水)的个体组成。这些个体在形态和生理上相互关联,因此整个群落是一个高度整合的生命系统。苔藓虫是各类科学研究问题(包括演化过程)的模式生物。“大约300年前,人们首次发现并描述了苔藓虫,”圣大无脊椎动物学教研室教授,生物科学博士安德烈·奥斯特洛夫斯基(Андрей Островский)说道。“对于那个时代的科学家来说,它们看起来就像苔藓。因此它们被命名为‘苔藓植物类’动物。”

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安德烈·奥斯特洛夫斯基与圣大无脊椎动物学教研室助理教授奥尔加·科坚科(Ольга Котенко)、副教授娜塔莉亚·舒纳托娃(Наталья Шунатова)共同参与了一个由来自17个国家34名研究人员组成的大型国际科学团队。科学家们成功建立了迄今为止最完整的苔藓虫(苔藓虫门)系统发育树。该项目持续进行了近八年时间。

早前,研究人员在解决系统发育学问题时,主要依靠形态学数据。如今除了形态学数据,还会使用分子标记。据安德烈·奥斯特洛夫斯基称,正是两者的综合分析使科学团队获得了最准确的结果。例如,研究人员使用了15个苔藓虫线粒体基因和2个核基因。根据上述分子序列,他们比较了500多种苔藓虫。“我们将获得的结果与形态数据进行了比较,结果显示匹配率为70%,这是巨大的成功,”安德烈·奥斯特洛夫斯基说。“基于这些信息,我们得以重新构建目前最完整的苔藓虫系统发育树,它涵盖了这些动物已知属的近四分之一。当然,以后还会改进。但现在我们已经获得在体量和准确性方面独一无二的系统发育树,这是演化研究的重要工具。”

根据获得的系统发育树分支的性质,科学家们确定在苔藓虫的演化过程中,照顾后代的情况至少出现了五次。十年前,安德烈·奥斯特洛夫斯基根据形态学数据得出了这个结论,现在则在分子水平上得到了证实。“我们星球上的大多数动物都将后代交给命运处置。与此同时,绝大多数苔藓虫却都是非常有爱心的父母。在演化过程中,它们开发出各种孵化幼虫的方法。在某些情况下,后代在亲本生物体内发育。另一些苔藓虫则独立发育出各种结构的保护性育儿室。此外,科学家还指出,在带胚苔藓虫中,类似胎盘的组织反复出现,为胚胎提供额外的营养。“也许正是因为照顾幼体,苔藓虫获得了某些演化优势,使它们成为史上极为成功的生物群落。”

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科学家们使用化石数据,对系统发育分析进行校准和补充。“我们分析过的许多属的代表生物都留有化石遗骸。我们知道演化中关键特征出现的时间,将古生物学记录中的信息与分子数据进行比较,同时使用一种称为分子钟的模型来确定演化速率。这样就可以了解苔藓虫大型分类群的出现时间,例如各个目,”安德烈·奥斯特洛夫斯基解释道。

研究人员发现,最大的苔藓虫类群之一是唇口目(Cheilostomata),其出现时间比先前认为的还要早大约2亿年:不是在侏罗纪末期(1.6至-1.5亿年前),而是在石炭纪(3.45亿年前)。

“根据现代代表性生物的DNA中包含的信息,分子钟可以确定特定动物群的出现时期。根据我们的数据,第一批唇口目生物的出现时间比我们想象的还要早2亿年。但是这方面的古生物学证据尚未被发现。我愿意相信这些生物的化石残骸只是还没有被发掘出来。当然,也并不保证如此。毕竟大多数古代生物,尤其是那些缺乏坚固骨骼结构的生物,都在古生物学记录中难寻踪迹。这些本应存在但尚未发现其古老遗迹的群体,有时被称为幽灵群体,”安德烈·奥斯特洛夫斯说道。

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由此,科学家们的研究成就了几项重要的科学发现,同时也给他们提出了新的问题。例如,获得的数据表明,在古生代的后三分之一和中生代的前半期,唇口目便已经出现,并积极演化。然而仍然没有古生物学证据证明这一点,这意味着对于研究人员来说,这些假设存在的群体仍然是幽灵线索。此外,目前尚不清楚为什么形态特征与分子特征一致的情况只有70%,而有30%的情况不一致。这些是科学家们在未来要求索的问题。

我校研究人员参与的科学项目结项时间恰逢圣大以及俄罗斯动物学教育发端200周年。 1822年,正是在圣彼得堡帝国大学建立了首个带有研究室的动物学教研室。随后,它衍生出脊椎动物学教研室、无脊椎动物学教研室、遗传学教研室、昆虫学教研室、胚胎学教研室、水生生物学和鱼类学教研室等等。经过200多年的动物学研究,圣大创建了世界著名的生态寄生虫学学派、原生生物学学派、进化形态学学派、古生物学学派、鸟类学学派等等。如今,圣大动物学家们继续开展其教学和研究活动。他们中的许多人跻身俄罗斯和全球最优秀的专家行列。