水母基因组暗示，复杂性在基因上并不复杂

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A.至少在过去5亿年左右的进化史中，一个最重要的主题是增加复杂性. 当然，还有其他的主题，但生命自诞生以来无疑变得更加复杂。早期细胞聚集在一起形成多细胞联盟. 随着千年的流逝，这些人的身体和生活方式变得更加复杂，找到了越来越多样化的谋生方式。你可能会想到，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表明，尽管如此，至少适用于水母，在动物历史中至关重要的谦逊生物，谦逊的生物体演变。他们不需要更多的基因 - 甚至特别是不同的基因 - 为他们的巨大飞跃能力。这项新的研究增加了一个日益增长的工作机构，对寻找复杂性演变的直接基因组特征来说，令人怀疑。

水母和海葵、珊瑚和九头蛇一起栖息在海滩上Cnidarian分支动物的动物树。导致Cnidarians的叉子代表了动物变得双边对称之前的最终差距，这使得它们成为一个有趣的群体，因为这种复杂性更加创新。水母像堂兄一样开始生活，因为围绕海底的畸形息肉，在通过电流的食物中掠过。与他们的表兄弟不同，他们最终脱离了一个被称为Medusa的自由游泳形式，“我们通常想到什么时候想到水母，”大卫·戈尔德戴维斯在加利福尼亚大学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是哈佛大学的生物学家，研究动物的复杂性，但没有参与这项研究。他警告说，我们如何看待复杂性与其说与我们试图定义的东西有关，不如说与我们自己有关。因为我们与海绵和水母如此不同，我们可能会错过复杂的代谢途径或“简单”动物生活的其他特征，导致我们在存在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Aurelia.，月亮水母，然后将其与未培养的人进行比较。

如果生命史的彻底改变需要基因含量的大幅增加，那么Aurelia.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Aurelia.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。

这一发现对Gold来说并不十分令人惊讶，因为如果你眯着眼睛看的话，其他更为不同物种的基因组看起来也相当相似。Gold已经有了一个更微妙的假设：当谈到构建一个身体时，重要的不仅仅是基因存在什么，还有它们被使用的时间。如果你在水母身上寻找构建复杂性的基因，那么在水母发育过程中，当复杂性显现时，寻找它们是有意义的。Gold认为水母特有的基因在水母从水螅转化为水母的过程中是活跃的。

但是他的惊喜，那不是他发现的。梅杜斯舞台上独有的新基因不可能在Medusa阶段表达，或者任何发展阶段，比其他更老的基因都是如此。“在广泛的遗传层面，它似乎并不需要基因组的重大变化，以使您的生活历史上的这些发生重大变化，”Gold说。

另一种解释占通过在原始故事中翻转缺乏差异。或许复杂性，以美杜莎舞台的形式存在于早期的南林氏患者中，但在今天的所有相关团体中丢失，除了水母。无论哪种情况都会产生类似的基因组签名，尽管黄金认为后者不太可能。比较不同阶段的更多的Cnidarian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。”

Gold的结果与另一种水母基因组的结果大致一致，克丽蒂亚。这项研究也发现了新的基因没有大的作用。要添加到谜团，甚至有暗示克丽蒂亚，更古老、更保守的路径在水母的发育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。

这个Aurelia.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。

即使是最早的动物血统也有着意想不到的复杂性。当Srivastava及其同事对第一个海绵基因组在2010年，他们被惊呆了，找到了在这个无脑，肌肉海绵中已经存在的其他动物的基因和肌肉。“基因是一样的，但显然他们并没有一起工作，以做同样的事情，”她说。

随着更多基因组进行测序，研究人员将能够超越广泛的刷子描述。“我认为基因组测序是一种生成假设的一个非常好的工具，”SriivAstava说。“然后，序列本身向我们提供了更有效地测试这些假设的工具。”使用序列数据和功能工具，如CRISPR，科学家可以开始调整个体基因和基因网络以解开其联系之间的关系和它们构建的各种形式。

“我可以给你一个似乎与复杂程度的增加相关的基因列表，”Srivastava说，“但在某些水平上不是非常强大的信息。它无法解释为什么人类看起来像一个人，海绵看起来像海绵。“据她介绍，“下一个大型进展将来自实验生物学的艰苦工作，”她很高兴看到艰苦的工作需要我们。

约翰纳森·兰伯特（Johnathan Lambert）是一位进化生物学家，后来成为科学作家，目前担任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早上新闻，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。