Ученые СПбГУ помогли составить самое полное в мире филогенетическое дерево мшанок

Биологи Университета в составе международной исследовательской группы участвовали в анализе более 500 видов морских мшанок (животных-фильтраторов из типа Bryozoa), позволившем создать самое полное на настоящий момент филогенетическое дерево для этого таксона. Выяснилось также, что одна из групп мшанок возникла на 200 миллионов лет раньше, чем считалось прежде.

Внешний вид колонии Cribrilina annulata
Внешний вид колонии Cribrilina annulata

Исследование поддержано грантом РНФ № 18-14-00086. Подробные результаты опубликованы в журнале Science Advances. Статья вышла в год 200-летия зоологии в СПбГУ.

Мшанки — колониальные беспозвоночные животные, широко распространенные в морских и пресноводных экосистемах. Эти очень древние организмы появились в океанах нашей планеты по крайней мере в начале кембрийского периода. За это время они освоили весь спектр глубин (от приливно-отливной зоны до абиссали), адаптировались к разным условиям солености и даже смогли заселить пресные воды. Мшанки могут жить как на твердых субстратах (камнях, скалах), так и на мягких (песке и илах). Кроме того, они поселяются на различных живых объектах: на водорослях, моллюсках и крабах, на морских змеях и черепахах. Некоторые мшанки могут сверлить известковые раковины моллюсков, образуя колонии в их толще.

Как и известные всем кораллы, Bryozoa характеризуются разнообразными формами колоний: стелющимися и прямостоячими, плоскими и ветвящимися, фестончатыми, решетчатыми и даже спиральными. Каждая колония состоит из множества зооидов, имеющих крону щупалец для фильтрации воды.

Фото питающейся колонии Alcyonidium
Фото питающейся колонии Alcyonidium

Зооиды морфологически и физиологически связаны друг с другом, поэтому колония представляет собой высокоинтегрированную живую систему. Мшанки служат модельными организмами для изучения большого спектра научных проблем, включая эволюционные процессы.

Впервые мшанок открыли и описали примерно 300 лет назад. Ученым тех времен они казались похожими на мох. Поэтому им дали название «мохообразные» животные.

Андрей Островский, доктор биологических наук, профессор СПбГУ (кафедра зоологии беспозвоночных)

Андрей Островский вместе с Ольгой Котенко, ассистентом СПбГУ (кафедра зоологии беспозвоночных), и Натальей Шунатовой, доцентом СПбГУ той же кафедры, вошли в состав большой международной научной группы из 34 исследователей из 17 стран. Ученым удалось построить самое полное на настоящий момент филогенетическое древо мшанок (типа Bryozoa). Проект длился почти восемь лет.

Ранее, решая вопросы филогении, исследователи опирались преимущественно на морфологические данные. Сейчас в дополнение к ним используются молекулярные маркеры. По словам Андрея Островского, именно совокупный анализ тех и других позволил научной группе получить наиболее точный результат. Так, исследователи использовали 15 митохондриальных генов мшанок и два ядерных. По этим молекулярным последовательностям они сравнили между собой более 500 видов этих животных. «Полученные результаты мы сопоставили с морфологическими данными и выявили 70-процентное совпадение. Это настоящий успех, — говорит ученый. — На основе этой информации удалось реконструировать самую полную из существующих на настоящий момент филогению Bryozoa, охватывающую почти четверть известных родов этих животных. Конечно, впоследствии она будет дорабатываться. Но уже сейчас мы получили уникальное по объему и точности филогенетическое дерево, которое является важным инструментом для эволюционных исследований».

По характеру ветвления полученного филогенетического дерева ученые определили, что в ходе эволюции у мшанок как минимум пять раз возникала забота о потомстве. Андрей Островский сделал этот вывод десятилетие назад, основываясь на морфологических данных, и теперь это доказано на молекулярном уровне.

Большинство животных на нашей планете оставляет потомство на произвол судьбы. В то же время подавляющее большинство мшанок — очень заботливые родители. В ходе эволюции у них появились различные способы инкубации личинок.

Андрей Островский, доктор биологических наук, профессор СПбГУ (кафедра зоологии беспозвоночных)

«У одних потомство развивается внутри родительского организма. У других независимо возникли разные по строению защитные выводковые камеры. Более того, у вынашивающих мшанок неоднократно возникали плацентарные аналоги, обеспечивающие дополнительное питание эмбрионов, — отмечает ученый. — Возможно, именно в связи с возникновением заботы о молоди мшанки получили определенные эволюционные преимущества, что позволило им стать очень успешной в историческом плане группой организмов».

Подборка фото внешнего вида мшанок с различными выводковыми камерами
Подборка фото внешнего вида мшанок с различными выводковыми камерами

Филогенетический анализ ученые дополнили калибровкой при помощи ископаемых данных. «От представителей многих из проанализированных нами родов остались ископаемые остатки. Зная время возникновения ключевых признаков в эволюции, мы сопоставили сведения из палеонтологической летописи с молекулярными данными, параллельно применив модель для определения темпов эволюции, имеющую название молекулярные часы. Это позволило получить представление о том, когда возникали крупные таксоны мшанок, например отряды», — поясняет Андрей Островский.

Исследователи выяснили, что одна из самых крупных групп мшанок — отряд Cheilostomata — появилась приблизительно на 200 миллионов лет раньше, чем считалось прежде: не в конце юрского периода (160–150 миллионов лет назад), а в каменноугольном периоде (345 миллионов лет назад).

«Молекулярные часы позволяют определить период возникновения той или иной группы животных по информации, содержащейся в ДНК ее современных представителей. По нашим данным, первые Cheilostomata возникли на двести миллионов лет раньше, чем считалось. Но палеонтологические свидетельства этому пока не обнаружены. Хочется верить, что ископаемые остатки этих организмов просто еще не найдены. Хотя гарантий, конечно, нет. Ведь большинство древних организмов, особенно те, кто лишен твердых скелетных структур, исчезли из палеонтологической летописи бесследно. Такие группы, которые должны были существовать, но древние остатки которых до сих пор не найдены, иногда называют группами-призраками», — рассказывает биолог.

Внешний вид колоний некоторых исследованных мшанок
Внешний вид колоний некоторых исследованных мшанок

Таким образом, исследование ученых привело к нескольким важным научным открытиям. Одновременно оно поставило перед ними новые вопросы. Например, полученные данные показывают, что отряд Cheilostomata возник и активно эволюционировал уже в последней трети палеозоя и в первой половине мезозоя. Однако палеонтологических подтверждений этому еще нет, а значит, такие гипотетические группы остаются для исследователей линиями-призраками. Кроме этого, пока непонятно, почему в 70 % случаев морфологические признаки совпали с молекулярными, а в 30 % нет. Это те вопросы, на которые ученые будут искать ответы в будущем.

Научный проект, в котором приняли участие исследователи Университета, завершился в год 200-летнего юбилея зоологического образования в СПбГУ и в России. Именно в Императорском Санкт-Петербургском университете в 1822 году начала работу первая кафедра зоологии с Зоологическим кабинетом. Впоследствии из нее сформировались кафедры зоологии позвоночных, зоологии беспозвоночных, генетики, энтомологии, эмбриологии, гидробиологии и ихтиологии. За 200 лет зоологических исследований в СПбГУ были созданы известные во всем мире научные школы экологической паразитологии, протистологии, эволюционной морфологии, палеонтологии, орнитологии и других направлений. Сегодня ученые-зоологи СПбГУ продолжают развивать учебно-научную деятельность. Многие из них входят в число лучших специалистов страны и мира.