71% поверхности Земли покрыто океанами, и она является домом для удивительного разнообразия морской жизни. Раскрытие истории жизни требует изучения тайн морских организмов. Эволюционная биология развития («evo-devo») — это быстрорастущая междисциплинарная область, которая стремится выяснить происхождение жизни и гистологические процессы, которые стимулируют диверсификацию. Однако давняя зависимость от наземных модельных видов, используемых в сравнительных исследованиях, упускает из виду идеи, предлагаемые морской жизнью. Расширение использования новых морских организмов для устранения этого пробела в знаниях может произвести революцию в исследованиях. Лофотрохозоиды (Lophotrochozoa), одна из трёх основных групп билатерий (разновидность двусторонних животных, тело которых разделяется на симметричные половины), входит в число самых ценных, так как богата видами представителей моллюсков, кольчатых и плоских червей, а также других беспозвоночных, которые демонстрируют замечательное разнообразие жизненных циклов и строения тела. Однако они остаются относительно малоизученными. Смещение акцента на более глубокое изучение морских лофотрохозойных даёт беспрецедентную возможность исследовать эволюционную историю жизни, фокусируясь на освещении многочисленных биологических перспектив понимания биологического развития.

Достижения в области передовых омических технологий и резкое увеличение количества высокопроизводительных серверов, способных изучать сложное разнообразие функциональных геномных данных произвели революцию в понимании «evo-devo». За последние 5 лет количество изученных геномов на хромосомном уровне представителей этой группы морских животных увеличилось в 21 раз, с 11 до 229 видов. Многофункциональные наборы данных расширились примерно в 3 раза, с 15 338 до 42 312 и охватывают уже 2279 видов. На сегодняшний день эти давно упускаемые из виду геномные сокровища только начинают идентифицироваться. Были сделаны фундаментальные открытия относительно критических молекулярных механизмов, которые могли управлять эволюционными новшествами, включая высокую гетерозиготность генома, расширение семейства генов, специфичных для происхождения, динамический набор перемещаемых элементов и т.д. Эта замечательная пластичность, вероятно, объясняет их эволюционный успех. Более того, лофотрохозойные демонстрируют медленно эволюционирующий паттерн с многочисленными предковыми признаками, включая глубоко консервативный репертуар генов и замечательную стабильность в организации. Эти неожиданные открытия предоставляют уникальные возможности для более глубокого понимания раннего происхождения и эволюционных механизмов, которые сформировали развитие многих животных Земли.

Все основные типы животных внезапно появились в разнообразных формах в ходе события, называемого «кембрийским взрывом» (∼540 млн лет назад). Лофотрохозойные так же появились во время этого важного исторического события, и они составляют почти половину существующих кембрийских типов, демонстрируя наибольшее морфологическое разнообразие. Широко распространённое расширение семейства генов заметно у животных кембрийского периода и играет ключевую роль в процессе развития, например, в формировании основных зародышевых листков, двусторонней симметрии и других ключевых чертах, способствуя тем самым эволюционным инновациям. Гены долгое время были центральной парадигмой в исследованиях эволюции и считаются ключом к раскрытию тайн кембрийского взрыва. Стратегии жизненного цикла также были предложены в качестве ключевых объяснений видового разнообразия. Многие типы морских животных развиваются непрямым путём и имеют двухфазный жизненный цикл, состоящий из первичных реснитчатых личинок. Однако то, как возникли личинки метазойных многоклеточных животных, остаётся главной загадкой. Исторически противоречивые гипотезы «сначала личинка» и «сначала взрослая особь» основывались в первую очередь на данных о морфологии и развитии. Они были существенно ограничены неполными ископаемыми останками с ограниченными молекулярными данными.

С точки зрения «сначала зародилась личинка», эволюция изменений в развитии приводит к добавлению бентосной взрослой особи, тогда как, если рассматривать гипотезу, что «сначала появилась взрослая особь», то именно она остаётся предковой, а личиночные стадии конвергентно сменяют друг друга несколько раз. Эти гипотезы сейчас снова обсуждаются и объединяют систематическую молекулярную характеристику. Удивительно, но филостратиграфический подход выявил широко распространённые свидетельства быстрой личиночной эволюции с необычайным включением новых генов в виды метазойных животных. Более того, учитывая молекулярное соответствие первичных личиночных стадий в различных репрезентативных линиях метазоа, включая губчатых, книдарий, первичноротых (моллюсков/аннелид) и вторичноротых (иглокожих/оболочников), была предложена гипотеза единой древней стадии развития личинок многоклеточных. Дальнейшие исследования лофотрохозойных подчеркнули, что программы временного разделения способствовали эволюции личинок, потенциально поддерживая диверсификацию жизненных циклов билатерий и отклоняясь от канонических сценариев кооптации (механизм эволюции, при котором существующие гены приобретают новые функции). Эти открытия меняют наше понимание макроэволюционных механизмов, лежащих в основе регуляции развития первичных личинок, как в отношении их происхождения, так и в отношении того, как они способствуют диверсификации жизненного цикла.

Немногие группы животных вызывают столько удивления в этом отношении, как головоногие моллюски, которых иногда называют «инопланетными животными». Они обладают невероятными глазами, похожими на камеры, необычно большим мозгом, передовыми свойствами к обучению и самой развитой способностью менять цвет кожи. Эти черты делают их уникальной моделью для исследований. У лофотрохозойных их независимо эволюционировавшие и отличающиеся по развитию органы зрения, тем не менее поразительно похожи на глаза осьминогов и позвоночных. А между тем, осьминоги демонстрируют эволюцию развитого интеллекта, оставляя исследователей в недоумении. Революционное открытие о беспрецедентном редактировании несинонимичных РНК, обнаруженное у головоногих моллюсков, предлагает нестандартную парадигму, изменив для учёных понимание развития нервной системы и в нейрофизиологических функциях некоторых видов животных, обитающих на суше. Массовое расширение семейства генов, крупномасштабные геномные перестройки и всплески переносимых элементов привели к появлению новых регуляторных элементов (например, длинных некодирующих РНК), которые в совокупности могут способствовать их замечательной поведенческой пластичности. Хотя механизм того, как головоногие моллюски усваивают эти уникальные новшества для трансформации организма, остаётся загадкой, в совокупности эти находки открывают новые возможности для понимания стратегий эволюции развития в различных родословных.

Регенерация отдельных органов, тканей или всего тела может быть заветной мечтой человечества. Удивительно, но эта «суперспособность» широко распространена у морских беспозвоночных, таких как «бессмертная» медуза, «девятиглавая» гидра и, в частности, у «неуничтожимых планарий» плоских червей, которые привлекли внимание учёных ещё в 1898 году из-за полной регенерации из 1/279 фрагмента особи. С тех пор были проведены обширные исследования, приведшие к открытию их естественного секрета: популяции взрослых стволовых клеток (необластов), которые не только обладают способностью генерировать подлинно плюрипотентные стволовые клетки, но и могут получать ориентиры для изменения своего положения и дифференцирования, выступая для эмбриона в качестве специфических сигналов к развитию новой особи. Это сильно контрастирует с позвоночными, у которых плюрипотентность (способность к обновлению) эмбриональных стволовых клеток постепенно уменьшается в процессе развития. Итак, каким образом плюрипотентные стволовые клетки сначала формируются, а затем сохраняются во взрослом состоянии у этих беспозвоночных? Это было давней загадкой, которую пытались решить очень многие биологи.

Недавнее инновационное открытие в регенеративном черве Hofstenia miamia показывает, что эмбриональное происхождение взрослых плюрипотентных стволовых клеток прослеживается до одной линии (пары бластомеров), включающей ключевые факторы, которые имеют решающее значение для начальных спецификаций необластов. Понимание регуляции этих мощных стволовых клеток имело бы большой потенциал для выявления новых биологических принципов, касающихся регенерации, и могло бы пролить свет на терапевтические подходы в регенеративной медицине и антивозрастных методах лечения.

Исторические смещения в отборе проб, обусловленные такими факторами, как лёгкий доступ, медицинская значимость и экономическая ценность, привели к различиям в исследовании лофотрохозоев, среди которых есть пять типов (Cycliophora, Entoprocta, Micrognathozoa, Gnathostomulida и Phoronida), которые по-прежнему не имеют высококачественных референсных геномов. А поэтому учёным необходимы более масштабные усилия по секвенированию более 10 тысяч геномов. Было подсчитано, что доля неаннотированных генов в геномах моллюсков (т. е. «темных генов») необычайно высока (например, ∼23% для аннотации на основе бластов и ∼47% для аннотации на основе ортогрупп). В сочетании с функциональными анализами, хорошо зарекомендовавшие себя базы данных мультиомики и эффективные инструменты биоинформатики «чёрного ящика» (включая глубокое обучение) обеспечивают мощную основу для высокопроизводительного функционального выяснения темных генов. Также необходимы сложные наборы инструментов для функциональных исследований менее известных или новых появляющихся модельных видов. В совокупности эти модели могли бы предложить новый план для раскрытия вопросов о природе гомологии животных и новшеств, информируя нас о связях между развитием и эволюцией.