beviset er i proteinerne: Test Understøtter Universal Common Ancestor for All Life

Jordens første livsform, der flyder i det ordsprogede skum af det oprindelige hav, der til sidst gav anledning til træer, bier og mennesker, er ikke kun en populær Darvinisk indbildskhed, men også en væsentlig biologisk forudsætning, som mange forskere stoler på som en del af grundlaget for deres arbejde.
i det 19.århundrede gik Charles ud over andre, der havde foreslået, at der kunne være en fælles forfader for alle pattedyr eller dyr, og foreslog, at der sandsynligvis var en fælles forfader for alt liv på planeten—plante, dyr og bakterier.
en ny statistisk analyse tager denne antagelse til bænken og finder ud af, at den ikke kun holder vand, men faktisk er overvældende sund.
var det ikke allerede indlysende, fra opdagelsen og dechifreringen af DNA, at alle livsformer stammer fra en enkelt fælles organisme—eller i det mindste en basal Art? Nej, siger Douglas Theobald, adjunkt i biokemi ved Brandeis University og forfatter til den nye undersøgelse, der er beskrevet i 13.maj-udgaven af Nature. (Scientific American er en del af Nature Publishing Group.) Faktisk siger han, “da jeg gik ind i det, vidste jeg virkelig ikke, hvad svaret ville være.”
på trods af vanskelighederne ved formelt at teste evolution—især tilbage på tværs af æonerne til selve livets fremkomst—var Theobald i stand til at køre strenge statistiske analyser af aminosyresekvenserne i 23 universelt konserverede proteiner på tværs af de tre store divisioner af livet (eukaryoter, bakterier og arkæer). Ved at tilslutte disse sekvenser til forskellige relationelle og evolutionære modeller fandt han, at en universel fælles forfader er mindst 10^2.860 mere tilbøjelige til at have produceret de moderne proteinsekvensafvigelser end endda det næste mest sandsynlige scenario (involverer flere separate forfædre).*
“Evolution gør det godt, hvor det kan testes,” siger David Penny, professor i teoretisk biologi ved Institut for Molekylær BioSciences ved Massey University og medforfatter til en ledsagende redaktionel. Alligevel bemærker han, at evolution i bedste fald kan gøre “testbare forudsigelser om fortiden (især kvantitative)” vanskelige. “At Theobald kunne udtænke en formel prøve, “siger han,” var fremragende…. Det vil sandsynligvis føre til et spring i, hvad der forventes af den formelle evaluering af hypoteser, og det ville hjælpe alle.”
fælles forfader acrimony
midten af det 20.århundrede opdagelser om universaliteten af DNA” virkelig spikret det for mennesker ” med hensyn til at etablere i populær-og akademisk-kultur, at der var en enkelt universel fælles forfader for alt kendt liv på jorden, siger Theobald. Og siden da,” det er blevet bredt antaget som sandt, ” bemærker han.
men i de sidste par årtier er der opstået ny tvivl i nogle kredse. Mikrobiologer har fået en bedre forståelse af genetisk opførsel af enkle livsformer, som kan være meget mere amorf end den typiske, lodrette overførsel af gener fra generation til generation. Mikrobernes evne som bakterier og vira til at udveksle gener lateralt blandt individer—og endda blandt arter—ændrer noget af den grundlæggende strukturelle forståelse af evolutionskortet. Med vandrette genoverførsler kan genetiske signaturer bevæge sig hurtigt mellem grene og hurtigt omdanne et traditionelt træ til en sammenfiltret bane. Denne dynamik ” kaster tvivl om dette træ af livsmodel,” siger Theobald. Og ” når du kaster tvivl om, at, det slags kaster tvivl om fælles herkomst samt.”
med opdagelsen af archaea som det tredje store domæne i livet—ud over bakterier og eukaryoter—blev mange mikrobiologer mere tvivlsomme af en enkelt fælles forfader over hele linjen.
en test for evolution
andre forskere havde sat visse dele af livet på prøve, herunder en lignende statistisk analyse fra 1982 af Penny, der testede forholdet mellem flere hvirveldyrarter. Theobald beskriver papiret som ” cool, men problemet der er, at de ikke tester universal ancestry.”Med fremskridt inden for genetisk analyse og statistisk magt så Theobald imidlertid en måde at skabe en mere omfattende test for alt liv.
i løbet af sin forskning havde Theobald stødt på et fælles, men “næsten uhåndterligt evolutionært problem” inden for molekylærbiologi. Mange makromolekyler, såsom proteiner, har lignende tredimensionelle strukturer, men meget forskellige genetiske sekvenser. Det spørgsmål, der plagede ham, var: Var disse lignende strukturer eksempler på konvergent udvikling eller bevis for fælles herkomst?
” alle de klassiske beviser for fælles forfædre er kvalitative og er baseret på fælles ligheder,” siger Theobald. Han ønskede at finde ud af, om fokus på disse ligheder var førende forskere på afveje.
forladte antagelser
de fleste mennesker og endda forskere opererer under den forudsætning, at genetiske ligheder indebærer en fælles relation eller forfader. Men som med ligheder i fysisk udseende eller struktur, kan disse antagelser “kritiseres”, bemærker Theobald. Naturlig udvælgelse har givet adskillige eksempler på konvergent fysisk udvikling, såsom de præhensile fortællinger om possums og edderkopaber eller de lange klæbrige insektspisende tunger fra anteatere og bæltedyr. Og med vandret genoverførsel oven på det kunne lignende argumenter fremsættes for genetiske sekvenser.
” jeg tog virkelig et skridt tilbage og forsøgte at antage så lidt som muligt ved at udføre denne analyse,” siger Theobald. Han kørte forskellige statistiske evolutionære modeller, herunder dem, der tog horisontal genoverførsel i betragtning og andre, der ikke gjorde det. Og de modeller, der tegnede sig for vandret genoverførsel, endte med at give den mest statistiske støtte til en universel fælles forfader.
skumle origins
Theobald siger, at hans mest overraskende resultater var “hvor stærkt de støtter fælles herkomst.”I stedet for at blive skuffet over blot at sikkerhedskopiere en langvarig antagelse, siger han i det mindste, “det er altid rart at vide, at vi er på rette vej.”
disse fund betyder ikke, at en universel fælles forfader etablerer “livets træ” mønster for tidlig evolutionær dynamik. De udleder imidlertid heller ikke en” livets net ” – struktur. Debatten om træ versus internet forbliver ” meget kontroversiel lige nu i evolutionær biologi,” siger Theobald, tilbageholdende med at vælge en side selv.
en af de andre store ukendte tilbage er netop, da denne universelle fælles forfader levede, og hvordan den kunne have set ud—et spørgsmål, der vil tage mere end Theobalds statistiske modeller at besvare. Theobald bemærker også, at støtten til en universel fælles forfader ikke udelukker tanken om, at livet opstod uafhængigt mere end en gang. Hvis andre, fuldt adskilte slægter dukkede op, imidlertid, de uddøde enten eller forbliver endnu uopdagede.
forskning vil sandsynligvis skubbe ind i disse mørke hjørner af tidlig evolution, Penny noter, som “forskere er aldrig tilfredse.”Han forventer, at forskere vil forsøge at sortere tilbage endnu tidligere, før DNA overtog, og vurdere de tidlige stadier af evolutionen i løbet af RNA-dagene.
på et mere grundlæggende niveau, siger Penny, bør papiret ikke sætte en stopper for vurderingen af forfædres antagelser. I stedet skal det være en påmindelse om, at “vi har aldrig tænkt på alle mulige hypoteser,” siger han. “Så vi bør aldrig stoppe med at overveje en ny tilgang, vi ikke har tænkt på endnu.”
*Erratum (5/13/10): denne sætning blev ændret efter offentliggørelsen. Det erklærede oprindeligt, at en universel fælles forfader er mere end 10 gange mere sandsynlig.