Der Beweis liegt in den Proteinen: Test Supports Universal Common Ancestor for All Life

Die erste Lebensform der Erde, die im sprichwörtlichen Schaum der Urmeere schwimmt, aus der schließlich Bäume, Bienen und Menschen hervorgingen, ist nicht nur eine beliebte darwinistische Einbildung, sondern auch eine wesentliche biologische Prämisse, auf die sich viele Forscher als Grundlage ihrer Arbeit verlassen.
Im 19.Jahrhundert ging Charles Darwin über andere hinaus, die vorgeschlagen hatten, dass es einen gemeinsamen Vorfahren für alle Säugetiere oder Tiere geben könnte, und schlug vor, dass es wahrscheinlich einen gemeinsamen Vorfahren für alles Leben auf dem Planeten gäbe — Pflanzen, Tiere und Bakterien.
Eine neue statistische Analyse nimmt diese Annahme auf die Probe und stellt fest, dass sie nicht nur Wasser enthält, sondern in der Tat überwältigend solide ist.
War es nicht schon offensichtlich, aus der Entdeckung und Entschlüsselung der DNA, dass alle Lebensformen von einem einzigen gemeinsamen Organismus abstammen — oder zumindest einer basalen Spezies? Nein, sagt Douglas Theobald, Assistenzprofessor für Biochemie an der Brandeis University und Autor der neuen Studie, die in der Ausgabe vom 13. (Scientific American ist Teil der Nature Publishing Group. Tatsächlich sagt er: “Als ich darauf einging, wusste ich wirklich nicht, was die Antwort sein würde.”
Trotz der Schwierigkeiten, die Evolution formal zu testen – insbesondere über die Äonen hinweg bis zur Entstehung des Lebens selbst — war Theobald in der Lage, strenge statistische Analysen der Aminosäuresequenzen in 23 universell konservierten Proteinen in den drei Hauptbereichen des Lebens (Eukaryoten, Bakterien und Archaeen) durchzuführen. Indem er diese Sequenzen in verschiedene relationale und evolutionäre Modelle einfügte, fand er heraus, dass ein universeller gemeinsamer Vorfahr mindestens 10 ^ 2.860 wahrscheinlicher ist, die heutigen Proteinsequenzvarianzen erzeugt zu haben, als selbst das nächstwahrscheinlichste Szenario (mit mehreren separaten Vorfahren).*
“Evolution ist dort gut, wo sie getestet werden kann”, sagt David Penny, Professor für theoretische Biologie am Institut für molekulare Biowissenschaften der Massey University in Neuseeland und Co-Autor eines begleitenden Leitartikels. Er stellt jedoch fest, dass die Evolution “überprüfbare Vorhersagen über die Vergangenheit (insbesondere quantitative)” bestenfalls schwierig machen kann. “Dass Theobald einen formalen Test entwickeln konnte”, sagt er, “war ausgezeichnet …. Es wird wahrscheinlich zu einem Sprung in dem führen, was von der formalen Bewertung von Hypothesen erwartet wird, und das würde allen helfen.”
Common ancestor acrimony
Die Entdeckungen der Mitte des 20.Jahrhunderts über die Universalität der DNA “haben es für die Menschen wirklich geschafft”, in der populären – und akademischen – Kultur festzustellen, dass es einen einzigen universellen gemeinsamen Vorfahren für alles bekannte Leben auf der Erde gab, sagt Theobald. Und seitdem “wird allgemein angenommen, dass es wahr ist”, stellt er fest.
Aber in den letzten paar Jahrzehnten sind in einigen Kreisen neue Zweifel aufgetaucht. Mikrobiologen haben ein besseres Verständnis des genetischen Verhaltens einfacher Lebensformen gewonnen, die viel amorpher sein können als der typische vertikale Transfer von Genen von einer Generation zur nächsten. Die Fähigkeit von Mikroben wie Bakterien und Viren, Gene lateral zwischen Individuen—und sogar zwischen Arten — auszutauschen, verändert einige der grundlegenden strukturellen Verständnis der Karte der Evolution. Bei horizontalen Gentransfers können sich genetische Signaturen schnell zwischen Zweigen bewegen und einen traditionellen Baum schnell in ein verworrenes Netz verwandeln. Diese Dynamik “wirft Zweifel an diesem Lebensbaum-Modell auf”, sagt Theobald. Und “sobald Sie daran zweifeln, wirft es auch Zweifel an der gemeinsamen Abstammung auf.”
Mit der Entdeckung der Archaeen als der dritten großen Domäne des Lebens — neben Bakterien und Eukaryoten – wurden viele Mikrobiologen zweifelhafter an einem einzigen gemeinsamen Vorfahren auf der ganzen Linie.
Ein Test für die Evolution
Andere Forscher hatten bestimmte Abschnitte des Lebens auf die Probe gestellt, einschließlich einer ähnlichen statistischen Analyse von 1982 durch Penny, die die Beziehung mehrerer Wirbeltierarten testete. Theobald beschreibt das Papier als “cool, aber das Problem ist, dass sie keine universelle Abstammung testen.” Mit Fortschritten in der genetischen Analyse und der statistischen Aussagekraft sah Theobald jedoch einen Weg, einen umfassenderen Test für alles Leben zu erstellen.
Im Laufe seiner Forschung stieß Theobald auf ein häufiges, aber “fast unlösbares evolutionäres Problem” in der Molekularbiologie. Viele Makromoleküle, wie Proteine, haben ähnliche dreidimensionale Strukturen, aber sehr unterschiedliche genetische Sequenzen. Die Frage, die ihn plagte, war: Waren diese ähnlichen Strukturen Beispiele für konvergente Evolution oder Beweise für gemeinsame Abstammung?
“Alle klassischen Beweise für gemeinsame Abstammung sind qualitativ und basieren auf gemeinsamen Ähnlichkeiten”, sagt Theobald. Er wollte herausfinden, ob die Konzentration auf diese Ähnlichkeiten Wissenschaftler in die Irre führte.
Aufgegebene Annahmen
Die meisten Menschen und sogar Wissenschaftler gehen davon aus, dass genetische Ähnlichkeiten eine gemeinsame Beziehung oder einen gemeinsamen Vorfahren implizieren. Aber wie bei Ähnlichkeiten in der physischen Erscheinung oder Struktur können diese Annahmen “kritisiert werden”, bemerkt Theobald. Die natürliche Selektion hat zahlreiche Beispiele für konvergente physikalische Evolution geliefert, wie die Greifgeschichten von Opossums und Klammeraffen oder die langen klebrigen insektenfressenden Zungen von Ameisenbären und Gürteltieren. Und mit horizontalem Gentransfer könnten ähnliche Argumente für genetische Sequenzen vorgebracht werden.
“Ich bin wirklich einen Schritt zurückgetreten und habe versucht, bei dieser Analyse so wenig wie möglich anzunehmen”, sagt Theobald. Er führte verschiedene statistische Evolutionsmodelle durch, darunter solche, die den horizontalen Gentransfer berücksichtigten, und andere, die dies nicht taten. Und die Modelle, die für den horizontalen Gentransfer verantwortlich waren, lieferten am Ende die statistischste Unterstützung für einen universellen gemeinsamen Vorfahren.
Trübe Ursprünge
Theobald sagt, seine überraschendsten Ergebnisse waren, “wie stark sie die gemeinsame Abstammung unterstützen.” Anstatt enttäuscht zu sein, nur eine lang gehegte Annahme zu untermauern, sagt er zumindest: “Es ist immer schön zu wissen, dass wir auf dem richtigen Weg sind.
Diese Ergebnisse bedeuten nicht, dass ein universeller gemeinsamer Vorfahr das “Baum des Lebens” -Muster für die frühe evolutionäre Dynamik festlegt. Sie schließen jedoch auch nicht auf eine “Web of Life” -Struktur. Die Baum-gegen-Netz-Debatte bleibt “in der Evolutionsbiologie derzeit sehr umstritten”, sagt Theobald und zögert, selbst eine Seite zu wählen.
Eine der anderen verbleibenden großen Unbekannten ist, wann dieser universelle gemeinsame Vorfahr lebte und wie er ausgesehen haben könnte — eine Frage, deren Beantwortung mehr als Theobalds statistische Modelle erfordern wird. Theobald stellt auch fest, dass die Unterstützung eines universellen gemeinsamen Vorfahren die Idee nicht ausschließt, dass das Leben mehr als einmal unabhängig voneinander entstanden ist. Wenn jedoch andere, völlig unterschiedliche Linien auftauchten, starben sie entweder aus oder blieben noch unentdeckt.
Die Forschung wird wahrscheinlich in diese dunklen Ecken der frühen Evolution vordringen, bemerkt Penny, da “Wissenschaftler niemals zufrieden sind.” Er erwartet, dass die Forscher versuchen werden, noch früher zu sortieren, bevor die DNA die Macht übernahm, und die frühen Stadien der Evolution während der RNA-Tage zu bewerten.
Auf einer grundlegenderen Ebene, sagt Penny, sollte das Papier der Bewertung von Ahnenannahmen kein Ende setzen. Stattdessen sollte es eine Erinnerung daran sein, dass “wir nie an alle möglichen Hypothesen gedacht haben”, sagt er. “Wir sollten also nie aufhören, über einen neuen Ansatz nachzudenken, an den wir noch nicht gedacht haben.”
*Erratum (5/13/10): Dieser Satz wurde nach der Veröffentlichung geändert. Es wurde ursprünglich angegeben, dass ein universeller gemeinsamer Vorfahr mehr als 10-mal wahrscheinlicher ist.