La Prova È nel Proteine: Test Supporta Universale Antenato Comune per Tutta la Vita

Terra prima forma di vita, galleggiante nel proverbiale schiuma delle primordiale mari che, alla fine, ha dato luogo ad alberi, le api e gli esseri umani, non è solo un popolare Darwiniana presunzione, ma anche un essenziale biologico premessa che molti ricercatori si basano su, come parte della fondazione del loro lavoro.
Nel 19 ° secolo, Charles Darwin andò oltre gli altri, che avevano proposto che ci potesse essere un antenato comune per tutti i mammiferi o gli animali, e suggerì che ci fosse probabilmente un antenato comune per tutta la vita sul pianeta—pianta, animale e batterica.
Una nuova analisi statistica prende in esame questa ipotesi e scopre che non solo trattiene l’acqua, ma in effetti è schiacciante.
Non era già evidente, dalla scoperta e decifrazione del DNA, che tutte le forme di vita discendono da un singolo organismo comune—o almeno da una specie basale? No, dice Douglas Theobald, un assistente professore di biochimica della Brandeis University e autore del nuovo studio, dettagliato nel numero di maggio 13 di Nature. (Scientific American fa parte del gruppo Nature Publishing.) Infatti, dice, ” Quando ci sono entrato, non sapevo davvero quale sarebbe stata la risposta.”
Nonostante le difficoltà di testare formalmente l’evoluzione-specialmente attraverso gli eoni fino all’emergere della vita stessa—Theobald è stato in grado di eseguire rigorose analisi statistiche sulle sequenze di aminoacidi in 23 proteine universalmente conservate attraverso le tre principali divisioni della vita (eucarioti, batteri e archaea). Collegando queste sequenze in vari modelli relazionali ed evolutivi, ha scoperto che un antenato comune universale ha almeno 10^2.860 più probabilità di aver prodotto le moderne varianze di sequenza proteica rispetto anche al prossimo scenario più probabile (che coinvolge più antenati separati).*
“L’evoluzione fa bene dove può essere testata”, dice David Penny, professore di biologia teorica presso l’Istituto di Bioscienze molecolari della Massey University in Nuova Zelanda e coautore di un editoriale di accompagnamento. Tuttavia, osserva che l’evoluzione può rendere “previsioni testabili sul passato (specialmente quelle quantitative)” difficili nel migliore dei casi. “Che Teobaldo potesse escogitare una prova formale”, dice, ” era eccellente…. Probabilmente porterà a un salto in quello che ci si aspetta dalla valutazione formale delle ipotesi, e questo aiuterebbe tutti.”
Acrimonia degli antenati comuni
Le scoperte della metà del 20 ° secolo sull’universalità del DNA “lo hanno davvero inchiodato per le persone” in termini di stabilire nella cultura popolare-e accademica-che c’era un unico antenato comune universale per tutta la vita conosciuta sulla Terra, dice Theobald. E da allora,” è stato ampiamente assunto come vero”, osserva.
Ma negli ultimi due decenni, nuovi dubbi sono emersi in alcuni ambienti. I microbiologi hanno acquisito una migliore comprensione del comportamento genetico delle forme di vita semplici, che possono essere molto più amorfe del tipico trasferimento verticale di geni da una generazione all’altra. La capacità di microbi come batteri e virus di scambiare geni lateralmente tra gli individui—e anche tra le specie-cambia alcune delle conoscenze strutturali di base della mappa dell’evoluzione. Con i trasferimenti genici orizzontali, le firme genetiche possono muoversi rapidamente tra i rami, trasformando rapidamente un albero tradizionale in una rete aggrovigliata. Questa dinamica “getta dubbi su questo modello di albero della vita”, dice Theobald. E ” una volta che si getta dubbio su questo, tipo di getta dubbio sulla discendenza comune pure.”
Con la scoperta di archaea come terzo grande dominio della vita—oltre ai batteri e agli eucarioti—molti microbiologi divennero più dubbiosi di un singolo antenato comune su tutta la linea.
Un test per l’evoluzione
Altri ricercatori avevano messo alla prova alcune sezioni della vita, inclusa una simile analisi statistica del 1982 di Penny che testava la relazione di diverse specie di vertebrati. Theobald descrive il documento come ” cool, ma il problema è che non stanno testando l’ascendenza universale.”Con i progressi nell’analisi genetica e nel potere statistico, tuttavia, Theobald ha visto un modo per creare un test più completo per tutta la vita.
Nel corso della sua ricerca, Theobald era stato urtando contro un comune ma “quasi intrattabile problema evolutivo” in biologia molecolare. Molte macromolecole, come le proteine, hanno strutture tridimensionali simili ma sequenze genetiche molto diverse. La domanda che lo affliggeva era: Queste strutture simili erano esempi di evoluzione convergente o prove di discendenza comune?
“Tutte le prove classiche per la discendenza comune sono qualitative e si basano su somiglianze condivise”, dice Theobald. Voleva capire se concentrarsi su quelle somiglianze stava portando gli scienziati fuori strada.
Ipotesi abbandonate
La maggior parte delle persone e persino gli scienziati operano con la premessa che le somiglianze genetiche implicano una relazione o un antenato comune. Ma come per le somiglianze nell’aspetto fisico o nella struttura, queste ipotesi “possono essere criticate”, osserva Theobald. La selezione naturale ha fornito numerosi esempi di evoluzione fisica convergente, come i racconti prensili di opossum e scimmie ragno o le lunghe lingue appiccicose che mangiano insetti di formichieri e armadilli. E con il trasferimento genico orizzontale in cima a quello, argomenti simili potrebbero essere fatti per le sequenze genetiche.
“Ho davvero fatto un passo indietro e ho cercato di assumere il meno possibile nel fare questa analisi”, dice Theobald. Ha eseguito vari modelli evolutivi statistici, compresi quelli che hanno preso in considerazione il trasferimento genico orizzontale e altri che non lo hanno fatto. E i modelli che hanno rappresentato il trasferimento genico orizzontale hanno finito per fornire il supporto più statistico per un antenato comune universale.
Torbide origini
Theobald dice che i suoi risultati più sorprendenti sono stati ” quanto fortemente sostengono la discendenza comune.”Piuttosto che essere deluso dal semplice backup di un’ipotesi di lunga data, dice che almeno “è sempre bello sapere che siamo sulla strada giusta.”
Questi risultati non significano che un antenato comune universale stabilisca il modello dell ‘”albero della vita” per le dinamiche evolutive precoci. Né, tuttavia, fanno dedurre una struttura “rete di vita”. Il dibattito sull’albero contro il web rimane “molto controverso in questo momento nella biologia evolutiva”, dice Theobald, riluttante a schierarsi da solo.
Una delle altre grandi incognite rimanenti è proprio quando visse questo antenato comune universale e come avrebbe potuto apparire—una domanda che richiederà più dei modelli statistici di Theobald per rispondere. Theobald osserva anche che il supporto per un antenato comune universale non esclude l’idea che la vita sia emersa indipendentemente più di una volta. Se altri lignaggi completamente distinti emergessero, tuttavia, si estinsero o rimasero ancora da scoprire.
La ricerca probabilmente spingerà in questi angoli oscuri della prima evoluzione, osserva Penny, poiché ” gli scienziati non sono mai soddisfatti.”Si aspetta che i ricercatori cercheranno di ordinare di nuovo anche prima, prima che il DNA ha assunto, e valutare le prime fasi di evoluzione durante i giorni di RNA.
Su un livello più fondamentale, Penny dice, la carta non dovrebbe porre fine alla valutazione delle ipotesi ancestrali. Invece dovrebbe essere un promemoria che “non abbiamo mai pensato a tutte le ipotesi possibili”, dice. “Quindi non dovremmo mai smettere di considerare un nuovo approccio a cui non abbiamo ancora pensato.”
*Erratum (5/13/10) : Questa frase è stata modificata dopo la pubblicazione. Originariamente affermava che un antenato comune universale è più di 10 volte più probabile.