het bewijs zit in de Proteins: Test Supports Universal Common Ancestor for All Life

Aarde ‘ s eerste levensvorm, drijvend in het spreekwoordelijke schuim van de oerzeeën die uiteindelijk tot bomen, bijen en mensen hebben geleid, is niet alleen een populaire darwinistische verwaandheid, maar ook een essentiële biologische premisse waarop veel onderzoekers vertrouwen als onderdeel van de basis van hun werk. In de 19e eeuw ging Charles Darwin verder dan anderen, die hadden voorgesteld dat er een gemeenschappelijke voorouder zou kunnen zijn voor alle zoogdieren of dieren, en suggereerde dat er waarschijnlijk een gemeenschappelijke voorouder was voor al het leven op de planeet—plant, Dier en bacterieel.
in een nieuwe statistische analyse wordt deze veronderstelling onder de loep genomen en wordt vastgesteld dat deze niet alleen water houdt, maar ook overweldigend gezond is.
was het niet al duidelijk, uit de ontdekking en het ontcijferen van DNA, dat alle levensvormen afstammen van één enkel gemeenschappelijk organisme—of op zijn minst een basale soort? Nee, zegt Douglas Theobald, een universitair docent biochemie van Brandeis University en auteur van de nieuwe studie, gedetailleerd in de mei 13 editie van Nature. (Scientific American maakt deel uit van Nature Publishing Group. In feite zegt hij: “toen ik erin ging, wist ik echt niet wat het antwoord zou zijn.”
ondanks de moeilijkheden om de evolutie formeel te testen-vooral in de eonen tot aan het ontstaan van het leven zelf-was Theobald in staat om rigoureuze statistische analyses uit te voeren van de aminozuursequenties in 23 universeel geconserveerde eiwitten over de drie belangrijkste divisies van het leven (eukaryoten, bacteriën en archaea). Door deze opeenvolgingen in verschillende relationele en evolutionaire modellen in te pluggen, vond hij dat een universele gemeenschappelijke voorouder minstens 10^2.860 waarschijnlijker is om de hedendaagse proteïnesequentievarianties te hebben geproduceerd dan zelfs het volgende meest waarschijnlijke scenario (waarbij meerdere afzonderlijke voorouders betrokken zijn).*
“Evolution does well where it can be tested,” says David Penny, a professor of theoretical biology at the Institute of Molecular BioSciences at Massey University in New Zealand and coauteur of an supporting editoral. Toch merkt hij op dat evolutie “testbare voorspellingen over het verleden (vooral kwantitatieve)” op zijn best lastig kan maken. “Dat Theobald een formele test kon bedenken,” zegt hij, ” was uitstekend…. Het zal waarschijnlijk leiden tot een sprong in wat wordt verwacht van de formele evaluatie van hypothesen, en dat zou iedereen helpen. The mid-20th-century discoveries about the universality of DNA “really nailed it for people” in terms of establishing in popular-and academic-culture that there was one universal common ancestor for all known life on Earth, Theobald says. En sindsdien,” het is algemeen aangenomen als waar, ” merkt hij op.
maar in de afgelopen decennia is in sommige kringen nieuwe twijfel ontstaan. Microbiologen hebben een beter begrip gekregen van genetisch gedrag van eenvoudige levensvormen, die veel meer amorf kunnen zijn dan de typische, verticale overdracht van genen van de ene generatie naar de volgende. De capaciteit van microben zoals bacteriën en virussen om genen laterally onder individuen—en zelfs onder species uit te wisselen—verandert wat van het fundamentele structurele begrip van de kaart van evolutie. Met horizontale genoverdrachten kunnen genetische handtekeningen snel tussen takken bewegen, waardoor een traditionele boom snel verandert in een verward web. Deze dynamiek ” werpt twijfel op deze boom van het leven model,” Theobald zegt. En ” als je daar eenmaal twijfel over hebt, werpt het ook twijfel over gemeenschappelijke afkomst. Met de ontdekking van archaea als het derde belangrijke domein van het leven—naast bacteriën en eukaryoten-werden veel microbiologen meer twijfelachtig over één gemeenschappelijke voorouder over de hele linie.
een evolutietest
andere onderzoekers hadden bepaalde delen van het leven op de proef gesteld, waaronder een soortgelijke statistische analyse uit 1982 door Penny die de relatie van verschillende gewervelde soorten testte. Theobald beschrijft de paper als “cool, maar het probleem is dat ze niet het testen van universele afkomst.”Met de vooruitgang in genetische analyse en statistische macht, echter, Theobald zag een manier om een meer uitgebreide test voor al het leven te creëren. In de loop van zijn onderzoek botste Theobald tegen een veel voorkomend maar “bijna onoplosbaar evolutionair probleem” in de moleculaire biologie. Vele macromoleculen, zoals proteã nen, hebben gelijkaardige driedimensionale structuren maar enorm verschillende genetische opeenvolgingen. De vraag die hem teisterde was: Waren deze soortgelijke structuren voorbeelden van convergente evolutie of bewijs van gemeenschappelijke afkomst?
” al het klassieke bewijs voor gemeenschappelijke voorouders is kwalitatief en is gebaseerd op gedeelde overeenkomsten,” zegt Theobald. Hij wilde uitzoeken of het focussen op die overeenkomsten wetenschappers op een dwaalspoor bracht. De meeste mensen en zelfs wetenschappers gaan ervan uit dat genetische overeenkomsten een gemeenschappelijke relatie of voorouder impliceren. Maar net als bij overeenkomsten in fysieke verschijning of structuur, kunnen deze veronderstellingen “bekritiseerd worden”, merkt Theobald op. Natuurlijke selectie heeft tal van voorbeelden van convergente fysieke evolutie, zoals de prehensile verhalen van buidelratten en spinnen apen of de lange plakkerige insecten-etende tongen van miereneters en gordeldieren. En met horizontale genoverdracht bovenop dat, kunnen vergelijkbare argumenten worden gemaakt voor genetische sequenties.
” ik nam echt een stap terug en probeerde zo weinig mogelijk aan te nemen bij het doen van deze analyse, ” zegt Theobald. Hij liep diverse statistische evolutionaire modellen, met inbegrip van die die horizontale genoverdracht in overweging namen en anderen die niet. De modellen die verantwoordelijk waren voor horizontale genoverdracht leverden uiteindelijk de meest statistische ondersteuning voor een universele gemeenschappelijke voorouder. Theobald zegt dat zijn meest verrassende resultaten “how strong they support common ancestry” waren.”In plaats van teleurgesteld te zijn over gewoon een back-up van een lange-held veronderstelling, hij zegt dat op zijn minst, “het is altijd leuk om te weten dat we op het juiste spoor.”
deze bevindingen betekenen niet dat een universele gemeenschappelijke voorouder het “boom des levens” patroon voor vroege evolutionaire dynamica vastlegt. Zij leiden echter ook geen “levensweb” – structuur af. Het tree versus web debat blijft “zeer controversieel op dit moment in de evolutionaire biologie,” Theobald zegt, terughoudend om zelf een kant te kiezen. Een van de andere grote onbekenden die nog over zijn, is wanneer deze universele gemeenschappelijke voorouder leefde en hoe het eruit had kunnen zien—een vraag die meer dan de statistische modellen van Theobald nodig heeft om te beantwoorden. Theobald merkt ook op dat de steun voor een universele gemeenschappelijke voorouder het idee niet uitsluit dat het leven meer dan eens onafhankelijk is ontstaan. Als er echter andere, volledig verschillende geslachten ontstonden, stierven ze uit of bleven ze nog onontdekt.
onderzoek zal waarschijnlijk voortgaan in deze donkere hoeken van de vroege evolutie, Penny notes, omdat “wetenschappers nooit tevreden zijn.”Hij verwacht dat onderzoekers nog eerder zullen proberen terug te sorteren, voordat DNA het overnam, en de vroege stadia van evolutie tijdens de RNA-dagen zullen beoordelen. Op een meer fundamenteel niveau, zegt Penny, zou het document geen einde moeten maken aan de beoordeling van voorouderlijke veronderstellingen. In plaats daarvan zou het een herinnering moeten zijn dat “we nooit aan alle mogelijke hypothesen hebben gedacht”, zegt hij. “Dus we moeten nooit stoppen met het overwegen van een nieuwe aanpak waar we nog niet aan hebben gedacht.”
*Erratum (5/13/10): deze zin is na publicatie gewijzigd. Het stelde oorspronkelijk dat een universele gemeenschappelijke voorouder meer dan 10 keer waarschijnlijker is.