dowód znajduje się w białkach: Test wspiera uniwersalnego wspólnego przodka dla całego życia

pierwsza forma życia na Ziemi, unosząca się w przysłowiowej pianie pierwotnych mórz, która ostatecznie dała początek drzewom, pszczołom i ludziom, jest nie tylko popularnym darwinowskim zarozumiałością, ale także niezbędną przesłanką biologiczną, na której wielu badaczy opiera się jako podstawa ich pracy.
w XIX wieku Karol Darwin wykraczał poza innych, którzy zaproponowali, że może istnieć wspólny przodek dla wszystkich ssaków lub zwierząt, i zasugerowali, że prawdopodobnie istnieje wspólny przodek dla całego życia na planecie—roślin, zwierząt i bakterii.
nowa analiza statystyczna bierze to założenie na ławkę i stwierdza, że nie tylko trzyma wodę, ale rzeczywiście jest przytłaczająco zdrowa.
czy nie było już oczywiste, z odkrycia i rozszyfrowania DNA, że wszystkie formy życia pochodzą od jednego wspólnego organizmu—a przynajmniej gatunku podstawowego? Nie, mówi Douglas Theobald, adiunkt biochemii Uniwersytetu Brandeis i autor nowego badania, wyszczególnionego w majowym wydaniu Nature 13. (Scientific American jest częścią Nature Publishing Group.) W rzeczywistości, on mówi :” kiedy wszedłem w to, naprawdę nie wiedziałem, jaka będzie odpowiedź.”
pomimo trudności z formalnym testowaniem ewolucji—zwłaszcza w eonach, aż do powstania samego życia—Theobald był w stanie przeprowadzić rygorystyczne analizy statystyczne sekwencji aminokwasowych w 23 powszechnie konserwowanych białkach w trzech głównych sekcjach życia (eukarioty, bakterie i archeony). Podłączając te sekwencje do różnych modeli relacyjnych i ewolucyjnych, odkrył, że uniwersalny wspólny przodek jest co najmniej 10^2860 bardziej prawdopodobne, że wytworzył współczesne wariacje sekwencji białek niż nawet następny najbardziej prawdopodobny scenariusz (z udziałem wielu oddzielnych przodków).*
“Ewolucja robi dobrze tam, gdzie można ją przetestować”, mówi David Penny, profesor biologii teoretycznej w Institute of Molecular BioSciences na Massey University w Nowej Zelandii i współautor towarzyszącej publikacji. Zauważa jednak, że ewolucja może sprawić, że “sprawdzalne przewidywania dotyczące przeszłości (zwłaszcza ilościowe)” będą w najlepszym razie trudne. “To, że Teobald mógł opracować formalny test, “mówi,” był doskonały…. Prawdopodobnie doprowadzi to do Skoku w tym, czego oczekuje się od formalnej oceny hipotez, a to pomoże wszystkim.”
wspólny przodek acrimony
odkrycia połowy XX wieku dotyczące uniwersalności DNA “naprawdę przybiły to ludziom” w kategoriach ustalenia w kulturze popularnej i akademickiej, że istnieje jeden uniwersalny wspólny przodek dla całego znanego życia na Ziemi, mówi Theobald. I od tego czasu “powszechnie uważa się, że to prawda”, zauważa.
ale w ciągu ostatnich kilku dekad pojawiły się nowe wątpliwości w niektórych kręgach. Mikrobiolodzy uzyskali lepsze zrozumienie genetycznych zachowań prostych form życia, które mogą być znacznie bardziej amorficzne niż typowy, pionowy transfer genów z jednego pokolenia na drugie. Zdolność drobnoustrojów, takich jak bakterie i wirusy, do wymiany genów między jednostkami—a nawet między gatunkami—zmienia niektóre podstawowe strukturalne rozumienie mapy ewolucji. Dzięki poziomym transferom genów sygnatury genetyczne mogą szybko przemieszczać się między gałęziami, szybko przekształcając tradycyjne drzewo w splątaną sieć. Ta dynamika “rzuca wątpliwości na ten model drzewa życia” – mówi Theobald. I ” raz rzuca się wątpliwości na to, to jakby rzuca wątpliwości na wspólnego przodka, jak również.”
wraz z odkryciem archai jako trzeciej głównej domeny życia—oprócz bakterii i eukariotów-wielu mikrobiologów stało się bardziej wątpliwych co do jednego wspólnego przodka.
a test for evolution
inni badacze poddali testom pewne sekcje życia, w tym podobną analizę statystyczną z 1982, przeprowadzoną przez Penny ‘ ego, badającego pokrewieństwo kilku gatunków kręgowców. Theobald opisuje artykuł jako ” fajny, ale problem w tym, że nie testują uniwersalnego pochodzenia.”Jednak wraz z postępem w analizie genetycznej i sile statystycznej, Theobald dostrzegł sposób na stworzenie bardziej wszechstronnego testu dla całego życia.
w trakcie swoich badań Teobald zmagał się z powszechnym, ale “prawie trudnym do rozwiązania problemem ewolucyjnym” w biologii molekularnej. Wiele makrocząsteczek, takich jak białka, ma podobne struktury trójwymiarowe, ale znacznie różne sekwencje genetyczne. Pytanie, które go dręczyło, brzmiało:: Czy te podobne struktury były przykładami zbieżnej ewolucji czy dowodem wspólnego pochodzenia?
“wszystkie klasyczne dowody na wspólne pochodzenie są jakościowe i opierają się na wspólnych podobieństwach” – mówi Teobald. Chciał dowiedzieć się, czy skupienie się na tych podobieństwach prowadzi naukowców na manowce.
porzucone założenia
większość ludzi, a nawet naukowców działa zgodnie z założeniem, że podobieństwa genetyczne sugerują wspólny pokrewieństwo lub przodka. Ale podobnie jak w przypadku podobieństw w wyglądzie fizycznym lub strukturze, te założenia “mogą być krytykowane”, zauważa Theobald. Dobór naturalny dostarczył wielu przykładów zbieżnej ewolucji fizycznej, takich jak przedwieczne opowieści o oposach i małpach pająkach czy długie lepkie, owadożerne języki mrówkojadów i pancerników. I z poziomym transferem genów na górze, podobne argumenty mogą być wykonane dla sekwencji genetycznych.
“naprawdę zrobiłem krok w tył i starałem się jak najmniej zakładać w tej analizie” – mówi Theobald. Prowadził różne statystyczne modele ewolucyjne, w tym te, które brały pod uwagę poziomy transfer genów i inne, które nie. Modele horyzontalnego transferu genów okazały się najbardziej statystycznym wsparciem dla uniwersalnego wspólnego przodka.
mroczne pochodzenie
Theobald twierdzi, że jego najbardziej zaskakujące wyniki to “jak mocno wspierają wspólne pochodzenie.”Zamiast być rozczarowanym, że po prostu popiera długo utrzymywane założenie, mówi, że przynajmniej “zawsze miło jest wiedzieć, że jesteśmy na dobrej drodze.”
te ustalenia nie oznaczają, że uniwersalny wspólny przodek ustanawia wzór” drzewa życia ” dla wczesnej dynamiki ewolucyjnej. Nie wnioskują też jednak o strukturze “sieci życia”. Debata drzewo kontra sieć pozostaje “bardzo kontrowersyjna obecnie w biologii ewolucyjnej”, mówi Theobald, niechętnie wybierając stronę.
jedną z pozostałych wielkich niewiadomych pozostaje właśnie to, kiedy żył ten uniwersalny wspólny przodek i jak mógł wyglądać-pytanie, na które trzeba będzie odpowiedzieć więcej niż modele statystyczne Teobalda. Teobald zauważa również, że poparcie dla uniwersalnego wspólnego przodka nie wyklucza idei, że życie pojawiło się niezależnie więcej niż raz. Jeśli jednak pojawiły się inne, w pełni odrębne linie, albo wyginęły, albo pozostały jeszcze nieodkryte.
badania prawdopodobnie pójdą w te mroczne zakątki wczesnej ewolucji, zauważa Penny, ponieważ ” naukowcy nigdy nie są zadowoleni.”Spodziewa się, że naukowcy spróbują cofnąć się jeszcze wcześniej, zanim DNA przejęło kontrolę, i ocenić wczesne etapy ewolucji podczas dni RNA.
na bardziej fundamentalnym poziomie, Penny mówi, że artykuł nie powinien kończyć oceny założeń przodków. Zamiast tego powinno to przypominać, że “nigdy nie myśleliśmy o wszystkich możliwych hipotezach”, mówi. “Dlatego nigdy nie powinniśmy przestać rozważać nowego podejścia, o którym jeszcze nie pomyśleliśmy.”
*Erratum (5/13/10): zdanie to zostało zmienione po publikacji. Pierwotnie stwierdzono, że uniwersalny wspólny przodek jest ponad 10 razy bardziej prawdopodobny.