beviset finns i proteinerna: Test Stöder Universal Common Ancestor for All Life

Jordens första livsform, som flyter i det ordspråkiga skummet i de ursprungliga haven som så småningom gav upphov till träd, bin och människor, är inte bara en populär darwinistisk föreställning utan också en väsentlig biologisk förutsättning som många forskare litar på som en del av grunden för sitt arbete.
i 19th century, Charles Darwin gick utöver andra, som hade föreslagit att det kan finnas en gemensam förfader för alla däggdjur eller djur, och föreslog att det var sannolikt en gemensam förfader för allt liv på planeten—växt, djur och bakterier.
en ny statistisk analys tar detta antagande till bänken och finner att det inte bara håller vatten utan verkligen är överväldigande ljud.
var det inte redan uppenbart, från upptäckten och dechiffreringen av DNA, att alla livsformer härstammar från en enda gemensam organism—eller åtminstone en basal Art? Nej, säger Douglas Theobald, biträdande professor i biokemi vid Brandeis University och författare till den nya studien, detaljerad i Maj 13-numret av Nature. (Scientific American är en del av Nature Publishing Group.) Faktum är att han säger: “När jag gick in i det visste jag verkligen inte vad svaret skulle vara.”
trots svårigheterna med att formellt testa evolutionen-särskilt tillbaka över eonerna till uppkomsten av livet själv—kunde Theobald köra rigorösa statistiska analyser på aminosyrasekvenserna i 23 universellt konserverade proteiner över de tre stora divisionerna i livet (eukaryoter, bakterier och archaea). Genom att ansluta dessa sekvenser till olika relationella och evolutionära modeller fann han att en universell gemensam förfader är minst 10^2860 mer sannolikt att ha producerat dagens proteinsekvensavvikelser än till och med det näst mest troliga scenariot (med flera separata förfäder).*
“evolutionen går bra där den kan testas”, säger David Penny, professor i teoretisk biologi vid Institute of Molecular BioSciences vid Massey University i Nya Zeeland och medförfattare till en medföljande ledare. Ändå noterar han att evolutionen kan göra” testbara förutsägelser om det förflutna (särskilt kvantitativa) ” knepigt i bästa fall. “Att Theobald kunde utforma ett formellt test, “säger han,” var utmärkt…. Det kommer förmodligen att leda till ett hopp i vad som förväntas av den formella utvärderingen av hypoteser, och det skulle hjälpa alla.”
gemensam förfader akrimony
mitten av 20-talet upptäckter om universalitet DNA “verkligen spikade det för människor” när det gäller att etablera i populära—och akademisk—kultur att det fanns en enda universell gemensam förfader för alla kända liv på jorden, Theobald säger. Och sedan dess,” det har allmänt antagits som sant”, noterar han.
men under de senaste decennierna har nya tvivel uppstått i vissa kretsar. Mikrobiologer har fått en bättre förståelse för genetiskt beteende hos enkla livsformer, vilket kan vara mycket mer amorft än den typiska vertikala överföringen av gener från en generation till nästa. Förmågan hos mikrober som bakterier och virus att utbyta gener i sidled mellan individer—och även bland arter—förändrar en del av den grundläggande strukturella förståelsen för evolutionskartan. Med horisontella genöverföringar kan genetiska signaturer röra sig snabbt mellan grenar och snabbt förvandla ett traditionellt träd till en trasslig bana. Denna dynamik “kastar tvivel på denna tree of life-modell”, säger Theobald. Och ” när du kastar tvivel på det, det slags kastar tvivel på gemensamma anor samt.”
med upptäckten av archaea som den tredje stora domänen i livet—förutom bakterier och eukaryoter—blev många mikrobiologer mer tvivelaktiga av en enda gemensam förfader över hela linjen.
ett test för evolution
andra forskare hade satt vissa delar av livet på provet, inklusive en liknande statistisk analys från 1982 av Penny som testade förhållandet mellan flera ryggradsdjur. Theobald beskriver papperet som ” coolt, men problemet är att de inte testar universellt anor.”Med framsteg inom genetisk analys och statistisk kraft såg Theobald dock ett sätt att skapa ett mer omfattande test för allt liv.
under sin forskning hade Theobald stött på ett vanligt men “nästan otänkbart evolutionärt problem” inom molekylärbiologi. Många makromolekyler, såsom proteiner, har liknande tredimensionella strukturer men väldigt olika genetiska sekvenser. Frågan som plågade honom var: Var dessa liknande strukturer exempel på konvergent evolution eller bevis på gemensamma anor?
“alla klassiska bevis för gemensamma anor är kvalitativa och bygger på delade likheter”, säger Theobald. Han ville ta reda på om fokus på dessa likheter ledde forskare vilse.
övergivna antaganden
de flesta människor och till och med forskare arbetar under förutsättningen att genetiska likheter innebär en gemensam relation eller förfader. Men som med likheter i fysiskt utseende eller struktur kan dessa antaganden “kritiseras”, konstaterar Theobald. Naturligt urval har gett många exempel på konvergent fysisk utveckling, såsom prehensile tales of possums och spider monkeys eller de långa klibbiga insektsätande tungorna av anteaters och armadillos. Och med horisontell genöverföring utöver det kan liknande argument göras för genetiska sekvenser.
“jag tog verkligen ett steg tillbaka och försökte anta så lite som möjligt för att göra denna analys”, säger Theobald. Han körde olika statistiska evolutionära modeller, inklusive de som tog hänsyn till horisontell genöverföring och andra som inte gjorde det. Och modellerna som stod för horisontell genöverföring gav det mest statistiska stödet till en universell gemensam förfader.
Murky origins
Theobald säger att hans mest överraskande resultat var ” hur starkt de stöder gemensamma anor.”I stället för att bli besviken över att helt enkelt säkerhetskopiera ett långvarigt antagande, säger han att åtminstone “det är alltid trevligt att veta att vi är på rätt väg.”
dessa fynd betyder inte att en universell gemensam förfader etablerar “livets träd” – mönstret för tidig evolutionär dynamik. Men de drar inte heller slutsatsen om en” livsväv ” – struktur. Träd kontra webbdebatten förblir “mycket kontroversiell just nu i evolutionär biologi”, säger Theobald, ovillig att välja en sida själv.
en av de andra stora okända som återstår är just när denna universella gemensamma förfader levde och hur den kunde ha sett ut—en fråga som kommer att ta mer än Theobalds statistiska modeller att svara på. Theobald noterar också att stödet till en universell gemensam förfader inte utesluter tanken att livet uppstod självständigt mer än en gång. Om andra, helt distinkta släkter uppstod, gick de antingen utdöda eller förblir ännu oupptäckta.
forskning kommer sannolikt att driva in i dessa mörka hörn av tidig utveckling, noterar Penny, som ” forskare är aldrig nöjda.”Han förväntar sig att forskare kommer att försöka sortera tillbaka ännu tidigare, innan DNA tog över och bedöma de tidiga utvecklingsstadierna under RNA-dagarna.
på en mer grundläggande nivå, säger Penny, bör papperet inte sätta stopp för bedömningen av förfädernas antaganden. Istället borde det vara en påminnelse om att” vi aldrig har tänkt på alla möjliga hypoteser”, säger han. “Så vi borde aldrig sluta överväga något nytt tillvägagångssätt som vi inte har tänkt på än.”
* Erratum (5/13/10): denna mening ändrades efter publicering. Det uppgav ursprungligen att en universell gemensam förfader är mer än 10 gånger mer sannolikt.