Ново дърво на живота Understand article
Превод от Здравка Костова. В Европейската лаборатория по молекулярна биология– Хайделберг, Германия изследователската група на Пиър Борк подробно…
В полето на един от дневниците на Чарлз Дарвин има малка рисунка, наподобяваща клонка. Тя не впечатлява, докато не се осъзнае, че представлява огромен интелектуален скок, крайъгълен камък в човешката история. Това е първата съвременна скица на дърво на живота, илюстрираща факта, че отдалечени видове имат общи предшественици. В продължение на век естествоизпитателите са събирали факти за видовете, наименовали са ги и са ги класифицирали съобразно техните сходства. Дарвин изведнъж разбрал, че приликите означават родствени взаимоотношения.
предложено от Хекел – от
„Еволюция на човека” (1879)
Две десетилетия по-късно друго едно дърво бе щателно съставено от Ернст Хекел – големия немски естествоизпитател и ембриолог, фанатичен привърженик на Дарвин. Диаграмата на Хекел е опит да се обединят растителното и животинското царства в единна генеалогична летопис на живота върху Земята. Той правилно поставя много от нещата на мястото им, но дървото не отива чак толкова далече. Щом стигнал до едноклетъчните организми, той попаднал в задънена улица – учените по онова време току-що започвали да надзъртат в изумителното разнообразие на толкова много видове, живеещи на земята. На тях естествено не им достигали знания за да пресъздадат убедително филогенезата, простираща се назад във времето отпреди разделянето на растения и животни.
Оттогава насам учените добавиха много клонове и клончета, слизайки по ствола на дървото и прониквайки дълбоко в корените, като разкриваха писмената летопис на еволюцията, съхранена в ДНК. Остават още въпроси без отговор, по-специално относно ранната история на живота върху Земята. Групата на Пиър Борк в Европейската лаборатория по молекулярна биология в Хайделберг, Германия, сега привърши едно еволюционно дърво с най-високата разрешителна способност, постигана до този момент. То никога няма да бъде последното – сигурно ще бъдат открити още милиони нови видове, а тези, които познаваме, ще продължат да еволюират. Това дърво обаче запълва много празноти и то ще помогне на учените да проследят много фрагментарни нишки за съществуването на нови организми. То също така хвърля светлина върху най-ранната история на живота на Земята.
В зората на историята на Земята е съществувал организъм, който вероятно е дал началото на всички видове, познати ни днес. През 1994 г. Христос Узунис и Никос Кипридес нарекоха това мъгляво същество с името ЛУКА (LUCA – Last Universal Common Ancestor , в превод: Последният Универсален Общ Предшественик). Проучването на секвенции от ДНК, изолирана от растения, гъби, животни, бактерии и други форми на едноклетъчни организми, наречени Археа (Archaea), доказаха, че такъв организъм е трябвало да съществува. Но доскоро учените не можеха да кажат нещо повече за него.
„Две неща – казва Пиър – се промениха.” „Първото е необятното количество информация, която имаме от ДНК – секвенирането. Над 350 организми, разпръснати из целия спектър на живота, са напълно секвенирани. Това ни дава огромно количество данни, които могат да бъдат сравнени за да се състави едно приемливо дърво на живота, а така също – да се отговори на някои въпроси, свързани с ЛУКА. Определени ключови гени могат да бъдат открити във всички тях и разшифровката на базите в тези гени ни позволява да ги групираме по семейства и по исторически взаимоотношения.”
Това позволява на изследователите да реконструират хипотетичните предшественици. Според фундаменталния принцип на еволюцията, наречен принцип на общия произход, ако два организма притежават общи черти, то почти винаги това означава, че те са унаследили характеристики от общ предшественик. И така, чрез сравняване на съществуващите видове, учените могат да достигнат до картината за по-древните форми на живот.
„През последните няколко десетилетия – продължава Пиър – учените осъзнаха, че от това правило има едно важно изключение. Бактериите могат да обменят гени помежду си, а понякога могат даже да „откраднат” ген от растение или животно. Щом веднъж това се случи, те предават този ген на своите потомци. Такива гени имат напълно различен профил от гените, унаследени по нормалния начин. То е като да се намери клон от дърво, растящ напречно за да се срастне с друг клон.”
Пиър казва, че са правени опити да се намерят такива гени и те да се елиминират при построяването на дърво на живота на база данни от секвенцията на ДНК. Но никой не знае колко често такива събития, наречени хоризонтален генен пренос (ХГП), са се случвали, пък и никой не е разработил убедителен метод за откриването им.. „На моменти изглеждаше – казва Пиър – че сякаш данните усложняваха проблема, вместо да го разрешат. Имаше големи разисквания, но те отдалечаваха вместо да приближават консенсуса. Част от проблема се крие във факта, че работата можеше да бъде направена само от компютър по високо автоматизиран начин заради невероятното количество данни за генома, които трябвада бъдат пресети.
Франческа Чикарели, специализант от групата на Пиър, реши да подхване проблема за дървото по нов начин и да намери решение на въпроса за хоризонталния пренос на гени. Тя започна с комбинирането на пълните геноми на 191 вида за да открие в тях уникалните гени , тръгнали от общ предшественик. Задачата бе трудна, защото изискваше пълно автоматизиране. Франческа намери 36 случая, пет от които изглежда се бяха промъкнали чрез ХГП и затова бяха отхвърлени.
Сега вече, след отстраняването на тези гени от анализа, учените можаха да изградят едно завършено дърво чрез комбиниране на информацията от останалите 31 гена. Пиър се безпокоеше от това, че някои ХГП все още биха могли да се промъкнат, а една единствена грешка би влошила качеството на дървото. И така, учените включиха в работа компютъра, извършвайки няколко сериозни усъвършенствания. 31-те гена бяха произволно разпределени в 4 групи. Систематично се създаваха нови и нови дървета с всички гени от всяка група, с изключение на един единствен ген – елиминирван при всеки опит. След това резултатите бяха сравнявани. Ако клоните на дървото се променяли от опит на опит, то означава, че вероятно е замесен ХГП, поради което генът бе подлаган на още два теста. Накрая учените откриха седем други кандидати за ХГП, които също бяха елиминирани от анализа.
всичките три домена на
живота: Archaea, Bacteria и
Eukaryiota. Има толкова
много видове, че дървото
трябва да бъде нарисувано
като окръжност.
Останалата информация бе комбинирана в супер-дърво, което бе сравнено още веднаж по три различни метода с дърветата, базирани на индивидуални гени. „От своя страна всеки един от тези методи би могъл да остави дърво с някакви грешки” – казва Пиър, „но комбинирайки ги ние се убедихме, че имаме изключително точна картина на еволяционната история при тези молекули и видове”.
Резултатите хвърлят светлина върху някои стари противоречия, например – дебата относно най-ранната еволюция на животните. Някои модели на дървото от по-рано допускаха, че гръбначните (включително и човекът) са се отцепили от друг клон, който известно време е оставал единен, преди да се раздели на клонове, водещи до червеи и до насекоми. Новата версия групира нещата другояче: гръбначните и предшествениците на насекомите са се отклонили от червеите заедно, но по-късно клоновете им са се отдалечили един от друг.
По-високата разрешителна способност на дървото – пояснява Пиър- е също така важна, поради метагеномните изследвания, които са на път да секвенират всички гени, намерени в околната среда – в обработваемата почва и в океанската вода. Неговата научна група е участвала в няколко такива проекти. „Повечето подходи за секвениране започват с даден организъм и проучват систематично целия му геном” – добавя той. „Метагеномиката представлява секвениране на определено място – подобно на глобалната система за позициониране. В много случаи възстановяваме фрагментарно следи от хиляди гени и нямаме идея от кой организъм идват те. Често пъти тези молекули представят същества, които никога преди това не са били виждани”. Широтата и детайлите на новото дърво ще позволи на учените да правят много по-добре предвиждания къде пасват тези фрагменти и на какви типове живи същества принадлежат те.
Дали живият свят е разпределен достатъчно на главни клонове, разклонения и клончета или пък ние преувеличаваме значимостта на собственото си родословно дърво? По-близкият поглед към новото дърво на живота показва, че вероятно второто е по-вярно. Еукариотите, включващи дрождите, растенията и животните, а и нас самите, са толкова видимо различни едни от други, че учените са ги поставили на дървото достатъчно раздалечени. Ако обаче говорим от генетични позиции, тези групи са далеч по-тясно свързани помежду си, отколкото много едноклетъчни форми на живот.
„По-малките геноми еволюират по-бързо” – казва Пиър. – Няма нито един секвениран организъм, който да еволюира бързо и в същото време да има голям геном. Това подсказва, че някои от най-простите видове са приключвали с еволюционния си път защото са опростявали нещата. Еволюцията не винаги означава придобивка на сложност.”
Изследването дава също така на учените възможност да погледнат на ЛУКА по-отблизо. „Един много голям въпрос е на какво са приличали най-ранните бактерии, когато са се отклонили от Archaea. Бактериите са групирани в два класа – Грам-положителни и Грам-отрицателни – в зависимост от характеристиката на мембраните си. Новото дърво, разкрива, че първо са еволюирали Грам-положителните бактерии. И ако погледнете техния набор от гени, те изглежда са били приспособени към много гореща околна среда. Първите Archaea са били открити в горещи океански пукнатини и повечето от днес живеещите видове са термофилни. Това убедително подсказва, че и ЛУКА също така е бил термофилен”.
