Gyvybės medis (biologija) — evoliucijos medis, DNR ir rūšių ryšiai

Gyvybės medis - tai metafora, išreiškianti mintį, kad visa gyvybė yra susijusi bendra kilme.

Čarlzas Darvinas pirmasis panaudojo šią metaforą šiuolaikinėje biologijoje. Prieš tai ji buvo daug kartų naudota kitais tikslais.

Evoliucijos medis rodo įvairių biologinių grupių ryšius. Jis apima DNR, RNR ir baltymų analizės duomenis.

Gyvybės medžio darbas yra tradicinės lyginamosios anatomijos ir šiuolaikinės molekulinės evoliucijos bei molekulinio laikrodžio tyrimų rezultatas. Toliau pateikiama supaprastinta dabartinio supratimo versija.

Ką reiškia medžio formos modelis

Gyvybės medis iliustruoja, kaip organizmai yra susiję per bendrus protėvius: šakos atitinka evoliucines linijas (gentis, rūšis ar aukštesnius taksonus), o mazgai – bendrus protėvius. Medis gali būti šakotas laikui bėgant, kai rūšys diverguoja ir susidaro naujos grupės. Medžio struktūra atspindi filogenetinius (evoliucinius) santykius, o ne būtinai laipsnį „išsivystymo“ ar „perfekcijos».

Kaip sudaromi evoliuciniai medžiai

Evoliucinius medžius mokslininkai rekonstruoja iš įvairių duomenų tipų ir metodų:

• Morfolginiai požymiai: tradicinė lyginamoji anatomija, fosilijos, embrioninės savybės.
• Molekuliniai duomenys: sekos iš DNR, RNR ir baltymų (baltymų) – nuo atskirų genų iki visų genomo duomenų (phylogenomika).
• Statistiniai metodai: kladistika (parsimony), maksimalios tikimybinės metodikos (maximum likelihood), Bayes’inė analizė — visi šie metodai bando rasti medį, kuris geriausiai paaiškina duomenis.
• Parametriniai įvertinimai: bootstrap reikšmės ir posterioriniai tikimybės rodikliai matuoja medžio šakų patikimumą.

Molekulinis laikrodis ir laiko nustatymas

Molekulinis laikrodis – idėja, kad genetinės mutacijos kaupiasi per laiką maždaug pastoviu greičiu tam tikroms sekų rūšims. Derinant sekų skirtumus su fosilijų duomenimis ar geologinėmis datomis, mokslininkai gali apytikriai nustatyti, kada dvi linijos išsiskyrė. Svarbu pažymėti, kad mutacijų greitis gali skirtis tarp genų, taksonų ir laikotarpių, todėl kalibravimas ir modeliai yra būtini tikslesniems įverčiams.

Didžiųjų gyvybės grupių (domenų) vaizdavimas

Dabartinė pasiskirstymo idėja paprastai apima tris pagrindines gyvybės sritis: Bakterijos, Archaea ir Eukaryota. Tyrimai apie rankas su LUCA (paskutiniu visuotinai bendru protėviu) ir vėlesnius įvykius – tokius kaip organelių kilmė per endosimbiozę (pvz., mitochondrijos ir chloroplastai) – formuoja medžio šakas.

Ribotumai ir sudėtingesni tinklai

Nors medžio metafora yra galinga, ji nebūtinai aprašo visus biologinius ryšius. Ypač mikroorganizmų pasaulyje plačiai paplitęs horizontalaus genų perdavimo reiškinys (HGT) gali maišyti genų istorijas tarp skirtingų linijų, todėl evoliucinės sąsajos primena labiau tinklą ar voratinklį nei vieną monotonišką medį. Be to, hibridizacija, genų išlikimas per ilgas laiko atkarpas (incomplete lineage sorting) ir konvergentinė evoliucija gali komplikuoti rekonstrukciją.

Praktinės taikymo sritys

• Taxonomija ir sistematika: padeda rūšims priskirti taksonominius santykius.
• Ekologija ir konservavimas: nustato filogenetinę įvairovių vertę ir prioritetus apsaugai.
• Epidemiologija: seka patogenų evoliuciją ir plitimą (pvz., virusų filogenetika).
• Biotechnologijos ir farmacijos: identifikuoja genų/p baltymų giminingumą, naudingą vartoti modeliuose ar kuriant vaistus.
• Istorija ir antropologija: žmogaus populiacijų kilmės ir migracijų tyrimai naudojant mtDNR ar chromosomų žymenis.

Kaip interpretuoti medį

Keletas praktinių pastebėjimų:

• Šakos ilgis dažnai atspindi genetinį nuokrypį arba laiką, priklausomai nuo to, ar medis yra skalėtas.
• Medžiai gali būti įsišakniję (rooted) arba bešakniai (unrooted); rootinimas nurodo kryptį nuo protėvio link atžalų.
• Daugiau duomenų (pvz., genomo masto) paprastai padidina pasitikėjimą rekonstrukcija, bet net geras duomenų kiekis ne visada išsprendžia problemas, susijusias su HGT ar hibridizacija.

Šiuolaikinės tendencijos

Viena iš augančių krypčių yra phylogenomikos taikymas – t. y. daugelio genų arba pilnų genomų naudojimas medžiams kurti. Taip pat vystomi geresni modeliai, kurie įtraukia netolygų evoliucijos greitį, genų perkėlimą, hibridizaciją ir kitas sudėtingas procesų kombinacijas. Vizualizacijos įrankiai ir dideli duomenų rinkiniai leidžia plačiau suprasti gyvybės istoriją bei atskleisti tiek medžio, tiek tinklo elementus.

Santrauka

Gyvybės medis yra naudinga metafora ir mokslo priemonė, kuri apjungia morfologinius ir molekulinius duomenis, kad atskleistų organizmų kilmės ryšius. Tačiau jis nėra absoliutus; evoliucijos procesai kartais geriau aprašomi tinklais ar mišriais modeliais. Nuolatinis duomenų kaupimas, metodų tobulinimas ir tarpdalykiniai tyrimai leidžia vis aiškiau atskleisti gyvybės istorijos sudėtingumą.

Pirmtakai

Lamarck

Jeanas-Baptiste'as Lamarckas (1744-1829) savo "Zoologijos filosofijoje" (1809 m.) sukūrė pirmąjį gyvūnų šakų medį. Tai buvo aukštyn kojomis apverstas medis, prasidedantis kirminais ir pasibaigiantis žinduoliais. Tačiau Lamarkas netikėjo bendru visos gyvybės atsiradimu. Jis manė, kad gyvybė susideda iš atskirų lygiagrečių linijų, einančių nuo paprastos prie sudėtingos.

Hitchcock

Amerikiečių geologas Edwardas Hitchcockas (1763-1864) 1840 m. savo knygoje "Elementary Geology" paskelbė pirmąjį gyvybės medį, paremtą paleontologija. Vertikalioje ašyje pažymėti paleontologiniai laikotarpiai. Hitchcockas sudarė atskirą medį augalams (kairėje) ir gyvūnams (dešinėje). Augalų ir gyvūnų medžiai diagramos apačioje nesujungti. Be to, kiekvienas medis prasideda nuo kelių pradų. Tačiau tai nebuvo evoliuciniai medžiai, nes Hičkokas tikėjo, kad kaitos veiksnys buvo dievybė.

Vestiges

Pirmasis Roberto Čamberso knygos "Kūrimo gamtos istorijos įrodymai" (Vestiges of the Natural History of Creation) leidimas buvo išleistas anonimiškai 1844 m. Skyriuje "Augalų ir gyvūnų karalysčių raidos hipotezė" buvo pateikta medžio pavidalo schema. Joje pavaizduotas embriologinio vystymosi modelis, kuriame žuvys (F), ropliai (R) ir paukščiai (B) yra kelio, vedančio į žinduolius (M), šakos.

Tekste ši šakoto medžio idėja preliminariai taikoma gyvybės istorijai Žemėje: "gali būti, kad šakojasi". ^p191

Edwardo Hitchcocko "Elementary Geology" (1840 m.) sulankstoma paleontologinė diagrama


Diagrama iš "Kūrimo gamtos istorijos įrodymų", 1844 m., p212.

Darvino gyvybės medis

Čarlzas Darvinas (1809-1882) pirmasis sudarė evoliucinį gyvybės medį. Jis labai atsargiai vertino galimybę atkurti gyvybės istoriją. Veikalo "Apie rūšių kilmę" (1859) IV skyriuje jis pateikė abstrakčią neįvardytos didelės genties rūšių teorinio gyvybės medžio schemą (žr. pav.).

Paties Darvino žodžiais tariant: "Taigi, nedideli skirtumai, skiriantys tos pačios rūšies veisles, nuolat didės, kol prilygs didesniems skirtumams tarp tos pačios genties ar net skirtingų genčių rūšių."

Tai šakojimosi modelis be rūšių pavadinimų, priešingai nei po daugelio metų Ernsto Haeckelio sudarytas linijinis medis.

1872 m. 6-ajame leidime pataisytoje santraukoje Darvinas paaiškina savo požiūrį į gyvybės medį:

Kartais visų tos pačios klasės būtybių giminystė buvo vaizduojama dideliu medžiu. Manau, kad šis palyginimas iš esmės atitinka tiesą. Žalios ir pumpurus metančios šakelės gali reikšti esamas rūšis, o ankstesniais metais išaugusios šakelės gali reikšti ilgą išnykusių rūšių seką... Į
dideles šakas suskirstytos šakos, o šios - į mažesnes ir smulkesnes, kadaise, kai medis buvo jaunas, pačios buvo pumpuruojančios šakelės; ir šis buvusių ir esamų pumpurų sujungimas šakotomis šakomis gali gerai atspindėti visų išnykusių ir gyvų rūšių suskirstymą į grupes, pavaldžias grupėms.
Iš daugelio šakelių, kurios vešėjo, kai medis buvo paprastas krūmas, tik dvi ar trys, dabar išaugusios į dideles šakas, dar išliko ir neša kitas šakas; taip ir su rūšimis, kurios gyveno seniai praėjusiais geologiniais laikotarpiais, labai nedaug liko gyvų ir pakitusių palikuonių. Nuo pat pirmojo medžio augimo daugybė šakų ir šakelių sunyko ir nukrito; ir šios nukritusios įvairaus dydžio šakos gali atstovauti ištisoms ordoms, šeimoms ir gentims, kurios dabar neturi gyvų atstovų ir kurios mums žinomos tik kaip fosilijos.
Kaip kartais matome ploną atsikišusią šakelę, išlindusią iš medžio šakos žemai apačioje, kuriai atsitiktinumo dėka pasisekė ir ji vis dar gyva savo viršūnėje, taip kartais matome tokį gyvūną, kaip Ornithorhynchus (Platypus) arba Lepidosiren (Pietų Amerikos plaučių žuvis), kuris savo giminyste šiek tiek jungia dvi dideles gyvybės šakas ir kuris, matyt, išsigelbėjo nuo žūtbūtinės konkurencijos, nes gyveno saugomoje vietoje.
Kaip pumpurai augdami duoda pradžią naujiems pumpurams, o šie, jei yra stiprūs, išsišakoja ir iš visų pusių uždengia daugybę silpnesnių šakų, taip, manau, iš kartos į kartą buvo ir su didžiuoju Gyvybės medžiu, kuris savo negyvomis ir nulūžusiomis šakomis užpildo žemės plutą ir dengia paviršių savo nuolat šakotomis ir gražiomis atšakomis.

- Darvinas, 1872 m.

Gyvybės medžio paveikslas, pateiktas 1859 m. Darvino knygoje "Apie rūšių atsiradimą natūralios atrankos būdu". Tai buvo vienintelė knygos iliustracija

Gyvybės medis šiandien

Medžio modelis vis dar laikomas tinkamu eukariotinėms gyvybės formoms. Ankstyviausių eukariotų medžio šakų tyrimai rodo, kad medį sudaro arba keturios supergrupės, arba dvi supergrupės. Atrodo, kad kol kas nėra vieningos nuomonės; apžvalginiame straipsnyje Rogeris ir Simpsonas daro išvadą, kad "esant dabartiniam eukariotų gyvybės medžio supratimo pokyčių tempui, turėtume elgtis atsargiai".

Biologai dabar pripažįsta, kad prokariotai, bakterijos ir archėjos gali perduoti genetinę informaciją tarp nesusijusių organizmų per horizontalų genų perdavimą (HGT). Rekombinacija, genų praradimas, dubliavimas ir genų kūrimas - tai tik keletas procesų, kuriais genai gali būti perduodami bakterijų ir archėjų rūšių viduje ir tarp jų, taip sukeliant variaciją, kuri nėra vertikalaus perdavimo pasekmė. Vis daugiau įrodymų, kad HGT vyksta prokariotuose vienos ir kelių ląstelių lygmenyje, ir dabar atsiranda nuomonė, kad gyvybės medis pateikia neišsamų gyvybės evoliucijos vaizdą. Jis buvo naudinga priemonė pagrindiniams evoliucijos procesams suprasti, tačiau negali paaiškinti viso situacijos sudėtingumo.

Dabartinis gyvybės medis, kuriame matyti horizontalus genų perdavimas.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra gyvybės medis?

K: Kas pirmasis panaudojo šią metaforą šiuolaikinėje biologijoje?

K: Ką rodo evoliucijos medis?

4 klausimas: Kaip atliekami gyvybės medžio tyrimai?

Paieška pagal raidę