Bendroji kilmė: evoliucinė teorija, bendras protėvis ir LUCA
Bendroji kilmė: sužinokite apie evoliucinę teoriją, bendrą protėvį ir LUCA — kaip gyvybė kilo, pagrindiniai įrodymai, laikas (≈3,9 mlrd. m.) ir biologinė reikšmė.
Evoliucinėje biologijoje organizmų grupė sakoma turinti bendrą kilmę, jei visi jos nariai yra kilę iš bendro protėvio. Teorija, jog visi gyvi organizmai Žemėje yra kilę iš bendro protėvio, remiasi gausia kiekybine ir kokybine įrodymų baze ir yra vienas iš pagrindinių šiuolaikinės biologijos principų.
Čarlzas Darvinas savo veikale "Apie rūšių kilmę" pasiūlė visuotinio bendrojo kilmės proceso evoliucijos teoriją, rašydamas: "Šis požiūris, kad gyvybė, turinti daugybę galių, iš pradžių buvo įkvėpta į kelias formas arba į vieną, yra didingas". p490 Jo idėja paskatino vystytis metodus, leidžiančius palyginti organizmų ypatybes ir atkurti genealogines gijas tarp rūšių.
Įrodymai, jog egzistuoja bendroji kilmė
Skirtingi įrodymai iš biologijos sričių palaiko idėją, kad gyvybė turi bendrą kilmę. Svarbiausi iš jų:
- Molekulinė homologija: Daugumos organizmų baltymai ir DNR seka rodo aiškias bendras kilmes — homologinės sekos leidžia sudaryti filogenetinius medžius.
- Universali biochemija: Visuose gyvenimo formuose naudojami tie patys pagrindiniai procesai: genetinė informacija koduojama nukleorūgštimis, veikia ribosomos, energija kaupiama ATP ir panaudojamos panašios medžiagų apykaitos grandinės.
- Ribosominė RNR: rRNR sekos yra itin konservuotos ir buvo naudojamos (pvz., Carl Woese) atskirti pagrindines gyvenimo sferas — Bakterijas, Archeas ir Eukariotus — bei rekonstruoti gilias evoliucines gijas.
- Fosiliniai ir geocheminiai duomenys: Seniausi gyvybės pėdsakai ir mikrofosilijos rodo, kad gyvybė atsirado labai ankstyvame Žemės istorijos etape, tad vėlesnė įvairovė gali būti paaiškinta iš bendrų pirmtakų.
Kas yra LUCA (paskutinis universalusis bendrasis protėvis)?
Paskutinis universalusis bendrasis protėvis, dažnai vadinamas LUCA (angl. Last Universal Common Ancestor), nėra tapatinamas su pirmąja gyvybe, o reiškia vėliausią organizmą (ar organizacijų populiaciją), iš kurio kilę visi šiandien egzistuojantys organizmai. LUCA neturi būti vienas individas — tikėtina, kad tai buvo genetiškai mainų turėjusi populiacija arba genų mainų tinklas.
Remiantis molekulinių duomenų analizėmis ir molekuliniu laikrodžiu, LUCA galėjo gyventi prieš maždaug 3,5–3,9 mlrd. metų; kai kurie skaičiavimai pateikia datą net apie 3,9 mlrd. metų. Tačiau šie įverčiai yra apytiksliai ir priklauso nuo modelių bei geologinių duomenų interpretacijos.
Ką galėtume žinoti apie LUCA?
Iš lyginamųjų genomikos tyrimų galima išvesti kai kurias LUCA savybes, nors jos lieka spėjimų ribose:
- LUCA tikriausiai turėjo kažkokį genetinį kodą, ribosomas ir pagrindinę baltymų sintezės aparatūrą (t. y. gebėjo versti nukleorūgščių sekas į baltymus).
- Ji (ar jos populiacija) greičiausiai naudojo ATP energijos mainams ir turėjo bent dalį šiuolaikinių medžiagų apykaitos kelių.
- Daugelis modelių siūlo, kad LUCA galėjo būti anaerobinė ir gyventi karštose arba prieštaringose sąlygose (pvz., geoterminiuose šaltiniuose), tačiau tai nėra vienareikšmiškai patvirtinta.
- LUCA nebuvo „suplanuota“ moderni bakterija ar archaea — tai labiau bendros savybės turinti protėvių linija, iš kurios vėliau išsiskyrė atskiros gyvenimo gyslos.
Metodai ir ribotumai
LUCA ir bendros kilmės rekonstrukcija remiasi tokiais metodais kaip filogenetinė analizė, palyginamoji genomika, molekulinis laikrodis ir geologiniai duomenys. Vis dėlto yra svarbių sunkumų:
- Horisontalus genų perdavimas (HGT): mainai tarp skirtingų linijų (ypač tarp bakterijų ir archaea) gali užtemdyti tikrąją organizmų giminystę ir apsunkina medžių šaknų atkūrimą.
- Rūšiavimas tarp trijų ar dviejų pagrindinių domens: vis dar diskutuojama, kaip geriausiai struktūrizuoti gyvybės medį (trijų domenų modelis vs. dviejų domenų hipotezė), ir tai įtakoja LUCA interpretaciją.
- Nežinomi pirminiai gyvybės formos: ankstyvieji gyvybės pėdsakai yra fragmentiški, o geologiniai duomenys gali būti sunkiai interpretuojami.
Kodėl tai svarbu
Idėja apie bendrą kilmę ir tyrimai apie LUCA padeda suprasti: kaip atsirado esminės gyvybės savybės, kokie buvo ankstyvieji evoliuciniai žingsniai ir kokios sąlygos skatino gyvenimo kilmę. Tai turi reikšmę ne tik evoliucinei biologijai, bet ir astrobiologijai, biotechnologijai bei supratimui apie gyvenimo įvairovės kilmę.
Vis dar vyksta intensyvūs tyrimai — nauji genomikos duomenys, tobulėjanti filogenetika ir eksperimentinė abiogenezė dažnai atnaujina mūsų supratimą apie tai, kaip susiję ir kada atsirado gyvybės linijos.
Istorija
XVII a. ketvirtajame dešimtmetyje Pjeras Luji Maupertua (Pierre-Louis Maupertuis) pirmą kartą išsakė mintį, kad visi organizmai galėjo turėti bendrą protėvį ir kad jie išsiskyrė dėl atsitiktinių svyravimų ir kovos už būvį. Knygoje "Kosmologijos esė" (Essai de Cosmologie) Maupertuis pažymėjo:Argi negalima sakyti, kad atsitiktiniuose gamtos kūrinių deriniuose turi būti tokių, kuriems būdingas tam tikras tinkamumo santykis ir kurie gali išlikti, todėl nereikia stebėtis, kad šis tinkamumas būdingas visoms šiuo metu egzistuojančioms rūšims? Atsitiktinumas, sakytume, sukūrė nesuskaičiuojamą daugybę individų; nedidelė jų dalis buvo sukonstruota taip, kad gyvūno dalys galėjo tenkinti jo poreikius; kitoje, be galo didelėje dalyje nebuvo nei tinkamumo, nei tvarkos: visi pastarieji išnyko... Rūšys, kurias matome šiandien, yra tik mažiausia dalis to, ką sukūrė aklas likimas...
Visuotinio bendrojo nuopuolio įrodymai
Bendra biochemija ir genetinis kodas
Visų žinomų gyvybės formų pagrindą sudaro ta pati pagrindinė biocheminė organizacija.
Genetinė informacija užkoduojama DNR ir transkribuojama į RNR, tada ribosomos (labai panašios) ją verčia į baltymus, o energijos šaltiniai yra ATP, NADH ir kt.
Panašūs yra energijos nešiklis adenozintrifosfatas (ATP) ir tai, kad visos baltymuose esančios aminorūgštys yra kairiosios (chiralumas).
Be to, genetinis kodas ("vertimo lentelė", pagal kurią DNR informacija verčiama į baltymus) yra beveik identiškas visoms žinomoms gyvybės formoms - nuo bakterijų iki žmonių.
Biologai šio kodo universalumą paprastai laiko galutiniu įrodymu, pagrindžiančiu visuotinio bendrumo teoriją. Nedidelių genetinio kodo skirtumų analizė taip pat patvirtino visuotinį bendrąjį kilmę. Statistinis įvairių alternatyvių hipotezių palyginimas parodė, kad visuotinė bendroji kilmė yra daug labiau tikėtina nei modeliai, apimantys daugialypę kilmę.
Filogenetiniai medžiai
Kitas svarbus įrodymas yra tas, kad galima sudaryti išsamius filogenetinius medžius (t. y. rūšių "genealoginius medžius"), kuriuose nurodomi siūlomi visų gyvų rūšių padalijimai ir bendri protėviai. 2010 m. atlikta turimų genetinių duomenų analizė, atvaizduojant juos į filogenetinius medžius, suteikė "tvirtą kiekybinį gyvybės vienybės pagrindimą. ...dabar gyvybės vienybę tvirtai kiekybiškai patvirtina oficialus testas.
Tradiciškai šie medžiai buvo kuriami naudojant morfologinius metodus, tokius kaip lyginamoji anatomija, embriologija ir kt. Pastaruoju metu šiuos medžius galima konstruoti naudojant molekulinius duomenis, pagrįstus genetinių ir baltymų sekų panašumais ir skirtumais. Visi šie metodai duoda iš esmės panašius rezultatus. Tai, kad filogenetiniai medžiai, pagrįsti skirtingų tipų informacija, sutampa tarpusavyje, yra tvirtas įrodymas, kad jų pagrindas yra bendras kilmė.
Paskutinis visuotinis protėvis
Kai kurie dalykai apie LUA yra išvesti. Tai nebuvo pati pirmoji ląstelė, bet viena iš tų, kurios palikuonys išgyveno po ankstyvųjų mikrobų evoliucijos etapų. Remiantis jų buvimu eubakterijose, archėjose ir eukariotuose, LUA buvo apie 325 baltymai.Šios aminorūgštys bene pirmosios buvo įtrauktos į baltymus: alaninas, asparaginas, asparagino rūgštis, glicinas, histidinas, izoleucinas, serinas, treoninas ir valinas. Šios aminorūgštys taip pat buvo rastos modeliuojant kibirkštinius vamzdelius ir analizuojant Murchisono meteoritą. Kitos aminorūgštys, vėliau įtrauktos į genetinį kodą, apima kelias sudėtingiausias aminorūgštis.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra evoliucinė biologija?
A: Evoliucinė biologija - tai mokslas apie tai, kaip gyvieji organizmai evoliucionavo laikui bėgant ir kaip jie susiję tarpusavyje.
K: Ką Čarlzas Darvinas pasiūlė veikale "Apie rūšių atsiradimą"?
A: Knygoje "Apie rūšių kilmę" Čarlzas Darvinas pasiūlė teoriją apie visuotinį bendrą kilmę evoliucijos proceso metu. Jis manė, kad visi gyvi organizmai Žemėje yra kilę iš bendro protėvio.
K: Kas yra paskutinis universalusis protėvis (LUA)?
A: Paskutinis universalusis protėvis (LUA), dar vadinamas paskutiniuoju universaliuoju bendruoju protėviu (LUCA), yra visų šiuo metu gyvenančių organizmų vėliausias bendrasis protėvis. Manoma, kad jis atsirado maždaug prieš 3,9 mlrd. metų.
Klausimas: Kaip evoliucinė biologija patvirtina Čarlzo Darvino teoriją?
A: Evoliucinė biologija patvirtina Čarlzo Darvino teoriją, nes pateikia įrodymų, kad visi Žemėje gyvenantys organizmai yra kilę iš bendro protėvio ir kad šis procesas įvyko evoliucijos būdu per tam tikrą laiką. Tai tvirtai patvirtina jo hipotezę.
Klausimas: Ką reiškia, kai organizmų grupė turi "bendrą kilmę"?
A: Kai organizmų grupė turi "bendrą kilmę", tai reiškia, kad tam tikru evoliucijos laikotarpiu jie turėjo vieną bendrą protėvį. Tai reiškia, kad šios rūšys yra tam tikru būdu susijusios tarpusavyje ir gali atsekti savo protėvius iš vieno pradinio organizmo ar rūšies.
Klausimas: Kaip Čarlzas Darvinas apibūdino savo požiūrį į gyvenimą?
A: Čarlzas Darvinas savo požiūrį į gyvybę apibūdino kaip "didingą", sakydamas: "Didinga yra tai, kad gyvybė su savo keliomis galiomis iš pradžių buvo įkvėpta į kelias formas arba į vieną".
Ieškoti