Nový strom života Understand article

Preložila Lucia Ciglar. V Európskom Laboratóriu Molekulárnej Biológie v nemeckom Heidelbergu, výskumná skupina pod vedením Peera Borka dôkladne zrekonštruovala nový strom života, sledujúci priebeh evolúcie. Russ Hodge vysvetľuje.

Za okrajom jedného z poznámkových blokov, patriacich Charlesovi Darwinovi, je malá, vetvičkovitá kresba – nič výnimočné pokiaľ si neuvedomíte, že znázorňuje ohromný intelektuálny pokrok, míľnik v ľudskej histórii. Je to prvý moderný náčrt stromu života, zobrazujúci fakt, že rozličné druhy mali spoločných predkov. Celé jedno storočie zbierali prírodovedci fakty o druhoch, pomenovávali ich a zaraďovali do skupín na základe podobností. Darwin zrazu pochopil, že tieto podobnosti predstavujú príbuzenské vzťahy

Haeckelov strom života z „
Evolúcia človeka“ (1879)
(1879)

Dve dekády neskôr, Ernst Haeckel, významný nemecký prírodovedec, embryológ a Darwinov fanatický obdivovateľ, detailne zostrojil iný strom života. Haeckelov diagram sa pokúša o zlúčenie rastlinnej a živočíšnej ríše do jediného genealogického záznamu života na Zemi. Veľa vecí sa mu podarilo vyriešiť úspešne, no jeho strom tam končí. Akonáhle sa dostal k jednobunkovým organizmom, nedokázal sa pohnúť ďalej. Vedci vtedy iba začínali tušiť úžasnú rôznorodosť druhov žijúcich na Zemi. Iste nemali dosť poznatkov na to, aby vytvorili presvedčivú filogéniu siahajúcu pred divergenciu rastlín a živočíchov.

Odvtedy vedci dopĺňali vetvy a vetvičky, zliezali dole po kmene a hlboko tlačili do koreňov, spoliehajúc sa na záznamy evolúcie zachované v DNA. Napriek tomu, otázky ohľadom rannej histórie života na Zemi zostávajú nezodpovedané. Peer Bork so svojou skupinou z Európskeho Laboratória Molekulárnej Biológie v nemeckom Heidelbergu práve dokončili najdôkladnejší evolučný strom, aký bol kedy vytvorený. Nemusí ale vôbec byť konečný- milióny druhov čakajú na objavenie, a tie čo už poznáme, sa budú naďalej vyvíjať. Každopádne ale vypĺňa veľa medzier a pomôže vedcom pri triedení zlomkovitých náznakov existencie nových organizmov. Takisto objasňuje veľmi skorú históriu pozemského života.

V skorej histórii našej Zeme existoval jeden organizmus, ktorý dal vznik všetkým dnešným druhom. V roku 1994, Christos Ouzounis a Nikos Kyrpides pomenovali túto tajomnú bytosť LUCA, posledný univerzálny spoločný predok (Last Universal Common Ancestor). Štúdie sekvencií DNA pochádzajúcich z rastlín, húb, zvierat, baktérií a inej formy jednobunkových organizmov zvaných archabaktérie dokázali, že musela existovať. No iba donedávna mohli o nej vedci povedať veľmi málo.

„Dve veci sa zmenili,“ hovorí Peer. „Po prvé, je to nesmierne množstvo informácií z DNA sekvencií, úplne rozlúštených z viac ako 350 organizmov, pokrývajúcich celé spektrum života. Tieto nám poskytli obrovské množstvo dát, ktoré mohli byť porovnané a tým umožnili vytvorenie dobrého stromu ako aj zodpovedanie viacerých otázok o LUCA. Niektoré kľúčové gény sa nachádzajú vo všetkých týchto organizmoch a chemický ‘pravopis’ týchto génov nám umožňuje ich zoskupiť do rodín s historickými vzťahmi.“

Taktiež dáva vyskumníkom možnosť zrekonštruovať hypotetických predkov. Základný princíp evolúcie, princíp spoločného predchodcu, stanovuje, že ak dva organizmy zdieľajú rovnaké znaky, tak je to takmer vždy pre zdedené vlastnosti po spoločnom predkovi. Takže porovnávaním existujúcich druhov vedci môžu nadobudnúť predstavy o dávnejších formách života.

„Počas niekoľkých predchádzajúich dekád si vedci uvedomili, že existuje dôležitá výnimka tohto pravdila,“ vysvetľuje Peer. „Baktérie si medzi sebou môžu vymieňať gény a niekedy môžu dokonca ukradnúť gén z rastliny alebo živočícha. Akonáhle sa to stane, predajú gén svojim potomkom. Takéto gény potom majú profily úplne odlišné od génov, ktoré sa dedili normálnym spôsobom. Je to ako nájdenie vetvy na strome, ktorá rastie naprieč a spojí sa s inou vetvou.“

Peer hovorí, že vedci sa pokúšali nájsť takéto gény a vyradiť ich, keď  stavali stromy na základe dát z DNA sekvencií. Ale nikto nevedel, ako často sa takéto situácie, nazývané horizontálny génový transfer (HGT), uskutočňovali a ani nikto nevyvinul presvedčivú metódu na ich identifikáciu. „Na chvíľu sa zdalo, že tie množstvá dát skôr ten problém zväčšovali ako by ho riešili,“ vraví Peer. „Veľa sa o tom debatovalo a počty klasifikácií narastali namiesto toho, aby sa zhodovali.“ Časť problému bola v tom, že práca mohla byť vykonaná iba automatizovaným spôsobom, pre neskutočné množstvo genomických  dát, ktoré museli byť spracované.

Francesca Ciccarelli, postdoktorandtka v Peerovej skupine, sa rozhodla rozlúsknuť tento problém odznova a nájsť riešenie problému s HGT. Začala kombinovaním genómov 191 druhov na základe unikátnych ortológov- génov v rôznych organizmoch, ktoré sa vyvinuli zo spoločného predošlého génu. Úloha bola o to ťažšia, že nemohla byť úplne automatizovaná. Francesca našla 36 prípadov, z ktorých päť vyzeralo byť premiešaných cez HGT a boli preto vyradené.

Vylúčením týchto z analýzy mohli vedci postaviť úplný strom združením informácií z 31 génov. Peer sa obával, že niektoré HGT sa aj tak mohli prehliadnuť- jediná chyba by mohla pokaziť kvalitu celého stromu. Vedci sa teda rozhodli zapojiť počítač do ťažkej práce. 31 génov bolo náhodne rozdelených do štyroch skupín. Stromy boli systematicky tvorené pre všetky gény každej skupiny, s výnimkou jediného génu, ktorý bol v každom kole úmyselne vynechaný. Výsledky sa potom porovnali. Ak sa vetvy stromu menili z kola na kolo, HGT bol pravdepodobný a príslušný gén bol podrobený ďalším dvom testom. Napokon vedci našli sedem ďalších kandidátov na HGT, ktorých vyradili z analýz.

Nový strom života obsahuje
všetky tri domény života:
archabaktérie, baktérie a
eukaryota. Je toľko rôznych
druhov, že strom sa musí
kresliť ako kruh

Zostávajúce informácie boli skombinované do super-stromu, ktorý bol opäť tromi spôsobmi porovnaný so stromami založenými na jednotlivých génoch.  „Každá z týchto metód sama osebe mohla ponechať strom s nejakými chybami, “ hovorí Peer,  „ale sme si istí, že ich zlúčením sme dosiahli extrémne presný obraz evolučnej histórie týchto molekúl a druhov.“

Výsledky objasňujú niektoré staršie kontroverzie, ako napríklad debatu o veľmi rannej evolúcii zvierat. Niektoré stromy v minulosti navrhovali, že stavovce (ktoré zahŕňajú aj človeka) sa oddeli od ďalšej vetvy, ktorá zostala dočasne jednotná, kým sa nerozštiepila do oddelených vetiev vedúcich k červom a hmyzu. Nová verzia zoskupuje veci inak: predkovia stavovcov a hmyzu sa oddelili od červov spoločne a navzájom sa rozišli až neskôr.

Väčšie rozlíšenie stromu je taktiež dôležité, vraví Peer, pre súčasné metagenomické štúdie, ktoré odvodzujú sekvencie všetkých génov v prostrediach ako orná pôda alebo morská voda. Jeho skupina sa zúčastňuje viacerých takých projektov. „Väčšina sekvenčných projektov začína daným organizmom a systematicky sa prepracováva jeho celým genómom.” vraví. „Metagenomika je sekvencovanie miesta – akoby globálne umiestnenie systémových súradníc. Veľakrát zachytíme čiastočné stopy tisícok génov a netušíme, ktorému organizmu patria. Často tieto molekuly predstavujú bytosti, ktoré nikdy predtým neboli spatrené.” Rozsah a hĺbka nového stromu vedcom poskytne oveľa vyššie šance pri hádaní, kam sa takéto stopy hodia a ktorým typom živých bytostí môžu patriť.

Je žijúci svet rovnomerne rozdelený do hlavných vetiev, konárov a halúzok, alebo precenili sme váhu nášho vlastného rodokmeňa? Bližší pohľad na strom ukazuje, že ten druhý prípad je pravdivý. Eukaryota, obsahujúce kvasinky, rastliny a zvieratá ako nás, sú tak odlišné jeden od druhého, že ich na strome vedci odtlačili ďaleko od seba. Avšak geneticky vzaté, druhy sú často oveľa viac príbuzné než veľa jednobunkových foriem života.

„Menšie genómy sa vyvíjajú rýchlejšie,” vysvetľuje Peer. „Neexistuje jediný osekvencovaný organizmus, ktorý by sa vyvíjal rýchlo a mal aj veľký genóm. Naznačuje to, že niektoré z najjednoduchších organizmov takými zostali, lebo veci zostrihali. Evolúcia nie je vždy o nadobúdaní komplexity.”

Štúdia vedcom taktiež ponúka bližší pohľad na LUCA. „Jednou veľkou otázkou bolo, aké boli najrannejšie baktérie, keď sa oddelili od archabaktérií. Baktérie sú na základe ich membrán zoskupené v dvoch triedach, Gram-pozitívne a Gram-negatívne. Strom odhalil, že tie Gram-pozitívne sa vyvinuli ako prvé. A keď sa pozriete na repertoár ich génov, vyzerajú byť vhodné pre veľmi horúce prostredie. Prvé archabaktérie boli objavené v horúcich oceánskych ventiloch a väčšina dnes žijúcich druhov sú termofilné. Silne to nasvedčuje tomu, že LUCA bol tiež.

Download

Download this article as a PDF

Institution

EMBL

Author(s)

Tento článok možno nájsť v ročnej správe Európskeho Laboratória Molekulárnej Biológie, zbierke článkov na najaktuálnejšie vedecké témy. Zvyšok správy je k videniu na: www.embl.de/aboutus/communication_outreach/publications.




License

CC-BY-NC-ND