Дървото на живота: определение, еволюция и молекулярни доказателства
Открийте Дървото на живота — историята, еволюцията и молекулярните доказателства, свързващи всички организми чрез ДНК, РНК и протеини.
Дървото на живота е метафора, която изразява идеята, че всички живи същества са свързани с общ произход.
Чарлз Дарвин е първият, който използва тази метафора в съвременната биология. Преди това тя е била използвана многократно за други цели.
Еволюционното дърво показва връзките между различните биологични групи. То включва данни от анализ на ДНК, РНК и протеини.
Работата с дървото на живота е продукт на традиционната сравнителна анатомия и на съвременните изследвания на молекулярната еволюция и молекулярния часовник. По-долу е представена опростена версия на съвременното разбиране.
Какво представлява дървото на живота днес
Дървото на живота в съвременната биология е графична и математическа конструкция (филогенетично дърво), която показва произхода и историческите отношения между организми. Върховете (т.нар. таксони или видове) и възлите (общите предци) са свързани чрез клонове, които представят еволюционни линии. Дърветата могат да бъдат вкоренени (с посочен общ предок) или невкоренени (без посока на времето).
Историческо развитие
Идеята за свързаност между организми е по-стара от Дарвин, но в неговата „Произход на видовете“ дървото става ключов образ за обяснение на общия произход и дивергентната еволюция. По-късно Хекел и други учени разширяват и визуализират филогенетичните схеми. С появата на молекулярните данни през XX в. филогенетиката премина от сравняване на морфологични белези към анализ на последователности на ДНК, РНК и протеини.
Молекулярни доказателства и методи
Молекулярните данни предлагат количествени признаци за сравнение между организмите. Често използвани подходи и понятия:
- Последователностни данни: гени, рибозомална РНК (16S/18S), хромозоми и пълни геноми.
- Сравняване на ортолози: за да се избегне бъркане между дублирани гени (паралози) и истински еволюционни съответствия.
- Методи за изграждане на дървета: дистанционно (distance), максимум на простотата (maximum parsimony), максимум на вероятността (maximum likelihood) и баесианска инференция (Bayesian inference).
- Оценка на надеждността: бутстреп анализи, вероятностни подкрепи и сравнение между различни гени/маркерни набори (phylogenomics).
Молекулярен часовник и калибриране
Молекулярният часовник предполага, че генетичните промени натрупват със сравнително постоянна скорост през времето. Калибрирането на часовника обикновено използва фосили или геоложки събития, за да превърне генетичните разлики в абсолютни времеви оценки. В същото време скоростите варират между линии и гени, затова се използват „релаксирани часовници“, които позволяват скоростите да се различават.
Три домейна и ендосимбиоза
Едно от ключовите открития, базирано на рибозомната РНК, е разделянето на живота на три домейна: Bacteria, Archaea и Eukarya. Също така молекулярните данни подкрепят теорията за ендосимбиотичния произход на митохондриите и хлоропластите — тези органели произхождат от бактериални предци, погълнати от предшественици на еукариотите.
Ограничения: дърво или мрежа?
Въпреки че метафората „дърво“ е полезна, тя не описва всичко. При микроорганизмите и особено при бактериите и археите широко разпространеното хоризонтално пренасяне на гени (HGT) води до мрежовиден модел на еволюция. Това означава, че отделни гени могат да имат различна еволюционна история — разликите между „геново дърво“ и „видово дърво“ са централни проблеми в съвременната филогенетика.
Съвременни данни и технологии
Напредъкът в секвенирането и анализа доведе до филогеномни изследвания, които използват стотици или хиляди гени едновременно. Метагеномиката и секвенирането от единична клетка откриват огромно биоразнообразие, невиждано преди, и предизвикват ревизии в класификацията на много групи. Нови компютърни методи позволяват моделиране на сложни процеси като незавършено разделяне на родословни линии (incomplete lineage sorting), генен поток и хибридизация.
Практически приложения
- Таксономия и класификация — поставяне на видове в еволюционен контекст.
- Еволюция на черти — проследяване на произхода на адаптации и структури.
- Медицинска и ветеринарна генетика — проследяване на източници и разпространение на патогени.
- Консервация — определяне на еволюционно значими единици за защита.
Отворени въпроси
Някои от големите въпроси остават: точният корен на дървото на живота, ранните етапи на организиране на клетъчните машини, къде точно се поставят определени протисти и как да се обединят конфликтуващи геномни сигнали в единна еволюционна картина. Възможно е бъдещите модели да комбинират структури от типа „дърво“ и „мрежа“ за по-пълно описание на биологичната история.
Заключение: Дървото на живота е мощна и динамична научна концепция: от полезна метафора в трудовете на Дарвин то се превърна в квантитативна дисциплина, която използва молекулярни данни и сложни методи. В същото време учените признават, че еволюцията включва както разклоняване, така и обмен на гени, така че най-пълното описание на биологичната история вероятно ще комбинира елементи на дърво и мрежа.
Прекурсори
Ламарк
Жан-Батист Ламарк (1744-1829 г.) създава първото разклонено дърво на животните в своята "Философия на зоологията" (1809 г.). Това е обърнато с главата надолу дърво, което започва с червеите и завършва с бозайниците. Ламарк обаче не вярва в общия произход на всички живи същества. Вместо това той смята, че животът се състои от отделни паралелни линии, които се развиват от просто към сложно.
Хичкок
Американският геолог Едуард Хичкок (1763-1864) публикува през 1840 г. първото дърво на живота, основано на палеонтологията, в книгата си "Elementary Geology". По вертикалната ос са разположени палеонтологичните периоди. Хичкок прави отделно дърво за растенията (вляво) и животните (вдясно). Дърветата на растенията и животните не са свързани в долната част на диаграмата. Освен това всяко дърво започва с няколко произхода. Въпреки това те не са еволюционни дървета, защото Хичкок е вярвал, че божество е причинителят на промяната.
Vestiges
Първото издание на книгата на Робърт Чеймбърс Vestiges of the Natural History of Creation е публикувано анонимно през 1844 г. То съдържа схема, наподобяваща дърво, в главата "Хипотеза за развитието на растителното и животинското царство". На нея е показан модел на ембрионално развитие, в който рибите (F), влечугите (R) и птиците (B) представляват разклонения от пътя, водещ към бозайниците (M).
В текста тази идея за разклоняващо се дърво е приложена условно към историята на живота на Земята: "може да има разклонения".p191
Сгъваема палеонтологична карта на Едуард Хичкок в "Elementary Geology" (1840 г.)
Диаграма от "Следи от естествената история на сътворението", 1844 г., стр. 212
Дървото на живота на Дарвин
Чарлз Дарвин (1809-1882) е първият, който съставя еволюционно дърво на живота. Той е бил много предпазлив по отношение на възможността да се реконструира историята на живота. В "За произхода на видовете" (1859 г.), глава IV, той представя абстрактна схема на теоретично дърво на живота за видовете от неназован голям род (вж. фигурата).
По думите на Дарвин: "Така малките разлики, които отличават разновидностите на един и същи вид, непрекъснато ще се увеличават, докато стигнат до равнището на по-големите разлики между видовете от един и същи род или дори от различни родове."
Това е модел на разклонение без имена на видовете, за разлика от по-линейното дърво, което Ернст Хекъл прави години по-късно.
В резюмето си към раздела, преработен в шестото издание от 1872 г., Дарвин обяснява възгледите си за Дървото на живота:
Сродството на всички същества от един и същи клас понякога е представяно с голямо дърво. Смятам, че това сравнение до голяма степен отговаря на истината. Зелените и поникващи клонки могат да представляват съществуващите видове, а тези, които са се появили през предишните години, могат да представляват дългата поредица от изчезнали видове...
Клоните, разделени на големи клони, а те - на по-малки и по-слаби клони, някога, когато дървото е било младо, са били сами по себе си пъпкуващи клонки; и тази връзка на бившите и настоящите пъпки чрез разклоняващи се клони може добре да представлява класификацията на всички изчезнали и живи видове в групи, подчинени на групи.
От многото клончета, които са виреели, когато дървото е било обикновен храст, само две или три, които сега са се превърнали в големи клони, все още оцеляват и носят другите клони; така и при видовете, живели през отдавна отминали геологични периоди, много малко са оставили живи и модифицирани потомци. От първото израстване на дървото много клони и клонки са изгнили и паднали; и тези паднали клони с различна големина могат да представляват цели разреди, семейства и родове, които сега нямат живи представители и които са ни известни само във фосилно състояние.
Както тук-там виждаме тънък стърчащ клон, израснал от разклонение ниско долу на дървото, който по някаква случайност е бил облагодетелстван и все още е жив на върха му, така понякога виждаме животно като орниторинхус (платинус) или лепидосирен (южноамериканска риба), което в някаква малка степен свързва чрез родството си два големи клона на живота и което очевидно е било спасено от фатална конкуренция, тъй като е обитавало защитено място.
Както пъпките дават началото на нови пъпки, а те, ако са силни, се разклоняват и надвиват от всички страни много по-слаби клони, така, според мен, се е случило с голямото Дърво на живота, което запълва с мъртвите си и счупени клони земната кора и покрива повърхността с вечно разклоняващите се и красиви разклонения.- Дарвин, 1872 г.
Изображението на "Дървото на живота", което се появява в книгата на Дарвин "За произхода на видовете чрез естествен подбор", 1859 г. Това е единствената илюстрация в книгата.
Дървото на живота днес
Моделът на дървото все още се смята за валиден за еукариотните форми на живот. Изследванията на най-ранните разклонения на дървото на еукариотите предполагат дърво или с четири надгрупи, или с две надгрупи. Изглежда, че все още няма консенсус; в обзорна статия Роджър и Симпсън заключават, че "при сегашния темп на промени в разбирането ни за дървото на живота на еукариотите трябва да действаме предпазливо".
Сега биолозите признават, че прокариотите, бактериите и археите имат способността да прехвърлят генетична информация между несвързани организми чрез хоризонтален трансфер на гени (HGT). Рекомбинацията, загубата на гени, дублирането и създаването на гени са някои от процесите, чрез които гените могат да се прехвърлят в рамките на и между бактериални и археални видове, причинявайки вариации, които не се дължат на вертикален трансфер. Появяват се нови доказателства за HGT в прокариотите на едноклетъчно и многоклетъчно ниво и вече се налага мнението, че дървото на живота дава непълна картина на еволюцията на живота. То е полезен инструмент за разбиране на основните процеси на еволюцията, но не може да обясни цялата сложност на ситуацията.
Сегашно дърво на живота, показващо хоризонтален трансфер на гени.
Галерия
Кликващ
Животът на Земята
(преглед - обсъждане)
0,2 Mya
Хора
180 Mya
Цветя
200 Mya
Бозайници
Динозаври от 240 миа
3500 Mya
Кислород
4000 Mya
Микроби
4410 Mya
Water
4540 Mya
Земя
Свързани страници
- Страница за дезамбигиране на Дървото на живота
Въпроси и отговори
В: Какво представлява Дървото на живота?
О: Дървото на живота е метафора, която подсказва, че целият живот е взаимосвързан и е еволюирал по пътя на общия произход.
В: Кой пръв използва тази метафора в съвременната биология?
О: Чарлз Дарвин е първият, който използва тази метафора в съвременната биология.
В: Какво показва еволюционното дърво?
О: Еволюционното дърво показва връзките между различните биологични групи въз основа на данни от ДНК, РНК и протеиновия анализ.
В4 Как се провеждат изследванията на дървото на живота?
О: Изследванията на дървото на живота използват комбинация от традиционна сравнителна анатомия и съвременни изследвания на молекулярната еволюция и молекулярния часовник, за да разберат как са свързани организмите.
обискирам