Χρονολογικές ενδείξεις για την πρώιμη ιστορία της ζωής καραδοκούν στις μεταφορές γονιδίων
Οι επιστήμονες που θέλουν να αποκαλύψουν τις λεπτομέρειες της 3,8 δισεκατομμυρίων ετών ιστορίας της ζωής στη Γη βρίσκονται σε θολό έδαφος μόλις κοιτάξουν νωρίτερα από μισό δισεκατομμύριο χρόνια πριν. Πριν από τότε, οι μικροοργανισμοί κυριαρχούσαν στον πλανήτη, αλλά - σε αντίθεση με τα ζώα και τα φυτά που εμφανίστηκαν αργότερα - άφησαν σχεδόν απολιθώματα για να σημαδέψουν το αρχαίο παρελθόν τους και οι προσπάθειες να συμπεράνουν τα γενεαλογικά τους δέντρα από τα γονίδιά τους αποδείχθηκαν απογοητευτικές.
Αλλά δύο εργασίες που δημοσιεύθηκαν νωρίτερα αυτό το μήνα στο Nature Ecology &Evolution είναι έτοιμες να φέρουν μεγαλύτερη σαφήνεια στη μελέτη της εξέλιξης. Κάποιος έχει ήδη παράσχει πρόσθετα στοιχεία για το ρόλο που έπαιξε η πρώιμη ζωή πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Το κλειδί της επιτυχίας τους βρισκόταν στην εύρεση τρόπων εκμετάλλευσης αυτού που πολλοί ερευνητές θεωρούν ως εμπόδιο στην πρόοδο και όχι ως εργαλείο.
Παραδοσιακά, οι επιστήμονες βασίζονται σε «βράχους και ρολόγια» για να χρονολογήσουν το δέντρο της ζωής:απολιθώματα από το γεωλογικό αρχείο και το «μοριακό ρολόι» εκτιμά ότι συμπεραίνουν πόσο καιρό πριν τα σχετικά είδη αποκλίνονταν αναλύοντας το ρυθμό με τον οποίο οι μεταλλάξεις δημιουργούνται στα γονιδιωματικές αλληλουχίες. Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα:οι ρυθμοί του μοριακού ρολογιού διαφέρουν μεταξύ των γενεών — είναι πολύ πιο γρήγοροι στα τρωκτικά παρά στα πρωτεύοντα, για παράδειγμα — οπότε αν δεν βαθμονομηθούν με δεδομένα απολιθωμάτων, μπορεί να οδηγήσουν σε λάθος συμπεράσματα.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το ασήμαντο αρχείο απολιθωμάτων για τη συντριπτική πλειοψηφία της εξελικτικής ιστορίας είναι ένα τέτοιο πρόβλημα. Για να γίνουν τα πράγματα ακόμη πιο περίπλοκα, αυτή η ιστορία χαρακτηρίζεται από οριζόντια μεταφορά γονιδίων, μια διαδικασία κατά την οποία οι μικροοργανισμοί ενσωματώνουν γονίδια από απομακρυσμένα συγγενικά είδη στο δικό τους γονιδίωμα, αντί να τα κληρονομούν κάθετα από το μητρικό τους κύτταρο. (Μια επίδραση της οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων μπορεί να φανεί στην εξάπλωση της αντίστασης στα αντιβιοτικά μεταξύ των βακτηρίων τον περασμένο αιώνα.) Κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών, υπήρξε τόσο κυρίαρχη εξελικτική δύναμη μεταξύ των μικροβίων που ορισμένοι επιστήμονες έχουν εγκαταλείψει τη μεταφορά του δέντρου της ζωής υπέρ ενός μπερδεμένου ιστού που δεν μπορεί να ανακατασκευαστεί με ακρίβεια. Οι μεταφορές γονιδίων έχουν θολώσει υπερβολικά τις γραμμές μεταξύ των ειδών, ισχυρίζονται, και τα γονίδια σε οποιοδήποτε γονιδίωμα μπορούν να πουν πάρα πολλές διαφορετικές ιστορίες για να αποκαλύψουν χρήσιμα τις σχέσεις μεταξύ διαφορετικών οργανισμών.
Και έτσι η εργασία στο δέντρο της ζωής έχει την τάση να αγνοεί τις μεταφορές γονιδίων, ορίζοντας τις ως θόρυβο. Αλλά οι δύο ομάδες πίσω από το σύνολο των εγγράφων αυτού του μήνα λένε ότι δεν πρέπει να βιαζόμαστε να τις απορρίψουμε. «Αν υπολογίσεις τις μεταφορές γονιδίων με τον σωστό τρόπο», είπε ο Vincent Daubin, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Λυών στη Γαλλία και συγγραφέας μιας από τις μελέτες, «καταλαβαίνετε ότι υπάρχουν πολλά που πρέπει να ληφθούν από αυτές:πώς τα είδη σχετίζονται, όταν ζούσαν, με ποιον είχαν οικολογική επαφή.»
Ο Daubin και ο Gergely Szöllősi, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Eötvös Loránd στην Ουγγαρία, έχουν αναπτύξει ένα σύνολο πιθανοτικών αλγορίθμων που εισήγαγαν το 2012 για να βοηθήσουν σε αυτήν την προσπάθεια. Οι αλγόριθμοι μπορούν να συγκρίνουν αλληλουχίες DNA από δύο είδη, για παράδειγμα, και να αξιολογήσουν πόσο πιθανό είναι οι διαφορές μεταξύ τους να είναι αποτέλεσμα γονιδιακών μεταφορών, διπλασιασμού ή διαγραφών. Η χαρτογράφηση των μεταβιβάσεων είναι μια ιδιαίτερα χρήσιμη άσκηση γιατί αναδομεί λογικά ποιες είναι οι δυνατές οικογενειακές σχέσεις:Για κάθε δεδομένη μεταφορά, οι πρόγονοι του δότη γονιδίου πρέπει να είναι μεγαλύτεροι από τους απογόνους του λήπτη. Εντοπίζοντας πολλές τέτοιες μεταφορές, λοιπόν, οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν τη σχετική σειρά των εμπλεκόμενων ειδών.
Στην πρόσφατη εργασία τους, οι Daubin, Szöllősi και οι συνεργάτες τους εφάρμοσαν τη μέθοδό τους σε χιλιάδες οικογένειες γονιδίων από ένα ευρύ φάσμα μικροβίων:40 είδη φωτοσυνθετικών βακτηρίων που παράγουν οξυγόνο που ονομάζονται κυανοβακτήρια, 60 είδη μονοκύτταρων μικροοργανισμών που ονομάζονται αρχαία και 60 είδη μυκήτων. «Οι οριζόντιες μεταφορές γονιδίων λειτουργούν ως ικρίωμα», είπε ο Mario dos Reis, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Queen Mary του Λονδίνου που δεν συμμετείχε στη μελέτη, «στην οποία [οι ερευνητές] θα μπορούσαν να τοποθετήσουν τους σχετικούς χρόνους απόκλισης για τις διαφορετικές ομάδες. .”
Για να εντοπίσει τις πραγματικές ημερομηνίες απόκλισης μεταξύ ομάδων οργανισμών, και όχι απλώς μια σχετική σειρά, η ομάδα βαθμολόγησε τα ευρήματά της με γενεαλογικά δέντρα που παρέχονται με τη μέθοδο «βράχια και ρολόγια». Ελπίζουν τελικά να συνδυάσουν τις τεχνικές για να διατυπώσουν μια εκτίμηση μοριακού ρολογιού που θα αντιπροσωπεύει επίσης οριζόντιες μεταφορές γονιδίων.
Στο μεταξύ, θα συνεχίσουν να εφαρμόζουν τη δουλειά τους σε ολόκληρο το δέντρο της ζωής για να οικοδομήσουν μια πιο σταθερή εξελικτική ιστορία. Θα μπορούσαν ακόμη και δυνητικά να χρησιμοποιήσουν μεταφορές για να βρουν σήματα εξαφανισμένων ειδών που συνεισέφεραν γονίδια στα σύγχρονα γονιδιώματα κάποια στιγμή, πολύ καιρό πριν. «Θέλουμε να δούμε πόση περισσότερη ανάλυση μπορούμε να έχουμε αν προσθέσουμε μεταφορές γονιδίων», είπε ο Szöllősi.
Η πιο ακριβής χρονολόγηση θα βοηθήσει τους βιολόγους να απαντήσουν σε ερωτήσεις που τους βασάνιζαν εδώ και καιρό. Για παράδειγμα, σε ποιο βαθμό τα κυανοβακτήρια συνέβαλαν στο γεγονός της μαζικής εξαφάνισης που σχετίζεται με το οξυγόνο που έλαβε χώρα πριν από 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια; Και πώς μπορεί αυτό να επηρέασε την τελική εξέλιξη των ζώων; "Όλα σχετίζονται", είπε ο dos Reis.
Ένα ζευγάρι ερευνητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης χρησιμοποίησε ένα μόνο οριζόντιο γεγονός μεταφοράς γονιδίου για να αποκτήσει περαιτέρω γνώση σε μια τέτοια ερώτηση. (Σημείωση του συντάκτη:Το έργο τους υποστηρίχθηκε από το Ίδρυμα Simons, το οποίο εκδίδει το Quanta .) Όταν η Γη ήταν ακόμα νέα, περίπου 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ο ήλιος ήταν πολύ αμυδρός για να κρατήσει τον πλανήτη αρκετά ζεστό ώστε να διατηρεί από μόνος του το νερό σε υγρή μορφή. Αντίθετα, το μεθάνιο στην ατμόσφαιρα κράτησε τον πλανήτη ζεστό. Ωστόσο, η πηγή αυτού του μεθανίου έχει συζητηθεί, καθώς τα στοιχεία για μικρόβια που παράγουν μεθάνιο από εκείνη την εποχή ήταν ελάχιστα και μπορεί να έχει σχηματιστεί από μη βιολογικές αντιδράσεις.
Ο Gregory Fournier, ένας εξελικτικός βιολόγος, και η μεταδιδακτορική του συνεργάτιδα Joanna Wolfe στράφηκαν σε ένα γνωστό σύνολο γονιδίων που τα μεθανογόνα αρχαία είχαν μεταφέρει στους προγόνους των κυανοβακτηρίων, μιας ομάδας μικροοργανισμών για τους οποίους υπάρχει καλό απολιθωμένο αρχείο. . Αν και οι δύο μικροβιακές ομάδες είχαν μόνο μακρινή σχέση, η μεταφορά γονιδίου επέτρεψε στους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν το οικογενειακό δέντρο των κυανοβακτηρίων και τα απολιθώματα του για να χρονολογήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τα δεδομένα του μοριακού ρολογιού για τα αρχαία. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι οι μικροοργανισμοί που παράγουν μεθάνιο υπήρχαν πριν από περισσότερα από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, υποστηρίζοντας προηγούμενες εργασίες που τους εντόπισαν ως πηγή μεθανίου στην πρώιμη ατμόσφαιρα. Οι Daubin και Szöllősi επιβεβαίωσαν ανεξάρτητα αυτό το εύρημα με γενεαλογικά δέντρα που δημιουργήθηκαν με τη δική τους τεχνική.
Αυτή η χρήση οριζόντιων μεταφορών γονιδίων έχει και άλλες εφαρμογές. Οι Daubin και Szöllősi σημειώνουν ότι, στον αλγόριθμό τους, τα γεγονότα μεταφοράς είναι μαθηματικά πολύ παρόμοια με τις γενετικές αλλαγές που σχετίζονται με ιούς ή μικρόβια που πηδούν σε ένα νέο είδος ξενιστή. Με τα σωστά δεδομένα, σύμφωνα με τον Nicolas Lartillot, ερευνητή στο Πανεπιστήμιο της Λυών που δεν συμμετείχε στη μελέτη, η μέθοδός τους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό, για παράδειγμα, την ιστορία του ανθρώπινου μικροβιώματος ή την εμφάνιση αρχαίων ιικών ομάδων όπως π. HIV και σχετικοί ρετροϊοί.
Ο Ντος Ρέις συμφώνησε. "Είναι πολύ συναρπαστικό να χρησιμοποιούμε αυτές τις προσεγγίσεις για να κοιτάξουμε τόσο πολύ πίσω στο χρόνο, στο απίστευτα μακρινό παρελθόν", είπε.
