Kopēja izcelsme bioloģijā — LUCA, evolūcija un definīcija
Evolūcijas bioloģijā teic, ka organismu grupai ir kopēja izcelsme, ja tiem ir kopīgs priekštečs. Pastāv spēcīgs kvantitatīvs atbalsts ar formālu testu teorijai, ka visi dzīvie organismi uz Zemes ir cēlušies no viena kopēja priekšteča.
Čārlzs Darvins grāmatā "Par sugu rašanos" (On the Origin of Species) piedāvāja ideju par universālu kopēju izcelsmi evolūcijas procesā, rakstīdams: "Šāds skatījums uz dzīvību ar tās dažādajām spējām, kas sākotnēji tika iedvesta dažās formās vai vienā formā, ir grandiozs." p490
Tiek uzskatīts, ka pēdējais universālais kopīgais priekštečs (LUCA) — tas ir, pēdējais organisms vai populācija, no kura tieši vai netieši cēlušies visi pašlaik dzīvie organismi — ir radies pirms aptuveni 3,5–3,9 miljardiem gadu. Šī datēšana balstās uz molekulāro pulksteni, salīdzinot konservētas ģenētiskās secības un fosīliju/izotopu liecību interpretāciju.
Pierādījumi un metodes
- Molekulārā filogenētika: salīdzinot universālas gēnu secības (piemēram, ribosomālā RNS), zinātnieki rekonstruē dzīvības attiecības un atbalsta κοινēju izcelsmi.
- Salīdzināmā genomika: daudzas pamatfunkcijas — piemēram, kods ribosomu, transkripcijas un translācijas mašīnas komponentes, pamata metabolisma ceļi — ir saglabājušās visās dzīvajās līnijās, liecinot par kopīgu izcelsmi.
- Fosīliju un geoloģiskie dati: stromatolīti un ķīmiskie izotopu rādītāji liecina par mikrobiālu dzīvi jau pirms ~3,5 miljardiem gadu, kas saskan ar LUCA laika rāmjiem.
- Formāli statistiski testi: filogenētiskie modeļi, maksimālās ticamības un Bayesa pieejas sniedz kvantitatīvus testus hipotezēm par kopējo izcelsmi un filogenētisko koku atbalstu.
Ko mēs varam uzzināt par LUCA — iespējamās īpašības
- LUCA, visticamāk, bija aprīkots ar molekulāriem mehānismiem DNS/RNS/apstrādei, tostarp translāciju (ribosomas) un transkripciju.
- Ir pierādījumi, ka LUCA izmantoja universālo ģenētisko kodu un pamata metabolisma ceļus (aminoskābju un nukleotīdu sintēze), lai gan daļa metabolisku risinājumu var būt evolūcijas gaitā zaudēti vai modificēti.
- Ir diskusijas, vai LUCA bija aerobs vai anaerobs; daudz liecību rāda, ka agrīnā dzīvība dzīvoja anaerobos apstākļos un izmantoja ķīmisku enerģiju (chemolitotrofiju) un/protonu gradientu — līdzīgi mūsdienu mikroorganismiem.
- Membrānas ķīmija LUCA līnijai nav pilnīgi skaidra, jo Archaea un Bacteria membrānas lipīdu sastāvs atšķiras; tas norāda uz iespējamu agrīnu lipīdu evolūcijas pārveidi vai dažādām membrānas attīstības ceļām.
Grūtības un neskaidrības
- Horizontāla gēnu pārvietošanās (HGT): agrīnā dzīvē plaša gēnu apmaiņa starp līnijām sarežģī filogenētiskās rekonstrukcijas; LUCA var nebūt viens vienots indivīds, bet gan ģenētiski apmainīgu organismu kopiena.
- Signālu zudums un convergences: daži senie gēni var būt pazuduši vai neatpazīstami, un atsevišķas pazīmes var rasties neatkarīgi vairākās līnijās, kas rada interpretācijas izaicinājumus.
- Datēšanas neprecizitāte: molekulārais pulkstenis un fosīliju interpretācija sniedz plašus datējumu intervālus, tāpēc LUCA precīzs vecums tiek pastāvīgi koriģēts ar jauniem datiem.
Nozīme bioloģijā
Ideja par kopēju izcelsmi un LUCA ir centrāla evolūcijas teorijai: tā vieno visu dzīvi vienā filiālē (vai tīklā) un izskaidro gan anatomiskās, gan molekulārās līdzības starp ļoti atšķirīgām organismu grupām. Pētījumi par LUCA palīdz saprast, kā attīstījās pamatbioloģiskie procesi — no ģenētiskās informācijas pārneses līdz enerģijas ieguvei — un sniedz ieskatu par to, kā varētu izskatīties dzīvība uz citām pasaulēm.
Pētījumi par kopējo izcelsmi turpinās: jaunu genomu salīdzinājumi, uzlabotas filogenētikas metodes un agrīno Zemes apstākļu izpēte pastāvīgi precizē mūsu priekšstatu par to, kas bija LUCA un kā sākās evolūcijas ceļš.
Vēsture
1740. gados Pjērs Luī Mopertjē (Pierre-Louis Maupertuis) pirmais izteica pieņēmumu, ka visiem organismiem varētu būt bijis kopīgs priekštečs un ka tie ir atšķīrušies nejaušas variācijas un cīņas par eksistenci rezultātā. Grāmatā Essai de Cosmologie Maupertuis norādīja:Vai nevarētu teikt, ka, tā kā dabas radīto produktu nejaušajās kombinācijās ir jābūt tādām, kurām piemīt noteiktas piemērotības attiecības un kuras spēj pastāvēt, nav jābrīnās, ka šī piemērotība piemīt visām pašlaik eksistējošajām sugām? Varētu teikt, ka nejaušība radīja neskaitāmu daudzumu indivīdu; neliela daļa no tiem bija uzbūvēti tā, ka dzīvnieka daļas spēja apmierināt tā vajadzības; citā, bezgalīgi lielākā skaitā nebija ne piemērotības, ne kārtības: visi šie pēdējie ir gājuši bojā... Sugas, ko mēs redzam šodien, ir tikai mazākā daļa no tā, ko radījis aklais liktenis...
Vispārējas kopējas izcelsmes pierādījumi
Kopējā bioķīmija un ģenētiskais kods
Visu zināmo dzīvības formu pamatā ir viena un tā pati bioķīmiskā pamatorganizācija.
Ģenētiskā informācija tiek kodēta DNS un pārrakstīta RNS, pēc tam ar (ļoti līdzīgu) ribosomu palīdzību tiek pārvērsta olbaltumvielās, kā enerģijas avoti tiek izmantoti ATP, NADH un citi utt.
Šīs līdzības ietver enerģijas nesēju adenozīna trifosfātu (ATP) un to, ka visas olbaltumvielās esošās aminoskābes ir kreisās puses (hiralitāte).
Turklāt ģenētiskais kods ("tulkošanas tabula", saskaņā ar kuru DNS informācija tiek pārtulkota olbaltumvielās) ir gandrīz identisks visām zināmajām dzīvības formām, sākot no baktērijām un beidzot ar cilvēkiem.
Biologi parasti uzskata, ka šī koda universālums ir galīgs pierādījums par labu universālas kopējas izcelsmes teorijai. Arī ģenētiskā koda nelielo atšķirību analīze ir apstiprinājusi universālu kopēju izcelsmi. Dažādu alternatīvu hipotēžu statistisks salīdzinājums ir parādījis, ka universāla kopēja izcelsme ir ievērojami ticamāka nekā modeļi, kas ietver vairākas izcelsmes.
Filoģenētiskie koki
Vēl viens svarīgs pierādījums ir tas, ka ir iespējams uzbūvēt detalizētus filoloģētiskos kokus (t. i., sugu "ģenealoģiskos kokus"), kuros ir iezīmēti visu dzīvo sugu ierosinātie dalījumi un kopīgie priekšteči. Pieejamo ģenētisko datu analīze 2010. gadā, kartējot tos ar filoģenētiskajiem kokiem, sniedza "stingru kvantitatīvu atbalstu dzīvības vienotībai. ... tagad ir iegūts stingrs kvantitatīvs atbalsts dzīvības vienotībai, izmantojot formālu testu.
Tradicionāli šie koki ir veidoti, izmantojot morfoloģiskās metodes, piemēram, salīdzinošo anatomiju, embrioloģiju utt. Nesen šos kokus bija iespējams veidot, izmantojot molekulāros datus, pamatojoties uz līdzībām un atšķirībām starp ģenētiskajām un olbaltumvielu sekvencēm. Visas šīs metodes dod būtībā līdzīgus rezultātus. Tas, ka uz dažādiem informācijas veidiem balstītie filoloģētiskie koki savstarpēji saskan, ir spēcīgs pierādījums tam, ka pamatā ir kopēja izcelsme.
Pēdējais universālais priekštečs
Par LUA tiek secināts dažas lietas. Tā nebija pati pirmā šūna, bet gan šūna, kuras pēcteči izdzīvoja pēc mikrobu evolūcijas ļoti agrīnajiem posmiem. Pamatojoties uz to klātbūtni eubaktērijās, arhejās un eikariontos, LUA bija aptuveni 325 olbaltumvielas.Šīs aminoskābes, iespējams, bija pirmās, kas tika iestrādātas olbaltumvielās: alanīns, asparagīns, asparagīnskābe, glicīns, histidīns, izoleicīns, serīns, treonīns un valīns. Šīs aminoskābes tika atrastas arī dzirksteļcaurulīšu simulācijās un Mērčisona meteorīta analīzē. Pārējās aminoskābes, kas vēlāk tika pievienotas ģenētiskajam kodam, ietver vairākas sarežģītākās aminoskābes.
