Ubrzana evolucija bakterija dogodila se prije 3 milijarde godina • Elena Naimark • Znanstvena vijest o "Elementima" • Bioinformatika

Ubrzana evolucija bakterija dogodila se prije 3 milijarde godina.

Geolog, fasciniran proučavanjem drevnog života, savršeno se osjeća na dnu Proterozočkog mora među izgubljenim stromatolitima. Oni su među prvim stanovnicima našeg planeta. Fotografije iz nvcc.edu

Američki znanstvenici procjenjuju stopu genetske evolucije koja se sastojala od četiri glavna procesa – genetskih tumora, horizontalnih transfera, dupliciranja i gubitka gena. Moguće je jasno identificirati razdoblje intenzivnih neoplazmi gena. Padao je na kasni Archean – prije 3,3-2,85 milijardi godina. Relativni doprinos horizontalnog prijenosa ostao je više ili manje konstantan, ali postupno, sve do suvremenog doba, povećava se uloga duple gena. Najveći doprinos maksimumu tumora Archeana napravili su geni povezani s primjenom različitih supstrata za disanje mikroorganizama. Značajno tumačenje tih rezultata zahtijeva sudjelovanje stručnjaka u geokemiji i geologiji.

Danas postoji nekoliko osnovnih pristupa proučavanju najstarijih stadija smrtnog života. Prva od njih je traganje za tragovima u kamenim nalazima. U stijenama Proterozoika i čak, možda,Arheološko doba sa bliskom studijom može otkriti strukture slične bakterijama ili jednostaničnim gljivama ili eukariotima. Koje su ove strukture? Je li doista ostaci bakterija ili nekih kristala, nažalost slične bakterijama? Ili bakterije, ali zamršene u potpuno drugačijem vremenu? Najčešće, istraživači fosilnih zapisa ne mogu odgovoriti na ova pitanja s povjerenjem.

Drugi način (ne manje sklizak) bavi se stvarnim svjedocima tih neshvatljivih vremena. Ovi svjedoci su geni živih organizama. Geni su utisnuli povijest našeg planeta, jer su se promijenili kako je napredovala planetarna evolucija, kako su klimatske inovacije napredovale, prilagođavale se i prilagodile svoje nositelje trenutnim situacijama. Stoga, prateći tijek promjena u genima koji su odgovorni za određeno svojstvo organizama, moguće je rekonstruirati promjenu u vanjskom okruženju povezanom s tom svojstvom. Na primjer, ovaj pristup pomogao je znanstvenicima da rekonstruiraju paleotemperature Zemlje (vidi: Eksperimentalni proteini pomažu u upoznavanju klime drevnih razdoblja, Elements, 09. veljače 2008., a zajednički predak bakterija i archaea preferiraju se, Elements, 26. prosinca 2008.).

Taj pristup uglavnom se temelji na statističkim aproksimacijama i probabilističkim procjenama, pa ideološki nije previše blizu paleontologa koji se koriste za rješavanje činjenica. Međutim, on je, u uvjetima iznimno loših stvarnih podataka o fosilnim predmetima, dala impresivne rezultate.

Ovi rezultati uključuju djelo Lawrence A. David i Eric J. Alm iz Massachusetts Institute of Technology (MIT). Kao stručnjaci iz područja bioinformatike, mogli su opisati dinamiku genske raznolikosti tijekom evolucije zemlje. Drugim riječima, oni procjenjuju ukupnu raznolikost gena, brzinu njihova pojavljivanja i eliminacije, kao i intenzitet horizontalnih transfera i dupliciranja, tj. Svih onih procesa koji čine evoluciju gena. Naravno, u ovoj generaliziranoj slici, ne uzimajući u obzir svaku nukleotidnu supstituciju, a ne svaki gen, bilo je potrebno raditi s širokim evolucijskim potezima: ne broje se odvojeni geni, nego gene obitelji. Istodobno, sve jedinstvene genetske gene uopće nisu uzete u obzir, budući da ih nema ničega za usporedbu. Međutim, rezultat je vrijedio.

Sl. 1. Dinamika tempiranja obnove genskih obitelji.Vidimo promjene u brzini pojavljivanja, eliminacije, dupliciranja i horizontalnog prijenosa. Najviše turbulentnih događaja dogodilo se u razdoblju prije 3,3-2,85 milijardi godina (to je prosječna arhea), koja je tonirana na grafikonu u sivoj boji, Raspored iz članka u raspravipriroda

Upravo na grafikonu (Slika 1) pokazuje pozitivan rezultat evolucije – stvaranje novih gena, dupliciranja i horizontalnih transfera, i na lijevoj strani negativno – nestanak gena iz zajedničkog genskog bazena. Vidimo da je u povijesti zemaljskog života postojalo posebno razdoblje kada se brzina pojavljivanja novih genskih obitelji dramatično povećala; nakon toga, stopa gubitka obiteljskih gena poveća se naglo. Ovo razdoblje pada na srednji gornji Arhean – prije 3,3-2,85 milijardi godina. Autori su to nazvali "Archean Gene Expansion".

Nakon događaja proširenja Archeana do sredine Proterozoika, nastanak novih obitelji postalo je sasvim beznačajno. Kada je razdoblje turbulentne inovacije bilo gotov, duplo gena počelo je postati sve važnije; tempo ovog procesa postupno raste čak iu modernim vremenima. Uloga horizontalnih transfera rastao je s inovacijama, a prestanak formiranja de novo obitelji ostao je više ili manje konstantan.

Sve se razvija u logičku shemu: nakon pojave života na planetu, organizmi su se počeli brzo prilagoditi raznim ekološkim nišama, izmišući potrebne enzime i reakcije za to. Nakon akumulacije dovoljnog broja enzimskih alata, sve suvišne brzo su nestale iz uporabe. No, u budućnosti je bilo prikladnije, ako je potrebno, miješati već postojeće polje, a ne izmišljati nešto novo. Odavde i stalno visoku ulogu horizontalnih transfera. Ali, ako je bilo potrebno razviti novu ekološku nišu, bilo je sigurnije duplicirati postojeći gen i mijenjati ga u skladu s novim uvjetima, a ne izumiti novi gen, koji još nije prilagođen unutarnjem genskom okolišu ili vanjskom abiotskom.

S obzirom na ovu sliku, možemo razmotriti pitanje koje postavlja G. A. Zavarzin: Razvija li evolucija značenje biologije? GA Zavarzin, na temelju proučavanja evolucije mikroorganizama, doveo nas je do ideje da u bakterijskom svijetu evolucija kao cjelina nije neophodna. Obavezno se prilagodite geokemijskim okruženjima, ugrađujući u geokemijske sklopove. To je ono zbog čega se mikro-svijet mijenja.Značenje biologije mikro-svijeta je sudjelovanje u geokemijskim planetarnim ciklusima, a sama evolucija (ako postoji) je sekundarna. Misao koju je izrazio G. A. Zavarzin izuzetna je u svojoj dubini i značaju. Međutim, to opisuje situaciju nakon završetka velike arheanske ekspanzije. I prije i tijekom nje, geni su doživjeli razdoblje njihove najbrže evolucije.

Što je uzrokovalo ekspanziju Arheana, kakvi su događaji doveli do takvih radikalnih promjena u genima mikrobnog svijeta? Naravno, ne postoji točan odgovor na ovo pitanje. No autori su predložili svoju verziju. Pogledali su koje su funkcionalne skupine gena u ovom razdoblju bile najaktivnije, provodile su posebne izračune, uspoređujući stope pojavljivanja raznih funkcionalnih skupina genskih obitelji prije širenja i tijekom ekspanzije. Kao rezultat ove anatomije ekspanzije Arheana, jasno su se pojavili čelnici ekspanzije (Slika 2).

Anatomija ekspanzije arheana. Grafikon iz raspravljenog članka u prirodi "border = 0>Sl. 2. Gene obitelji ovdje su grupirane prema njihovim funkcijama, točnije, podlogama kojima rade. Prikazane su grupe po boji. Visina svake trake histograma Pokazuje odnos genskih obitelji određene funkcionalne skupine koja se pojavila tijekom proširenja Arheana na broj obitelji ove skupine koji su se pojavili prije ekspanzije. Logaritamska skala (log2). To jest, to je vrsta anatomije ekspanzije arheana. Raspored iz članka u raspravipriroda

Među vodećim funkcionalnim obiteljima bili su geni povezani s djelovanjem lanca elektronskog transporta (plave trake). Posebno su važne inovacije koje omogućuju vezanje sumpora, željeza i kisika. Također je važno napomenuti da NADH i NADPH, najvažniji spojevi koji su uključeni u disanje bakterija, ne otkrivaju ubrzano ažuriranje duž arheanske ekspanzije. Njihova se evolucija i formacija dogodila prije tog razdoblja. Ali cijeli enzimski stroj povezan s radom nukleotidnih sekvenci (zelene šipke), nastala je prije ekspanzije Archeana.

Očito je očigledno: bez obzira na uvjete na planetu, živi organizmi morali su se moći replicirati, stoga su prije svega trebali ojačati alate za replikaciju. Također je vrijedno napomenuti da enzimi uključeni u stvarni metabolizampojavili su se s jednakom brzinom prije i poslije ekspanzije. Usput, oni čine osnovu početne faze razvoja evolucija genskih obitelji (crvena pruga do vrha Archeana).

Tako su tijekom ekspanzije Archeana organizmi svladali različite metode i podloge za energiju, poboljšavajući varijante respiratornog elektronskog transportnog lanca. Mikroorganizmi su ugrađeni u različite geokemijske cikluse. Taj se proces može dogoditi i tijekom formiranja geokemijskih ciklusa i kao evolucije bakterija. Koje su od ovih mogućnosti ostvarene tijekom ekspanzije Arheana? To je ključno pitanje za daljnja istraživanja o evoluciji mikro-svijeta.

Što se tiče formiranja atmosfere kisika na Zemlji, taj proces očigledno nije izravno povezan s ekspanzijom Archeana. David i Alm vodili su graf izgleda gena koji služe procesu prijenosa elektrona na kisik i povezanih reakcija (Slika 3).

Sl. 3. Plava linija pokazuje udio novih gena odgovornih za vezanje kisika, među svim novim genima koji su odgovorni za vezanje bilo kojeg supstrata. Donji crveni rez pokazuje razdoblje prije proširenja Arheana, vrh crvene crte – proširenje Archeana, prosječni segment – cijela arhea. Jasno je da se vrhunac pojavljivanja gena povezanih s disanjem kisika pada na sam kraj arheanskoga ekspanzije. Grafikon dodatnih materijala za članak u raspravi u priroda

Grafikon pokazuje da maksimalna pojava gena povezanih s disanjem kisika pada na samom kraju arheanskoga razdoblja ekspanzije. Dakle, najvjerojatnije, ovaj proces nije utjecao na eksplozivnu evoluciju bakterija u Arheanu.

Bilo bi korisno usporediti rezultirajuće grafikone s drugim geokemijskim promjenama planeta, ali ovaj zadatak zahtijeva posebne činjenične informacije. Autori istraživanja prikazali su rezultate izračuna na pojavu gena povezanih s određenim metalima, sumporom i dušikom. Više ili manje značajna slika pokazala se samo bakrom i molibdenom. Prema modelu, topljivost tih metala postepeno se povećavala kad je atmosfera kisika postala. Paralelno se povećava i udio gena koji služe tim metalima.

S drugim podlogama, situacija je manje očigledna i zahtijeva upotrebu dodatnih hipoteza, alternativnih geokemijskih modela ili drugih vrsta geokemijskih podataka.Ovdje valja naglasiti da je sama ideja uspoređivanja evolucije funkcionalnih skupina gena s podacima o geokemiji i geologiji planeta izuzetno plodonosna. Samo za sada praktički nema djela koja iskorištavaju ovu ideju, a nema iskustva suradnje između geologa, geokemista i bioinformatista. Nemojte slučajno ući priroda potpisali samo dva autora, oboje su stručnjaci iz područja bioinformatike i mikrobiologije, a ta tvrtka očito nema geologa.

Govoreći na samom početku bilješke o nedostatcima ovog pristupa za rekonstrukciju života na našem planetu, ukazao sam na statističku nesigurnost konačnog rezultata: kakvu rekonstrukciju bakterijske evolucije temelje vaše istraživanje, ovaj rezultat i završit ćete s tim. Od početnih paketa ovisit će o rezultatu studije.

U ovom su radu autori pokušali izračunati brzinu genetske evolucije (pojava, prijenos, dupliciranje, eliminacija) pomoću dvije alternativne sheme za evoluciju mikroorganizama. Arheanska ekspanzija bila je jasno otkrivena u oba slučaja, au oba slučaja njegova je glavna značajka bila povećanje raznolikosti gena lanca elektronskog transporta.Datiranje ekspanzije Archeana pokazalo se osjetljivijom: preselili su se s 3,3-2,85 milijardi godina na 2,75-2,5 milijardi godina. Prema tome, svi se drugi grafikoni pomaknuli.

Autori istraživanja sugeriraju da nezavisni geokemijski podaci mogu pomoći u odabiru najuskladnije verzije filogenije. Ispada da je riječ o daljnjoj suradnji stručnjaka iz različitih područja znanosti.

izvor: Lawrence A. David, Eric J. Alm. Brza evolucijska inovacija tijekom arheanske genetske ekspanzije // priroda, 2010. Objavljeno online 19. prosinca 2010. godine.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: