Hvordan Det Gamle Liv Kan Have Været Om

{h1}

Genomiske undersøgelser viser konsekvent, at alt liv på jorden er relateret, men vores tidligste forfædre må ikke have udviklet sig på samme måde som vi gør nu.

Et stamtræ forener en forskelligartet gruppe af individer, der alle bærer genetiske rester fra en enkelt fælles forfader ved bunden af ​​træet. Men denne organisationsstruktur falder fra hinanden, hvis genetisk information er en fælles ressource i modsætning til en familiebesiddelse.

Nogle beviser tyder på, at tidlig udvikling måske har været baseret på en kollektiv deling af gener. En gruppe forskere søger nu efter klare genetiske udsigter fra dette fællesforfædre.

Men det er svært at ryste vores fascination med familietræer.

Min far plejede at rejse til arbejde, og da han ankom til en ny by, ville han åbne telefonbogen og tjekke for alle opført med vores usædvanlige efternavn. Lejlighedsvis vil han få et hit og hånligt kalde dem op for at spørge: "Er vi relaterede?"

Svaret var altid ja, med den fælles forbindelse er ofte min bedstefar.

Ligesom min far er biologer nysgerrige efter familiebånd, men de går på en mere systematisk måde. I stedet for telefonbøger siver de gennem genetiske koder fra mennesker til bakterier og meget imellem. Hovedspørgsmålet er: Er de almindeligt holdt gener lige nok til at pege på en fælles oprindelse?

Svaret har altid været ja. Implikationen er, at vi alle tilhører nogle universelle træer af livet. Og i bunden af ​​dette træ - nogle har forestillet sig - der sidder en mildmetet mikrobe, der levede mere end 3 milliarder år siden, uvidende om, at dets gener ville være udgangspunktet for en hel planetens værd af stærkt differentieret liv.

Denne organisme, den såkaldte sidste universelle fælles forfader (eller LUCA), kan dog kun være en fantasi.

Nigel Goldenfeld fra University of Illinois i Urbana-Champaign leder en ny NASA Astrobiology Institute team, der sigter på at forstå, hvordan evolution fungerer før arter eller endda gener eksisterede.

Nigel Goldenfeld fra University of Illinois i Urbana-Champaign leder en ny NASA Astrobiology Institute team, der sigter på at forstå, hvordan evolution fungerer før arter eller endda gener eksisterede.

Kredit: Lou McClellan.

"Vores perspektiv er, at livet opstod fra en kollektiv stat, og det er således ikke helt klart, at der er en enkelt organisme, der var forfader," sagde Nigel Goldenfeld fra University of Illinois i Urbana-Champaign.

De organismer, der tilhører denne kollektive stat, ville have delet genetisk information fra nabo til nabo, snarere end udelukkende fra forælder til afkom. Goldenfeld leder en ny NASA Astrobiology Institute (NAI) team, der har til formål at give en klarere forståelse af dette tidlige udviklingsstadium.

"Vi håber at finde fossiler i den kollektive stat i organismernes genom," sagde Goldenfeld.

Goldenfelds hold vil udføre genetiske undersøgelser, der vil forsøge at retfærdiggøre underskrifter af samfundsbaseret udvikling. De vil supplere dette felt og laboratoriearbejde med teoretisk modellering og computersimuleringer.

"Det ultimative mål er at forstå, hvordan vores planet biokemi er en instansering af livets universelle love, hvorved spørgsmålet om, hvorvidt livet er et uundgåeligt og således udbredt resultat af fysikkens love," siger Goldenfeld.

En tid før darwinismen

Det lyder måske mærkeligt, at en organisations genetiske kode kan være resultatet af "crowdsourcing." Vi er mere bekendt med traditionel reproduktion, som praktiseres af fuglene og bierne. [Code of Life: 10 Animal Genomes Deciphered]

I såkaldt "vertikal genoverførsel" arver en organisme sit genom fra sine forældre, men den modtager ikke en nøjagtig kopi. Små ændringer går ind i koden gennem reproduktiv blanding og mutationer. Denne "nedstigning med modifikation", som Darwin sætter det, tillader i sidste ende at en population af interbreedingorganismer (eller arter) udvikler sig.

Hvis alle DNA-fragmenter udelukkende var produktet af nedstigning med modifikation, kunne hver organisme placeres på et træ af livet stammer fra en enkelt forfader. Men som det viser sig "går forskellige gener tilbage til forskellige forfædre," siger Peter Gogarten fra University of Connecticut, der har gjort omfattende arbejde med komparativ genetik.

Hvordan er det muligt? Det kan ske, hvis organismer deler gener. Forestil dig et gen tilhørende medlemmer af et bestemt stamtræ. En dag bliver dette gen isoleret og bliver hentet af en anden organisme med et andet stamtræ. Ingen reproduktion mellem partnere finder sted - kun en "adoption" af et bestemt gen.

Denne såkaldte "horisontale genoverførsel" er ret almindelig blandt bakterier og archaea, som eksemplificeret ved antibiotikaresistens. Når en specifik bakterie udvikler et forsvar mod noget lægemiddel, kan det tilsvarende gen passere horisontalt til andre i samme koloni.

En undersøgelse fra 2008 i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) viste, at 80 procent af generne i bakterier blev overført vandret på et tidspunkt tidligere.

Komplekse organismer udviser også beviser for horisontal (eller lateral) genoverførsel, omend i mindre grad. Forskere har vist, at gamle forfædre af planter og dyr "sluger op" andre bakterier til dannelse af symbiotiske forhold, som til sidst resulterede i specialiserede cellulære komponenter, såsom mitokondrier og chloroplaster.

I sit arbejde har Gogarten vist at horisontal genoverførsel gør livets træ til en tyk busk af grene, der knytter sig til hinanden. Mange af disse grene ophørte for længe siden på grund af udryddelse, men nogle af deres gener lever i os, takket være horisontal genoverførsel.

Flere undersøgelser tyder på, at horisontal genoverførsel var mere udbredt i fortiden, når intet andet end enkeltcellede organismer beboede Jorden.

"Jeg kan godt lide at tænke på det tidlige liv som værende mere som en udifferentieret slimform," sagde Goldenfeld. "En sådan samfundsmæssig form for liv ville ikke have et meningsfuldt stamtræ, fordi det er samfundet, der varierer i afstamning, ikke individuelle organismer." [[7 Overraskende teorier om livets oprindelse]

Carl Woese var en af ​​de første forskere til at foreslå, at det tidlige liv lænede sig stærkt på vandret genoverførsel.

Carl Woese var en af ​​de første forskere til at foreslå, at det tidlige liv lænede sig stærkt på vandret genoverførsel.

Kredit: University of Illinois

Udviklende udvikling

Den sene Carl Woese, en kollega af Goldenfeld, var en af ​​de første forskere, der foreslog at det tidlige liv lænede sig kraftigt på vandret genoverførsel. Woese døde i december sidste år. Han er måske bedst husket for at klassificere liv i de nu godt accepterede domæner af bakterier, eukaryoter (planter, dyr, svampe og protister) og archaea.

I 1987 skrev Woese om konsekvenserne af voldsom horisontal genoverførsel. I et sådant scenario ville en bakterie ikke have en historie i sig selv: Det ville være en evolutionær kimær. "

En "chimera" er navnet på et væsen fra den græske mytologi, der blandede funktionerne til en løve, en ged og en slange. Denne hybridisering gav formodentlig chimeren en fordel i forhold til sine "konkurrenter".

I et PNAS-papir fra 2006 viste Kalin Vetsigian, Woese og Goldenfeld, at mikrobielle kimærer også kan have en fordel i forhold til deres biologiske modparter. Forskerne brugte computermodeller til at påvise, at den genetiske kode kunne udvikle sig mere effektivt, hvis organismer delte deres gener kollektivt. Horisontal genoverførsel viste sig at være en bedre "innovationsdelingsprotokol" end vertikal (darwinistisk) overførsel.

Nu vil Goldenfeld med sit NAI-team bekræfte disse simuleringer med genetiske undersøgelser. Specielt vil de målrette arkæa, hvis gener endnu ikke skal undersøges så tæt som dem fra de andre domæner, sagde Goldenfeld.

Gruppen er især interesseret i spørgsmålet om hvordan evnen til at udvikle oprindeligt udviklet. Evolutionens evolution lyder som et problem med kylling og æg, især hvis du tror, ​​som Goldenfeld gør, at livet ved definition er noget, der er i stand til at udvikle sig.

Evolution kan imidlertid udnytte forskellige mekanismer for at nå det samme mål. Goldenfelds hold vil forsøge at genoprette nogle af livets tidligere evolutionære faser ved at understrege celler og derefter se, hvordan deres genomer omarrangeres som reaktion.

Universel biologi

DNA-bevis er dog kun et aspekt af dette femårige forskningsprojekt.

"Vi vil forstå, hvordan evolutionen virker, før der var arter eller måske endda gener," sagde Goldenfeld. "Så dette går ud over" oprindelse af arter "tilgange til evolution, såsom befolkning genetik."

Hvordan studerer man evolution uden genetik? Man betragter "reglerne i spillet", at den genetiske kode kun er en manifestation af. Goldenfeld kalder denne "universelle biologi". Det er et forsøg på at destillere fra vores specifikke biokemi de generelle fysiske love, der animerer sagen.

At være fysiker, giver Goldenfeld eksemplet om termodynamik. Livet skal adlyde bevarelse af energi og loven om stigende entropi, som helt sikkert vil påvirke, hvordan organismer optimerer deres ressourceudnyttelse.

Andre regler involverer, hvordan man styrer mængden af ​​variation i genomet fra en generation til den næste. For lidt variation, og organismer kan ikke tilpasse sig ændringer i miljøet. For meget variation, og organismer kan ikke bevare nyttige træk.

Holdet kan placere forskellige sæt regler i en computersimulering og se, hvilken slags kunstigt liv der vises. Goldenfeld mener, at formulering af principperne om universel biologi kan hjælpe med at besvare et af de største spørgsmål af alle.

"Vi vil gerne have en bedre forståelse for, hvorfor livet overhovedet eksisterer." Sagde goldenfeld "Er det et fænomen, der skal være generisk, som dannelsen af ​​et krystallinsk faststof, eller er det noget sjældent og bizart?"

Dette er af særlig interesse for astrobiologer, der undrer sig over sandsynligheden for, at vi ikke er alene. Hvis livet i sidste ende findes andetsteds, mener Goldenfeld, at vi vil få et par ting til fælles. [Mars Discovery rejser spørgsmålet: Hvad er livet?]

"Principerne om universel biologi bør gælde for alt liv uanset om det er kulstofkemibaseret eller noget fremmed," sagde han.

Noget fremmed? Okay, så måske betyder det, at de ikke vil være i telefonbogen.

Denne historie blev leveret af Astrobiology Magazine, en web-baseret publikation sponsoreret af NASA's astrobiologi program.


Video Supplement: HVOR GODT KENDER VI HINANDEN!? m. Josefine Simone.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com