Evolusi bakteria dipercepat terjadi 3 bilion tahun yang lalu • Elena Naimark • Berita Sains mengenai "Elemen" • Bioinformatika

Evolusi bakteria dipercepat terjadi 3 bilion tahun yang lalu.

Seorang ahli geologi, yang terpesona dengan kajian kehidupan purba, merasakan sempurna di bahagian bawah laut Proterozoik di kalangan stromatolites petrified. Mereka adalah antara penduduk pertama di planet kita. Foto dari nvcc.edu

Para saintis Amerika telah menganggarkan kadar evolusi genetik, yang terdiri daripada empat proses utama – tumor genetik, pemindahan mendatar, duplikasi dan kehilangan gen. Ia adalah mungkin untuk mengenal pasti tempoh neoplasma intensif gen. Dia jatuh pada akhir Archean – 3.3-2.85 bilion tahun yang lalu. Sumbangan relatif pemindahan mendatar tetap semakin kurang, tetapi secara beransur-ansur, hingga zaman moden, peran duplikasi gen meningkat. Sumbangan terbesar kepada Archean maksimum pertumbuhan baru dibuat oleh gen yang berkaitan dengan penggunaan substrat yang berbeza untuk pernafasan mikroorganisma. Tafsiran substantif mengenai keputusan ini memerlukan penyertaan pakar dalam bidang geokimia dan geologi.

Pada masa kini, terdapat beberapa pendekatan mendasar untuk mengkaji tahap kehidupan manusia yang paling purba. Yang pertama adalah mencari jejak dalam sejarah batu. Di dalam batu-batu Proterozoik dan bahkan, mungkin,Umur Archaean dengan kajian mendatar dapat mengesan struktur yang sama dengan bakteria atau kulat uniselular atau eukariota. Apakah struktur ini? Adakah ia sisa bakteria atau sejenis kristal, malangnya sama dengan bakteria? Atau bakteria, tetapi membatu dalam masa yang sama sekali berbeza? Selalunya penyelidik rekod fosil tidak dapat menjawab soalan-soalan ini dengan penuh keyakinan.

Cara lain (tidak kurang licin) berurusan dengan saksi-saksi sebenar masa-masa yang tidak difahami. Saksi-Saksi ini adalah gen-gen organisma hidup. Gen meniru sejarah planet kita, ketika mereka berubah sebagai evolusi planet berkembang, ketika inovasi iklim berkembang, menyesuaikan diri dan mengadaptasi pembawa mereka ke situasi sekarang. Oleh itu, dengan menjejaki perubahan gen yang bertanggungjawab terhadap sifat tertentu organisme, adalah mungkin untuk membina semula persekitaran luar yang berkaitan dengan harta ini. Sebagai contoh, pendekatan ini membantu para saintis membina semula paleoterma bumi (lihat: Protein eksperimental membantu mempelajari iklim zaman purba, Elemen, 09 Februari 2008, dan nenek moyang bakteria dan arkea yang lazim lazim, Elemen, 26 Disember 2008).

Pendekatan ini sebahagian besarnya berdasarkan perkiraan statistik dan anggaran probabilistik, oleh itu, secara ideologi, ia tidak terlalu dekat dengan ahli paleontologi, yang digunakan untuk menangani fakta-fakta. Walau bagaimanapun, ia adalah orang yang, dalam keadaan data sebenar yang sangat miskin pada objek fosil, memberikan hasil yang mengagumkan.

Keputusan ini termasuk karya Lawrence A. David dan Eric J. Alm dari Massachusetts Institute of Technology (MIT). Sebagai pakar dalam bidang bioinformatik, mereka dapat menerangkan dinamik kepelbagaian gen semasa evolusi bumi. Dalam erti kata lain, mereka menganggarkan jumlah kepelbagaian gen, kadar penampilan dan penghapusan mereka, serta intensiti pemindahan mendatar dan duplikasi, iaitu, semua proses yang membentuk evolusi gen. Secara semulajadi, dalam gambaran umum ini, tidak setiap penggantian nukleotida dan bukannya setiap gen diambil kira, adalah perlu untuk bekerja dengan strok evolusi yang luas: gen berasingan tidak dihitung, tetapi keluarga gen. Pada masa yang sama, semua keluarga gen unik tidak diambil kira sama sekali, kerana tidak ada yang dapat dibandingkan dengan mereka. Walau bagaimanapun, keputusannya adalah berbaloi.

Rajah. 1. Dinamik kadar pembaharuan keluarga gen.Kami melihat perubahan dalam kadar penampilan, penghapusan, pendua dan pemindahan mendatar. Peristiwa-peristiwa yang paling bergelora berlaku dalam tempoh 3.3-2.85 bilion tahun yang lalu (ini adalah arkea purata), yang dikemas dalam carta dalam kelabu. Jadual dari artikel dalam perbincanganAlam

Betul di carta (Rajah 1) menunjukkan hasil positif evolusi – pembentukan gen baru, duplikasi dan pemindahan mendatar, dan di sebelah kiri negatif – kehilangan gen dari kolam gen biasa. Kita melihat bahawa dalam sejarah kehidupan duniawi terdapat tempoh khusus apabila kadar penampilan keluarga gen baru meningkat secara dramatik; selepas itu, kadar kehilangan keluarga gen meningkat dengan ketara. Tempoh ini jatuh pada Archean tengah-tengah – 3.3-2.85 bilion tahun yang lalu. Penulis menyebutnya "Archean Gen Expansion".

Selepas peristiwa pengembangan Archean ke pertengahan Proterozoik, kemunculan keluarga baru menjadi agak tidak penting. Apabila tempoh inovasi bergelora berakhir, pertindihan gen mula menjadi semakin penting; kadar proses ini secara beransur-ansur meningkat walaupun pada zaman moden. Peranan pemindahan mendatar berkembang dengan inovasi, dan dengan pemberhentian pembentukan keluarga de novo kekal kurang ajar.

Semuanya berkembang menjadi skema logik: selepas kemunculan kehidupan di planet ini, organisma mula cepat menyesuaikan diri dengan pelbagai jenis ekologi, mencipta enzim dan reaksi yang diperlukan untuk ini. Selepas pengumpulan pelbagai alat enzim yang mencukupi, semua yang diperlukan tidak lama lagi terpakai. Tetapi pada masa akan datang, ia adalah lebih mudah, jika perlu, untuk mengangkut pelbagai yang sedia ada daripada untuk mencipta sesuatu yang baru. Dari sini dan peranan pemindahan mendatar yang tinggi. Tetapi jika ada keperluan untuk membangunkan bidang ekologi baru, lebih selamat untuk menduplikasi gen yang sedia ada dan mengubahnya mengikut keadaan baru daripada mencipta gen baru, yang belum disesuaikan dengan sama ada persekitaran gen dalaman atau abiotik luaran.

Memandangkan gambar ini, kita dapat menimbang semula soalan yang dikemukakan oleh G. A. Zavarzin: Adakah evolusi merupakan makna biologi? GA Zavarzin, berdasarkan kajian evolusi mikroorganisma, membawa kita kepada idea bahawa dalam dunia bakteria, evolusi secara keseluruhan tidak diperlukan. Pastikan anda menyesuaikan diri dengan persekitaran geokimia, yang tersenarai dalam litar geokimia. Inilah yang membuat perubahan mikro dunia.Makna biologi mikroworld adalah penyertaan dalam kitaran planet geokimia, dan evolusi itu sendiri (jika ada) adalah sekunder. Pemikiran yang dinyatakan oleh G. A. Zavarzin adalah luar biasa dalam kedalaman dan pentingnya. Bagaimanapun, ia menggambarkan situasi selepas berakhirnya Ekspansi Archean yang besar. Dan sebelum dan ketika itu, gen mengalami masa evolusi yang paling bergelora.

Apa yang menyebabkan perkembangan Archean, apakah peristiwa yang menyebabkan perubahan radikal dalam gen di dunia mikroba? Sudah tentu, tidak ada jawapan yang tepat untuk soalan ini. Tetapi penulis telah mencadangkan versi mereka sendiri. Mereka melihat kumpulan fungsional gen dalam tempoh ini muncul paling aktif, melakukan pengiraan khas, membandingkan kadar penampilan pelbagai kumpulan keluarga gen berfungsi sebelum pengembangan dan semasa pengembangan. Hasil daripada anatomi ini pengembangan Archean, pemimpin-pemimpin pengembangan jelas muncul (Rajah 2).

\ nAnatomi Ekspansi Archean. Grafik dari artikel dibincangkan di Alam "border = 0>Rajah. 2 Keluarga gen di sini dikelompokkan mengikut fungsi mereka, lebih tepat lagi, oleh substrat yang mereka bekerja. Kumpulan dipaparkan dengan warna. Ketinggian setiap bar histogram Ia menunjukkan hubungan keluarga gen kumpulan tertentu yang muncul semasa pengembangan Archean kepada jumlah keluarga kumpulan ini yang muncul sebelum pengembangan. Skala logaritma (log2). Itulah sejenis anatomi perkembangan Archean. Jadual dari artikel dalam perbincanganAlam

Antara keluarga fungsi utama adalah gen yang berkaitan dengan operasi rantaian pengangkutan elektron (bar biru). Terutama penting ialah inovasi yang memungkinkan untuk mengikat belerang, besi dan oksigen. Ia juga perlu diberi perhatian bahawa NADH dan NADPH, sebatian yang paling penting yang terlibat dalam pernafasan bakteria, tidak mengesan kemas kini dipercepat sepanjang pengembangan Archean. Evolusi dan pembentukan mereka berlaku sebelum tempoh ini. Tetapi seluruh mesin enzim yang berkaitan dengan kerja urutan nukleotida (bar hijau), dibentuk sebelum pengembangan Archean.

Ia agak jelas: apa sahaja keadaan di planet ini, organisma hidup terpaksa dapat meniru diri mereka, jadi pertama sekali mereka perlu menguatkan alat untuk replikasi. Perlu diperhatikan bahawa enzim yang terlibat dalam metabolisme sebenarnyamuncul dengan kelajuan yang sama sebelum dan selepas pengembangan. Dengan cara ini, mereka membentuk asas peringkat awal evolusi keluarga gen (jalur merah ke puncak Archean).

Oleh itu, semasa pengembangan Archean, organisma menguasai pelbagai kaedah dan substrat untuk tenaga, meningkatkan varian rantaian pengangkutan elektronik pernafasan. Mikroorganisma telah terbenam dalam pelbagai kitaran geokimia. Proses ini boleh berlaku dalam proses pembentukan kitaran geokimia, dan sebagai evolusi bakteria. Antara kemungkinan yang manakah yang dapat dicapai semasa pembesaran Archean? Itulah soalan utama untuk penyelidikan lanjut tentang evolusi mikroworld.

Bagi pembentukan suasana oksigen di Bumi, proses ini, nampaknya tidak berkaitan langsung dengan pengembangan Archean. David dan Alm mengetuai graf kemunculan gen yang menjalani proses pemindahan elektron ke oksigen dan tindak balas yang berkaitan (Rajah 3).

Rajah. 3 Garis biru menunjukkan perkadaran gen baru yang bertanggungjawab untuk mengikat oksigen, di antara semua gen baru yang bertanggungjawab untuk mengikat sebarang substrat. Potongan merah bawah menunjukkan tempoh sebelum pengembangan Archean, garisan merah atas – Pengembangan Archean, segmen purata – keseluruhan archaea. Jelas sekali bahawa puncak penampilan gen yang berkaitan dengan respirasi oksigen jatuh pada akhir perkembangan Archean. Grafik bahan tambahan kepada artikel yang dibincangkan di Alam

Grafik menunjukkan bahawa kejadian maksimum gen yang berkaitan dengan pernafasan oksigen jatuh pada akhir zaman pengembangan Archean. Oleh itu, kemungkinan besar, tidak proses ini mempengaruhi evolusi bakteria di Archean.

Ia berguna untuk membandingkan graf yang dihasilkan dengan perubahan geokimia yang lain di planet ini, tetapi tugas ini memerlukan maklumat fakta khusus. Penulis kajian membentangkan hasil perhitungan penampilan gen yang berkaitan dengan logam, sulfur, dan nitrogen tertentu. Gambar kurang lebih bermakna hanya dengan tembaga dan molibdenum. Menurut model, keterlarutan logam ini secara beransur-ansur meningkat apabila suasana oksigen menjadi. Secara selari, perkadaran gen yang berkhidmat dengan logam ini juga meningkat.

Dengan substrat yang lain, keadaan kurang jelas dan memerlukan penggunaan hipotesis tambahan, model geokimia alternatif atau lain-lain jenis data geokimia.Ia harus ditekankan di sini bahawa idea untuk membandingkan evolusi kumpulan berfungsi gen dengan data geokimia dan geologi planet seolah-olah sangat berbuah. Hanya untuk sekarang terdapat praktikal tiada kerja yang mengeksploitasikan idea ini, dan tidak ada pengalaman kerja sama antara ahli geologi, ahli geokimia dan bioinformatik. Jangan artikel secara tidak sengaja Alam ditandatangani oleh hanya dua penulis, mereka adalah kedua-dua pakar dalam bidang bioinformatik dan mikrobiologi, dan syarikat ini jelas tidak mempunyai ahli geologi.

Bercakap pada permulaan nota mengenai kelemahan pendekatan ini untuk pembinaan semula kehidupan di planet kita, saya menegaskan ketidakpastian statistik hasil akhir: jenis penyusunan semula bakteria evolusi yang anda mendasarkan penyelidikan anda, hasil ini dan anda akan berakhir dengan. Dari petak awal akan bergantung kepada hasil kajian.

Dalam kajian ini, penulis cuba mengira kadar evolusi genetik (rupa, pemindahan, pertindihan, penghapusan) menggunakan dua skema alternatif untuk evolusi mikroba. Pengembangan Archean jelas dinyatakan dalam kedua-dua kes, dan dalam kedua-dua kes, ciri utamanya kekal peningkatan dalam kepelbagaian gen rantai pengangkutan elektron.Kemunculan perkembangan Archean menjadi lebih sensitif: mereka bergerak dari 3.3-2.85 bilion tahun menjadi 2.75-2.5 bilion tahun. Oleh itu, semua grafik lain telah beralih.

Penulis kajian mencadangkan bahawa data geokimia bebas dapat membantu memilih versi phylogeny yang paling masuk akal. Ternyata ia adalah kerjasama lebih lanjut mengenai pakar dari berbagai bidang sains.

Sumber: Lawrence A. David, Eric J. Alm. Inovasi evolusi pantas semasa pengembangan genetik Archaean // Alam. 2010. Diterbitkan dalam talian 19 Disember 2010.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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