Біологічний турнір 2013 / LUCA / Опоненти

Опоненти

Вопреки заблуждениям, последний универсальный предок не является:

• первым когда-либо существовавшим организмом (его появлению предшествовала долгая эволюция);

• самым примитивным из возможных организмов.

• единственным существом, жившим в то время на Земле.

Вместе с последним всеобщим предком жило множество похожих на него существ, но в силу статистических обстоятельств — отчасти случайных, отчасти закономерных — именно он оказался ближайшим общим предком всех современных существ

Когда LUA предполагался, кладограммы, основанные на генетическом расстоянии между живыми клетками, указали, что Archaea раскалываются рано от остальной части жизни. Это было выведено из факта, что все известные археи были очень стойкими к экологическим крайностям, таким как высокая соленость, температура или кислотность, и принудили некоторых ученых предполагать, что LUA развился в областях как глубокие океанские вентили, где такие крайности преобладают сегодня. Но археи были обнаружены в менее враждебных окружениях и, как теперь полагают много таксономистов, более тесно связаны с эукариотами, чем бактерии, хотя это все еще несколько спорно.

В 1998 Карл Уоезе сделал предложение (1), что никакой индивидуальный организм нельзя считать LUA, и (2), который генетическое наследие всех современных организмов получило посредством горизонтального переноса генов среди древнего сообщества организмов. В 2010, основанный на "обширном множестве молекулярных последовательностей, теперь доступных от всех областей жизни", формальный тест универсальной общей родословной был издан. Формальный тест одобрил существование универсального общего предка по широкому классу альтернативных гипотез, которые включали горизонтальный перенос генов. Однако, формальный тест был неоднозначен относительно сообщества гипотезы организмов, так как это не требовало, чтобы последний универсальный общий предок был единственным организмом, но позволил ему быть населением организмов с различными генотипами, которые жили в различных местах и времена. Формальный тест был также совместим с многократным населением с независимым происхождением, получающим способность обменять существенный генетический материал эффективно, чтобы стать одной разновидностью.

Якщо життя один раз зародилася на Землі або в космосі, те теоретично вона могла зародитися й кілька разів. У принципі можна припустити, що сучасне життя відбувається більш ніж від одного предка. Наприклад, бактерії могли виникнути від одного, а археї від іншого предка (така точка зору зрідка висловлюється, хоча прихильників у неї мало).

Строгі статистичні процедури для підтвердження цієї дилеми дотепер практично не використовувалися. Стандартні методики порівняння нуклеотидних послідовностей ДНК і амінокислотних послідовностей білків містять у собі обчислення ряду кількісних показників, що відбивають імовірність того, що спостережувана подібність результат випадковості (см.: The Statistics of Sequence Similarity Scores). Низькі значення цих показників свідчать про статистичну значимість (невипадковості) подібності, але в принципі вони не є строгим доказом споріднення (єдності походження) порівнюваних молекул. Висока подібність двох послідовностей теоретично може пояснюватися не тільки їхнім загальним походженням, але й конвергентною еволюцією під дією подібних факторів відбору

Ще більш серйозні претензії можна пред'явити до більшості комп'ютерних програм, призначених для побудови еволюційних дерев. Ці програми, як правило, орієнтовані на те, щоб на основі будь-якого набору порівнюваних послідовностей побудувати "найкраще", тобто имеющее максимальну статистичну підтримку, еволюційне дерево. Ці програми просто не розглядають можливості існування декількох не зв'язаних між собою дерев, що ростуть із декількох незалежних корінь. За допомогою цих методів можна кількісно оцінювати й порівнювати "правдоподібність" різних дерев, але не можна зрозуміти, чи є модель із одним деревом більш-менш правдоподібної, чим моделі із двома або трьома незалежними деревами. Іншими словами, ідея єдиного загального предка "вмонтована" у ці програми споконвічно (що відбиває глибоку переконаність біологів в існуванні такого предка в будь-якої пари живих організмів).

Дуглас Теобальд (Douglas L. Theobald) з Університету Брандейса (США) спробував перебороти ці обмеження й розробити незалежні статистичні тести для перевірки гіпотези LUCA, у які не була б убудована ідея про те, що подібність послідовностей є мірило їхнього споріднення, і тим більше не була б споконвічно закладена ідея єдності походження. Теобальд не намагався з'ясувати, наскільки вагомим з погляду статистики є єдність генетичного коду всіх організмів. Його завдання було більше вузькою: він хотів кількісно оцінити, наскільки надійними (або ненадійними) є свідчення на користь LUCA, ув'язнені в амінокислотних послідовностях ключових білків, які є у всіх живих істот

Підхід Теобальда заснований на тестах, розроблених у рамках теорії вибору моделей (model selection theory). Для порівняння конкуруючих еволюційних моделей використовувалися три тести: 1) log likelihood ratio, LLR (см. Likelihood-ratiotest; 2) Akaike information criterion (AIC); 3) log Bayes factor. Ці тести кількісно оцінюють "правдоподібність" (likelihood) порівнюваних моделей (у цьому випадку еволюційних реконструкцій, що складаються з одного або багатьох дерев) на основі двох основних критеріїв: 1) точності відповідності моделі реальним фактам, 2) парсимоничности (ощадливості) моделі. Іншими словами, ця методика дозволяє вибрати з безлічі моделей таку, котра найбільше точно описує (пояснює) спостережувані факти, використовуючи для цього мінімальне число допущень ("вільних параметрів").

Теобальд аналізував амінокислотні послідовності 23 білків, які є у всіх живих організмів (в основному це білки, що беруть участь у синтезі білка аминоацил-трнк-синтетази, рибосомні білки, фактори елонгації й ін.). Білкові послідовності були взяті в 12 організмів: чотирьох бактерій, чотирьох архей і чотирьох еукариот (дріжджі, дрозофіла, хробак C. elegans, людина).

Порівнювані еволюційні моделі будувалися на основі ряду загальноприйнятих допущень. Передбачалося, що амінокислотні послідовності можуть поступово мінятися в ході еволюції шляхом заміни одних амінокислот іншими. Використовувалися розроблені раніше матриці 20 × 20, що відбивають емпіричну ймовірність або частоту заміни кожної амінокислоти на будь-яку іншу. Передбачалося також, що амінокислотні заміни, що відбуваються в різних еволюційних лініях і в різних ділянках білка, не скоррелировани друг сдругом.

Гіпотезаа єдиногоого загальногоого предка (LUCA) рівняласялася з гіпотезамиами про декільк загальних предків, причому питання про однократному або множинному зародженні життя залишився за кадром. Справа в тому, що гіпотеза LUCA цілком сумісна із множинним зародженням життя. У цьому випадку або всі інші древні форми життя, крім LUCA, не залишили нащадків, що дожили до наших днів, або представники декількох незалежно виниклих популяцій у ході еволюції придбали здатність обмінюватися генами один з одним і фактично злилися в один вид. Моделі, розглянуті Теобальдом, сумісні з обома цими сценаріями

Альтернативні еволюційні моделі, порівнянню яких присвячена обговорювана стаття в Nature. a все живе походить від двох або більше різних предків, b від єдиного предка. Пунктирними лініями позначені події горизонтального генетичного обміну. Рис. з популярного синопсиса до обговорюваної статті Steel & Penny

Автор розглянув два класи моделей: у першому з них горизонтальний генетичний обмін не враховувався, і організми повинні були еволюціонувати відповідно до деревоподібних схем. Моделі другого класу допускали горизонтальний обмін (у тому числі симбиогенетическое злиття двох організмів в один), тому схеми виходили не деревоподібні, а сітчасті, з перемичками між галузями. У межах кожного класу рівнялися між собою найбільш правдоподібні моделі, побудовані на основі різних допущень про кількість вихідних предків. Модель єдиного походження (ABE, де A археї, B бактерії, E еукариоти) рівнялася з різноманітними моделями множинного походження: AE + B (в архей і еукариот був один загальний предок, але бактерії відбулися від іншого предка), AB + E, BE + A, A + B + E і т.д. Розглядалася навіть можливість незалежного походження багатоклітинних тварин або людини

Всі три використаних тести у всіх випадках упевнено підтримали гіпотезу LUCA на противагу альтернативним гіпотезам множинного походження. Наприклад, для моделей класу 1 "правдоподібність" гіпотези ABE виявилося вище, ніж у її найближчого конкурента (моделі AE + B) в 102860 разів. Це число навіть не можна назвати "астрономічним", в астрономії настільки більших чисел немає. Приблизно таку ж надійну підтримку одержали гіпотези класу 2 (з горизонтальним переносом) при порівнянні їх з гіпотезами класу 1. Самою правдоподібною моделлю, з величезним відривом від всіх інших, виявилася модель LUCA 2-го класи: з єдиним загальним предком і сітчастою структурою, обумовленої горизонтальним генетичним обміном між лініями, що еволюціонують. Ця модель, зокрема, адекватно відбиває симбиогенетическое походження еукариот: деякі з 23 розглянутих білків еукариоти явно успадкували від бактерій, а інші від архей

Таким чином, амінокислотні послідовності ключових білків, наявних у кожній живій клітці, дають потужну статистичну підтримку гіпотезі LUCA. При цьому головним свідченням на користь єдності походження є не величина подібності як така (реальна подібність гомологичних білків у людини, дріжджів і бактерій насправді не так вуж великий), а характер (або структура) цієї подібності, тобто розподіл однакових або близьких по

властивостях амінокислот по білковій молекулі в різних організмів. Структура спостережуваної подібності така, що вона забезпечує "виводимість" одних білків з інших, і тому гіпотеза єдиного походження пояснює всю картину набагато краще, ніж інші моделі. У додаткових матеріалах (PDF, 352 Кб) до обговорюваної статті Дуглас Теобальд приводить вигадані приклади білкових молекул, які мають дуже високу подібність, але для яких єдине походження виявляється менш імовірним, чим множинне. Наприклад, так виходить, якщо білок A подібний з білком B по одним амінокислотним позиціях, а з білком C по іншимі. Що стосується реальних білків, то гіпотеза LUCA пояснює спостережувану подібність найбільше "ощадливим" образом

Якщо включити в розгляд білки, які є не у всіх, а тільки в деяких організмів (наприклад, тільки в еукариот), результати залишаються такими ж, тому що нові типи білків так чи інакше повинні були виникати в різних еволюційних лініях незалежно від того, чи мали ці лінії єдине або різне походження

Дана робота, звичайно, не є остаточним рішенням поставленої проблеми скоріше, її потрібно розглядати як перший крок. Повністю виключити всі можливі альтернативні інтерпретації отриманих результатів досить важко. Для цього знадобиться більше детальне знання закономірностей еволюції білків і ще більш складні статистичні методи

Возникновение и развитие LUCA происходили примерно 3,5-3,8 миллиардов лет назад, когда Земля только обрела свои формы и начала остывать. Именно в этот период прошла Последняя Бомбардировка нашей планеты – шквал метеоритов из дальнего космоса. И как раз это событие является главным контраргументом теории существовании LUCA.

Именно метеориты, по мнению ряда палеобиологов, занесли на Землю первые простейшие организмы, из которых и развивалась жизнь. Учитывая, что "небесные гости" имели разное происхождение, ученые допускают, что у всего живого может быть сразу несколько предков, каждый из которых прилетел на своем "транспорте".

Эта теория, получившая название "панспермия", очень популярна в научных кругах и ставит под сомнение сам факт появления LUCA.

Множество данных свидетельствует о том, что „мир РНК“ действительно существовал. Правда, не совсем ясно — где. Некоторые специалисты полагают, что начальные этапы эволюции происходили не на Земле, что на Землю были занесены уже функционально активные системы, которые приспособились к местным условиям. Однако с химической и биологической точки зрения это не меняет сути дела. В любом случае остаётся загадкой — в результате каких процессов в окружающей среде рибоциты образовались и за счёт каких компонентов существовали. Ведь требуемые для жизни рибоцитов нуклеотиды — сложные молекулы. Трудно представить, что эти вещества могли образовываться в условиях пребиотического синтеза.

Вполне возможно, что древние РНК значительно отличались от современных. К сожалению, следов этих древних РНК экспериментально обнаружить нельзя, речь идёт о временах, удалённых от нас на миллиарды лет. Даже скалы тех времён давно „рассыпались в песок“. Поэтому речь может идти только об экспериментальном моделировании процессов, которые могли протекать на самых ранних стадиях молекулярной эволюции.

Почему произошёл переход от „мира РНК“ к современному миру? Белки, располагающие гораздо большим набором химических групп, чем РНК, являются лучшими катализаторами и структурными элементами. По-видимому, некоторые древние РНК стали использовать белковые молекулы в качестве „орудий труда“. Такие РНК, способные к тому же синтезировать для своих целей полезные молекулы из окружающей среды, получали преимущества в размножении. Естественным путём отбирались соответствующие аптамеры и рибозимы. А затем эволюция сделала своё дело: возник аппарат трансляции, и постепенно ответственность за катализ перешла к белкам. Орудия оказались столь удобными, что вытеснили своих „хозяев“ из многих сфер деятельности

С этой точки зрения, представляется интересным и важным

поиск таких методов фальсификации рассматриваемых нами

конкурирующих гипотез, которые бы были основаны на

объективных данных, а не на субъективном мнении

«экспертов», защищающих ту или иную гипотезу. В свете этого

обстоятельства несомненный интерес представляют результаты

молекулярных исследований древнейших земных

микроорганизмов и их предполагаемого общего предка –

LUCA (сокращенное от английского Last Universal Common

Ancestor – последний универсальный общий предок), а также

анализ особенностей химического состава РНК, считающихся

первыми самовоспроизводящимися полимерными

органическими молекулами. Отметим, что в последние годы

как раз молекулярные исследования ДНК человека внесли

существенный вклад в улучшение понимания нами ист

Оценка вероятности земного абиогенеза на основе

прямой оценки возраста LUCA

Несмотря на очевидный прогресс в увеличении

эффективности и надежности так называемого метода

«молекулярных часов», достигнутый за последние 10–15 лет,

большинство исследователей с очень большой осторожностью

относятся к попыткам восстановить возраст LUCA по

молекулярным данным. Это, конечно, имеет свои причины.

Чем дальше во времени мы пытаемся заглянуть, тем меньше у

нас материалов для исследования (палеонтологических и

геологических данных, пригодных для калибровки

молекулярных часов, белков и рРНК, которые можно

использовать для оценки степени расхождения ветвей

эволюционного дерева), тем ниже, соответственно, степень

достоверности полученных данных. В то же время вопрос о

возрасте LUCA настолько важен для исследования проблемы,

которой посвящена настоящая статья, что не коснуться его мы

не можем. Первые попытки определения возраста LUCA по

молекулярным часам были предприняты почти сразу же после

изобретения этого метода и давали вполне совместимые с

гипотезой земного абиогенеза результаты времени

расхождения архей и эубактерий в 3–4 млрд. лет назад (Feng

1997). Однако по мере усовершенствования и увеличения

точности этого метода время существования LUCA постепенно

все больше отодвигалось в прошлое, смещаясь от архея к

преархею.

. Из всей изученной автором литературы последняя

по времени публикация по этой проблеме относится к 2003-му

году (Sheridan et al. 2003), причем в ней сделана попытка

оценить минимально возможный возраст LUCA, исходя из

анализа нуклеотидной последовательности «малой»

субъединицы рРНК (16S rRNA) у различных бактерий. При

этом авторы получили значение нижней границы этого

1

возраста в 4.29 млрд. лет . В другой статье, которая может

помочь пролить свет на датировку обсуждаемого события

(Battistuzzi et al. 2004), на основе анализа эволюции тщательно

выделенных авторами (на предмет минимизации вероятности

их горизонтального переноса) 32 общих генов у 72 различных

видов было построено филогеническое дерево, отражающее

эволюцию исследуемых видов, и оценено время разделения его

основных ветвей, включая наиболее древние из них. На основе

интеграции данных из двух указанных работ, а также с учетом

того факта, что в первой из них оценивалось лишь минимально

возможное время появления LUCA, можно попытаться

уточнить датировку его появления. Для этого надо вначале

«синхронизовать» молекулярные часы, основанные на скорости

эволюции рРНК и белков, а потом откалибровать их по более

достоверно установленным часам, использовавшимся в работе

(Battistuzzi et al. 2004), для которых к тому же авторами

вычислены соответствующие доверительные интервалы.

В этом случае можно будет использовать калиброванные

молекулярные часы из этой работы для корректировки

Часть исследователей (Martin 1999, Woese 2000) считает, что LUCA

представлял из себя не изолированный организм в современном

понимании смысла этого слова, а скорее некое тесное сообщество

организмов с полупроницаемыми мембранами, что могло бы означать

существенно более важную, чем сегодня, роль горизонтального переноса

генов и, соответственно, более быстрый рост длины ДНК. Однако, с точки

зрения автора, система не может реально усложняться быстрее, чем это

объективно позволяет уже достигнутый ею уровень сложности ее

Оценка вероятности земного абиогенеза на основе

анализа химического состава молекул РНК

Важным и, на наш взгляд, пока недооцененным источником

информации об условиях, в которых зарождалась жизнь, может

служить анализ химического состава первых органических

молекул. В настоящее время наиболее общепринятой является

теория первичности так называемого «РНК мира».

В соответствии с ней на первых этапах своего развития жизнь

существовала в виде сообщества, или так называемых колоний

молекул РНК, которые выполняли одновременно как

каталитические функции, так и функции саморепликации. При

этом представляется логичным предположить, что

соотношение количества химических элементов, характерное

для среды, в которой возникла жизнь, должно было в

значительной степени отразиться и на химическом составе

первых органических молекул, в частности, молекул РНК, и в

силу известного эволюционного консерватизма природы в

отношении метаболических процессов самого нижнего уровня