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L'albero della vita, uno dei concetti iconica di evoluzione, si è rivelato essere un parto della nostra fantasia, dice Graham Lawton

A LUGLIO 1837, Charles Darwin ha avuto un lampo di ispirazione. Nel suo studio a casa sua a Londra, si rivolse a una nuova pagina sul suo taccuino di pelle rossa e scrisse: ^{"Io penso".} Poi disegnò uno schizzo sottili di un albero.

Per quanto ne sappiamo, questa era la prima volta Darwin giocato con il concetto di ^"albero della ^vita" per spiegare le relazioni evolutive tra specie diverse è stato per dimostrare un'idea feconda:. Per il momento ha pubblicato Sulla L'origine delle specie 22 anni dopo, Darwin ^'s esili

albero era cresciuto in una quercia possente. Il libro contiene numerosi riferimenti a l'albero e il suo schema è solo di una struttura ad albero che mostra come una specie può evolvere in molti.

L'albero della vita concetto era assolutamente centrale nel pensiero di Darwin ^'s, pari per importanza alla selezione naturale, secondo il biologo W. Ford Doolittle del Dalhousie University di Halifax, Nova Scotia, Canada. Senza di essa la teoria dell'evoluzione non avrebbe mai successo. L'albero anche aiutato a portare il giorno per l'evoluzione. Darwin sostenuto con successo che l'albero della vita era un fatto naturale, gli occhi di tutti per vedere se ha bisogno di spiegazioni. La spiegazione è venuto con stato dell'evoluzione per selezione naturale.

Da quando Darwin l'albero è stato il principio unificante per comprendere la storia della vita sulla Terra. Alla sua base è LUCA, l'ultimo antenato comune universale di tutti gli esseri viventi, e fuori di LUCA cresce un tronco, che divide ancora e ancora per creare . un vasto albero biforcano Ogni ramo rappresenta una singola specie; punti di ramificazione sono dove una specie diventa due La maggior parte dei rami alla fine venire a un punto morto, come le specie si estinguono, ma alcune raggiungono a destra in alto - sono le specie viventi L'albero.. è quindi un record di come ogni specie che sia mai vissuto è legato a tutti gli altri di destra di nuovo l'origine della vita.

Per gran parte degli ultimi 150 ^{anni, la} biologia è in gran parte si è interessati a compilare i dettagli della ^{struttura. "Per} molto tempo il Santo Graal era quello di costruire un albero di ^vita", dice Eric Bapteste, biologo evoluzionista presso il Pierre e Marie Curie di Parigi, in Francia. Pochi anni fa sembrava che il Graal era a portata di mano. Ma oggi il progetto è a brandelli, dilaniata da un attacco di prova negativa. biologi Molti sostengono che il concetto di albero è obsoleto e deve essere ^{eliminata. "Non abbiamo} alcuna prova che l'albero della vita è una ^realtà", dice ^Bapteste. bomba che ha anche convinto alcuni che la nostra visione fondamentale della biologia deve ^cambiare.

Allora cosa è successo? In poche parole, il DNA. La scoperta della struttura del DNA nel 1953 ha aperto nuove prospettive per la biologia evolutiva. Qui, finalmente, era l'essenza stessa della eredità in cui è stato scritto sicuramente la storia della vita, se solo abbiamo saputo per decodificarlo. Così è nato il campo dell'evoluzione molecolare, e le tecniche si sono resi disponibili a leggere sequenze di DNA e quelli di altre biomolecole come l'RNA e proteine, i suoi pionieri giunsero a credere che avrebbe fornito la prova positiva di Darwin ^' . s albero della vita L'idea di base era semplice: il più strettamente correlati due specie sono (o più recentemente i loro rami sulla scissione albero), la più simili loro DNA, RNA e sequenze di proteine ​​dovrebbe essere.

E 'iniziato bene. Le molecole primo ad essere sequenziato erano RNA trovati nei ribosomi, della cellula proteine ​​delle macchine. Nel 1970, confrontando sequenze di RNA da varie piante, animali e microrganismi, i biologi molecolari iniziarono a disegnare i contorni di un albero. Ciò ha portato, tra gli altri successi, la scoperta inaspettata di un ramo sconosciuto principali dell'albero della vita, il archaea unicellulari, che in precedenza erano ritenuti i batteri.

Darwin 's primo schizzo di un albero evolutivo della vita

Verso la metà degli anni 1980 ci fu un grande ottimismo che le tecniche molecolari avrebbe finalmente rivelato l'albero universale della vita in tutta la sua gloria. Ironia della sorte, è successo il contrario.

I problemi iniziarono nei primi anni 1990, quando divenne possibile sequenza di geni batterici e archaeal reali piuttosto che di RNA. Tutti si aspettavano queste sequenze di DNA per confermare l'albero di RNA, e talvolta hanno fatto ma, soprattutto, a volte no. RNA, per esempio, potrebbe suggerire che una specie era più strettamente legato alla B specie di specie C, ma un albero fatto dal DNA suggerirebbe il contrario.

Che aveva ragione, paradossalmente, sia - ma solo se la premessa principale alla base dell'albero di Darwin ^'s non è corretto Darwin presume che la discesa era esclusivamente ^"verticale", con gli organismi passando tratti fino alla loro prole, ma che materiale anche se le specie abitualmente scambiati genetica.. con altre specie, o ibridati con loro? Poi quel modello pulito ramificazione sarebbe rapidamente degenerare in un impenetrabile ginepraio di interrelazione, con specie strettamente legate in alcuni aspetti ma non altri.

Ora sappiamo che questo è esattamente ciò che accade come geni sempre più sono stati sequenziati, divenne chiaro che i modelli di relazionalità possa essere spiegato solo se i batteri e di archeobatteri sono stati regolarmente scambiare materiale genetico con altre specie -. Tassonomici spesso su distanze enormi - in un processo chiamato trasferimento genico orizzontale (HGT).

DUE SPECIE DI DIVENTARE UNA

Potrebbe essere il momento di abbandonare la vecchia idea che gli ibridi sono individui sterili che non possono avere avuto un ruolo nel plasmare la storia della vita sulla Terra. Ibridazione è una forza significativa nell'evoluzione animale, in base ai pensionati biologo marino Donald Williamson, ex del

Università di Liverpool, Regno Unito. La sua conclusione viene da una vita a studiare gli animali marini come stelle marine, ricci di mare e molluschi, molti dei quali conducono una vita strana doppio, partendo come larve e metamorfosi in forme adulte.

La spiegazione convenzionale per la metamorfosi è che si è evoluto gradualmente, con la forma giovanile diventando specializzato per l'alimentazione e l'adulto per l'accoppiamento, fino a quando a malapena su quello economico. Williamson la pensa diversamente. Egli sottolinea che le larve marine sono cinque forme di base e possono essere organizzati . in un albero di famiglia sulla base di caratteristiche condivise Eppure, questo albero non ha alcuna relazione con l'albero genealogico degli adulti: larve nearidentical spesso danno luogo agli adulti di diversi lignaggi, mentre alcuni adulti sono strettamente correlati larve del tutto indipendenti.

BIOLOGICA MASH-UP

E 'come se ogni specie è stato assegnato in modo casuale una delle forme larvali - che è esattamente ciò Williamson sostiene successo Crede metamorfosi nata ripetutamente nel corso dell'evoluzione dalla fusione casuale di due specie distinte, con uno dei partner assume il ruolo di larva e. l'altra quella dell'adulto.

Se questo sembra improbabile, i punti di Williamson che razza molte specie marine lanciando le loro uova e sperma in mare e sperando per il meglio, offrendo ampie opportunità di cross-ibridazione delle specie. Normalmente nulla di questo, dice, ma "una volta in un milione di anni funziona: gli spermatozoi di una specie feconda l'altro e due specie di diventare uno "Il modo più probabile per questo biologica mash-up di funzionare è se la chimera risultante esprime le sue due genomi in sequenza, producendo un doppio stadio storia di vita. con metamorfosi nel mezzo. Questo spiega molte anomalie in biologia marina, dice Williamson. Il suo testimone è la stella marina Luidia Sarsi, che inizia la vita come una larva piccola con dentro una piccola stella di mare. Come la larva cresce, le stelle marine migra verso l'esterno e quando la larva si deposita sul fondo del mare, si separano. Questo è perfettamente normale per stelle marine, ma in Luidia qualcosa di straordinario accade poi. Invece di degenerare, la larva nuota al largo e vive per alcuni mesi come un animale indipendente. "Non posso vedere come un animale con un solo genoma potrebbe farlo ", dice Williamson." Credo che il genoma larvale e il genoma adulti sono diversi. "

La stella marina Luidia Sarsi sembra essere due specie in una sola volta, uno che formano la larva, l'altro l'adulto

A HGT primo era considerato un giocatore minorenne, trasferendo solo ^{"a richiesta"} funzioni come la resistenza agli antibiotici. Principali funzioni biologiche come la replicazione del DNA e la sintesi delle proteine ​​erano ancora pensato per essere trasmesso in verticale. Per un po ', questo ha permesso biologi evoluzionisti HGT di accettare senza mettere a repentaglio il loro prezioso albero della vita;.. HGT era solo rumore sfocando i bordi Ora sappiamo che vista è sbagliato ^{"Ci 's} promiscuo scambio di informazioni genetiche tra ⁱ diversi ^gruppi", dice Michael Rose, biologo evoluzionista alla University of California, Irvine.

^"Le affinità di tutti gli esseri della stessa classe sono stati talvolta rappresentato da un grande albero. Credo che questa similitudine parla in gran parte la verità ^..."

Charles Darwin, Sulla origine delle specie

Da albero ad Web

Come è apparso chiaro che HGT è stato un fattore importante, biologi iniziato a capire le implicazioni per il concetto di albero. Già nel 1993, alcuni sono stati proponendo che per i batteri e di archeobatteri l'albero della vita era più simile a una ragnatela. Nel 1999, Doolittle fatto l'affermazione provocatoria che ^{"la storia} della vita non può essere validamente rappresentata come un ^{albero" (Science,} vol 284, p ^{2124). "L'albero} della vita non è qualcosa che esiste in natura, è un modo che gli esseri umani classificare ^{la natura",} ha dice.

Inizia così la battaglia finale sul l'albero. Molti ricercatori attaccati risolutamente sulle sue posizioni, la creazione di programmi informatici sempre più sofisticati per tagliare il rumore e recuperare il One Tree Vero. Altri ancora hanno sostenuto come forza che la ricerca è donchisciottesco e dovrebbe essere abbandonato.

La battaglia raggiunse il culmine nel 2006 In uno studio ambizioso, un team guidato da Peer Bork del Laboratorio europeo di biologia molecolare di Heidelberg, in Germania, ha esaminato 191 genomi sequenziati da tutti e tre i domini della vita -. Batteri, archeobatteri ed eucarioti (organismi complessi con il loro materiale genetico contenuto in un nucleo). - e individuato 31 geni che tutte le specie possedeva e che non ha mostrato segni di essere mai stato trasferito orizzontalmente Hanno poi generato un albero, confrontando le sequenze di questi ^"core" dei geni in tutto da E . coli per gli elefanti. Il risultato è stato la cosa più vicina ancora l'albero perfetto, Bork ha affermato (Science, vol 311, p 1283).

Altri ricercatori pregò di dissentire. Tra di loro c'erano Tal Dagan e William Martin a Heinrich Heine University di Dusseldorf, in Germania, che ha sottolineato che in termini numerici un nucleo di 31 geni è praticamente trascurabile, che rappresentano appena l'1 per cento di un genoma batterico tipico e più simile a 0,1 per cento di ^'s. Questo costituisce quasi una quercia possente o anche un alberello debole - più simile a un piccolo ramoscello completamente sepolto da una ragnatela gigante Dagan soprannominato ^Bork.' un animale risultato s ^"l'albero di 1 per ^cento" e ha sostenuto che lo studio inavvertitamente fornito alcune delle migliori evidenze ancora che l'albero della vita concetto è stato ridondante (Genome Biology, vol 7, p 118).

Il dibattito resta polarizzato oggi. Bork gruppo ^'s continuare a lavorare l'albero della vita e continua a difendere il concetto. ^{"Il nostro} punto di vista è che sì, c'è stata un sacco di HGT, ma la maggior parte dei geni che contengono questo albero segnale ^", dice ^Bork. Il vero problema è che le nostre tecniche non sono ancora abbastanza buono per prendere in giro il segnale fuori, dice. Nel frattempo, coloro che vorrebbero abbattere l'albero della vita continuano a fare progressi. la reale entità del HGT nei batteri e Archaea (collettivamente noti come procarioti) è stato fermamente stabilito. scorso anno, Dagan e colleghi hanno esaminato più di mezzo milione di geni da 181 procarioti ed ha trovato che l'80 per cento di loro ha mostrato segni di trasferimento orizzontale (Proceedings of National Academy of Scienze, vol 105, p 10039).

Sorprendentemente, HGT risulta anche essere la regola piuttosto che l'eccezione nel dominio terzo grande della vita, la eucarioti. Tanto per cominciare, è sempre più accettato che il eucarioti originati dalla fusione di due procarioti, uno dei batteri e l'altra archaeal , che formano questa parte della pianta in un anello piuttosto che un ramo (Nature, vol 41, p 152).

L'immagine pulita di un albero ramificazione è ulteriormente offuscata da un processo chiamato endosimbiosi. All'inizio della loro evoluzione, eucarioti si pensa che siano due inghiottito vita libera procarioti. Uno di questi ha dato origine alla generazione di energia cellulare chiamate mitocondri, mentre l'altro era il precursore dei cloroplasti, in cui avviene la fotosintesi. Questi ^{"endosimbionti"} poi trasferito grosse porzioni dei loro genomi in quelle dei loro ospiti eucariote, la creazione di genomi ibridi. Come se ^t che weren ^'abbastanza complicato, alcuni lignaggi primi eucarioti apparentemente ingerito uno un altro e amalgamato i loro genomi, creando un ulteriore livello di trasferimento orizzontale (Trends in Ecology and Evolution, vol, 23, p 268).

Questo genetico free-for-all continua ancora oggi la stragrande maggioranza delle specie sono unicellulari eucarioti -. Amebe, alghe e il resto di quello che era conosciuto come ^{"protisti" (Journal of} Sistematica ed Evoluzione, vol 46, P263).

Queste bestie hanno stili di vita microscopiche che assomigliano procarioti e, secondo

a Jan Andersson dell'Università di Uppsala in Svezia, il loro tasso di HGT sono spesso paragonabili a quelli dei batteri. Più impariamo sui microbi, la più diventa chiaro che la storia della vita non può essere adeguatamente rappresentato da un albero.

Aspetta, si potrebbe pensare microbi potrebbe essere lo scambio di geni sinistra, destra e centro, che importa Sicuramente la roba ci sta a cuore -.? Animali e piante - può ancora essere accuratamente rappresentata da un albero, in modo che ^'s il problema ?

Beh, per cominciare, la biologia è la scienza della vita, e ad una vita in prima approssimazione è microbi unicellulari hanno vissuto sulla Terra per almeno 3,8 miliardi di anni;. Organismi pluricellulari

Non l ^'apparire fino a circa 630 milioni di anni fa. Ancora oggi i batteri, archeobatteri ed eucarioti unicellulari rappresentare almeno il 90 per cento delle specie conosciute, e dal peso dei numeri quasi tutti gli esseri viventi sulla Terra sono microbi. sarebbe essere perverso affermare che l'evoluzione della vita sulla Terra assomiglia ad un albero proprio perché la vita multicellulari si è evoluta in questo modo. ^"Se c'è un albero di vita, è una piccola struttura anomala a crescere senza la rete della ^vita", dice John Dupré, un filosofo della biologia presso l'Università di Exeter, Regno Unito. Più fondamentalmente, una recente ricerca suggerisce che l'evoluzione di animali e piante ^t isn ^'proprio albero-come sia. ^"Ci sono problemi anche in quel piccolo ^angolo", afferma Dupré. Dopo aver sradicato l' albero della vita unicellulari, i biologi stanno prendendo i loro assi ai rami rimanenti.

Per esempio, l'ibridazione gioca chiaramente un ruolo importante nell'evoluzione delle piante. Secondo Loren Rieseberg, un botanico presso l'Università della British Columbia a Vancouver, in Canada, circa il 14 per cento delle specie vegetali viventi sono il prodotto della fusione di due distinti lignaggi.

L'unico vero albero?

Una versione sempli ~ ed dell'albero della vita, mostrando le relazioni tra gruppi che hanno avuto il loro genoma sequenziato. Costruire l'albero è stato uno degli obiettivi principali della biologia perché Darwin introdusse l'idea di On The Origin of Species (a destra), ma molti ora considerano l'impresa mal concepito alla luce delle attuali conoscenze

Sfocatura l'albero genealogico degli animali

Ci sono molti esempi di animali acquisizione di geni "orizzontalmente" da batteri,

virus e gli animali, anche gli altri

Il genoma della mucca contiene un pezzo di serpente

DNA che sembra essere entrata in orizzontale

circa 50 milioni di anni fa

Il syncytin gene umano, che è vitale per

la formazione della placenta, nato in un virus

L'anno scorso, un gene cruciale per la funzione di

cellule urticanti in meduse e anemoni di mare è stato

che siano stati trasferiti da un batterio

L'intero genoma del batterio

Wolbachia è stato trovato di recente integrato in

il genoma di un moscerino della frutta. La mosca è, in effetti,

una mosca-batterio chimera

^"... I ramoscelli verdi e in erba possono rappresentare le specie esistenti, e quelli prodotti durante l'anno precedente può rappresentare la lunga successione delle ^{specie estinte"}

Darwin con le sue parole

E 'questo passaggio da bruco a farfalla cometa il risultato della fusione di due specie separate?

Gli esseri umani ibridi

Alcuni ricercatori sono anche convinti che l'ibridazione è stata una forza trainante nell'evoluzione animale (vedere ^{"Natural Born chimere",} in alto a destra, e ^"Due in ^uno", pagina 32), e che il processo è in ^{corso. "E 'davvero} comune , ^"afferma James Mallet, biologo evoluzionista della University College ^London." Dieci per cento di tutti gli animali regolarmente ibridare con altre ^specie "Questo è particolarmente vero in rapida evoluzione lignaggi con un sacco di recente discostato specie ^-.. compreso il ^nostro Ci sono prove che i primi uomini moderni ibridati con i nostri parenti estinti, come Homo erectus e l'uomo di Neanderthal (Philosophical Transactions della Royal Society B, vol 363, p 2813).

Ibridazione isn ^'t l'unica forza minare l'albero pluricellulari:. Sta diventando sempre più evidente che HGT svolge un ruolo importante nella inaspettatamente anche gli animali Come sempre più genomi sequenziati sono pluricellulari, pezzi sempre più incongruo di DNA sono alzare anno scorso, per. esempio, un gruppo di ricercatori dell'Università del Texas ad Arlington ha trovato un pezzo particolare del DNA nei genomi di otto animali - il topo, ratto, galagone, piccolo pipistrello marrone, tenrec, opossum, anole lucertola e rana africana artigliata - ma non in 25 altri, compresi gli esseri umani, elefanti, polli e pesci. Questa distribuzione irregolare suggerisce che la sequenza deve essere entrato in modo indipendente da ogni genoma trasferimento orizzontale (Proceedings of National Academy of Sciences, vol 105, p 17023).

Altri casi di HGT negli organismi pluricellulari stanno arrivando spesse e veloce. HGT è stata documentata negli insetti, pesci e piante, e qualche anno fa un pezzo di DNA serpente è stato trovato nelle vacche. Gli agenti più probabile di questo rimescolamento genetico sono virus , che costantemente tagliare e incollare il DNA da un genoma in un altro, spesso attraverso grandi distanze tassonomiche. In effetti, da alcuni calcoli, da 40 a 50 per cento del genoma umano consiste di DNA importati in senso orizzontale da parte di virus, alcuni dei quali ha assunto vitale funzioni biologiche (New Scientist, 27 agosto 2008, p 38). Lo stesso è probabilmente vero per i genomi di altri grandi animali. ^"Il numero di trasferimenti orizzontali negli animali non è così elevata come in microbi, ma può essere evolutivamente significativo, ^"dice Bapteste.

Nessuno sta sostenendo - ancora - che il concetto albero ha fatto il suo tempo negli animali e piante Mentre discesa verticale non è più l'unico gioco in città, è sempre il miglior modo di spiegare come gli organismi pluricellulari sono collegati l'uno all'altro. - Un albero . del 51 per cento, forse A tale proposito, la visione di Darwin ^'s ha trionfato: non sapeva nulla di microrganismi e costruì la sua teoria sulle piante e gli animali che poteva vedere intorno a lui.

Anche così, è chiaro che l'albero darwiniano non è più una descrizione adeguata di come l'evoluzione nelle ^opere di ^{genere. "Se} si don ^'t hanno un albero di vita, cosa significa per la ^{biologia evolutiva?"} Chiede ^{Bapteste. "All'inizio} E ^'s molto spaventoso ... ma negli ultimi due anni le persone hanno iniziato a liberare le loro ^{menti "Sia} lui che Doolittle si tiene a sottolineare che il downgrade l'albero della vita ^doesn.' t significa che la teoria dell'evoluzione è sbagliata - solo ^.. che l'evoluzione non è così pulito come ci piacerebbe ^credere Alcune relazioni evolutive sono ad albero, molti altri non sono ^"Dovremmo rilassarsi un po 'su ^questo", dice Doolittle ^{"Siamo consapevoli} evoluzione abbastanza bene - ^{è' s} appena. che è più complesso di quanto Darwin ^immaginato. isn ^t L'albero ^'il modello unico ^".

Altri, invece, don ^'t pensare che sia il momento di rilassarsi. Invece, vedono lo sradicamento dell'albero della vita come l'inizio di qualcosa di più grande. ^"E' parte s di un cambiamento rivoluzionario nella ^biologia", afferma Dupré. ^{"Il nostro} modello standard di evoluzione è sotto ^{pressione enorme.} Ci ^'re chiaramente andando a vedere l'evoluzione come molto di più su fusioni e la collaborazione di cambiamento all'interno lignaggi isolati ^".

Rose va anche ^{oltre. "L'albero} della vita è essere educatamente ^seppellito, sappiamo tutti ^{che," dice. "What 's} meno accettato è che la nostra intera visione fondamentale della biologia deve

cambiamento ^"Biologia. è molto più complessa di quanto pensassimo, dice, e rivolto verso l'alto di questa complessità è così spaventoso come i fisici concettuale sconvolgimenti dovuto prendere a bordo nel 20esimo secolo.

Se ha ragione, il concetto di albero potrebbe diventare equivalente biologia ^'s della meccanica newtoniana:. Rivoluzionario e di grande successo a suo tempo, ma alla fine troppo semplicistico per affrontare il mondo reale disordinato ^"L'albero della vita è stato ^utile", dice Bapteste. ^"Ci ha aiutato a capire che l'evoluzione era ^reale. Ma ora sappiamo di più su evoluzione, è ^'s il tempo ^di andare ^avanti."