Первое крупномасштабное тестирование подтверждает теорию Дарвина об универсальном общем предке
Более 150 лет назад Дарвин предложил теорию универсального общего предка (UCA), связывающую все формы жизни общим генетическим наследием — от одноклеточных микроорганизмов до человека. До сих пор эта теория, делающая божьих коровок, дубы, дрожжи для шампанского и людей дальними родственниками, оставалась вне рамок формальной проверки. В журнале Nature биохимик из Brandeis сообщает о результатах первого крупномасштабного количественного теста знаменитой теории, лежащей в основе современной эволюционной биологии.
Результаты исследования подтверждают, что Дарвин был прав. В своей книге 1859 года «Происхождение видов» он предположил, что «все органические существа, когда-либо жившие на Земле, произошли от одной первичной формы». За последние полтора века качественные доказательства этой теории неуклонно росли — например, в виде многочисленных неожиданных переходных форм в летописи окаменелостей и в выявлении фундаментальных биологических сходств на молекулярном уровне.
Однако в последнее время среди некоторых эволюционных биологов возникли сомнения: лучше ли эволюционные отношения между живыми организмами описываются единым «древом жизни» или же множеством взаимосвязанных деревьев — «паутиной жизни». Современные молекулярные данные указывают, что примитивная жизнь могла подвергаться массовому горизонтальному переносу генов, который и сегодня часто происходит, когда одноклеточные организмы обмениваются генами механизмами, отличными от обычного репродуктивного размножения. В этом случае, утверждают некоторые учёные, ранние эволюционные отношения были сетевыми, что делает возможным независимое возникновение жизни от многих предков.
По словам биохимика Дугласа Теобальда, это не имеет значения: «Допустим, жизнь возникала независимо много раз, что теория UCA допускает как возможное. Если так, то теория утверждает, что в эволюции произошло «бутылочное горлышко», и до настоящего времени дожили потомки только одного из независимых источников. Альтернативно, отдельные популяции могли слиться, обменявшись со временем достаточным количеством генов, чтобы стать единым видом, который в конечном итоге стал предком для всех нас. В любом случае, вся жизнь всё равно останется генетически связанной».
Используя мощные вычислительные инструменты и применяя байесовскую статистику, Теобальд обнаружил, что доказательства с огромным перевесом поддерживают UCA, независимо от горизонтального переноса генов или множественного происхождения жизни. UCA оказалась в миллионы раз более вероятной, чем любая теория множественного независимого происхождения.
Теобальд стал первым, кто формально проверил теорию Дарвина во всех трёх доменах жизни: Eukarya (организмы, включая человека, дрожжи и растения, чьи клетки имеют ядро, содержащее ДНК), Bacteria и Archaea (две различные группы одноклеточных микроорганизмов, чья ДНК свободно плавает в клетке, а не находится в ядре).
Теобальд изучил набор из 23 универсально консервативных, необходимых для жизни белков, обнаруженных у всех известных организмов. Он исследовал генетические связи между этими белками у четырёх представительных организмов из каждого домена, например:
- У архейных микроорганизмов, производящих болотный газ и метан в коровах и кишечнике человека.
- У плодовых мушек, людей, круглых червей и пекарских дрожжей.
- У бактерий, таких как E. coli и возбудитель туберкулёза.
Исследование основывалось на простых допущениях о возникновении разнообразия современных белков:
- Генетические копии белка могут умножаться при размножении.
- Процесс репликации и мутаций на протяжении эонов мог изменить эти белки по сравнению с их предковыми версиями.
- Генетические изменения в одном виде не влияют на мутации в другом.
Теобальд не предполагал, как далеко в прошлое уходят эти процессы, связывая организмы генеалогически. Оказалось, что они связывают не только всех людей между собой, но и человека с другими животными, животных — с другими эукариотами, а эукариоты — с бактериями и археями. Ответ на каждый из этих вопросов — однозначное «да».
Как выглядел этот универсальный общий предок и где жил? Исследование не даёт ответа, но Теобальд предположил: «Для нас он, скорее всего, выглядел бы как какая-то пена, возможно, живущая у кромки океана или глубоко в океане на геотермальном источнике. На молекулярном уровне я уверен, он выглядел бы столь же сложно и прекрасно, как современная жизнь».