Was genau ist der molekularen Uhr?

In den 150 Jahren seit Charles Darwin die Verwandtschaft allen Lebens erkannt haben Wissenschaftler arbeitete, um seinen Traum von einer kompletten Baum des Lebens zu erfüllen. Heute würde die Methoden verwendet, um die evolutionäre Zweige zurück durch die Zeit verfolgen Darwins Erwartungen zu übertreffen. Wissenschaftler in einer Reihe von biologischen Disziplinen verwenden eine Technik namens die molekulare Uhr, wo die Vergangenheit entschlüsselt wird, durch das Lesen der Geschichten geschrieben in den Genen der lebenden Organismen.

Auf der größten Skala ermöglichte die molekulare Uhr Paläontologen, die Geschichte der Evolution zu enthüllen über Millionen von Jahren. Und im kleinsten Maßstab Epidemiologen sind in der Lage, die Ausbreitung der Krankheit über bloße Jahrzehnte zu verfolgen.

Datierung der Entstehung der Arten

Manchmal bekannt als die "evolutionäre Uhr" oder "gen Clock", hat die molekulare Uhr Stiftungen in den biologischen Begriff der Vererbung: alles Leben erbt Information in Form von genetischen Moleküle (in der Regel DNA) aus der vorherigen Generation. Da dieses Material nach und nach im Laufe der Zeit ändert, es kann verwendet werden, wie vor langer Zeit messen evolutionärer Ereignisse stattgefunden.

Eine Metapher, wo eine durch die Zeit Weitergabe ist, das Konzept zu veranschaulichen. Stellen Sie sich eine isolierte Kloster, wo ein altes Buch von Generation zu Generation von Mönchen kopiert wird. Ein Jahr, ein Mönch entschließt sich her in die Welt zu wagen und er gründet ein neues Kloster, wobei ein Exemplar des Buches mit ihm.

Er fährt fort, das Buch heraus kopieren, um sie durch die Zeit zu bewahren und kleinere Fehler unweigerlich im slip. Diese verändern nicht den Sinn in dem Buch, so dass sie nicht bemerkt oder korrigiert und nachfolgende Kopien schrittweise Änderungen ansammeln.

Jahrhunderte später, ein Forscher stößt auf die beiden Klöster und kommt zu dem Schluss, dass sie einmal einen gemeinsamen Ursprung haben, weil jeder ein Buch so ähnlich, dass es unabhängig voneinander entstanden sind, konnte nicht. Sie will wissen, wie lange die Geschichte eines jeden Buches auseinander und untersucht die Unterschiede zwischen den beiden Büchern. Nach dem Studium bereits viele Texte, sie weiß, dass diese Unterschiede (Variationen in Rechtschreibung, meist) relativ konstanter Geschwindigkeit im Laufe der Zeit auftauchen.

Sie findet, dass die Texte unterscheiden sich durch 100 Änderungen pro Seite, und daraus sie errechnet, dass die Bücher einen gemeinsamen Ursprung vor rund 500 Jahren (100 Änderungen jeweils dauert 10 Jahre hatte erscheinen, alle geteilt durch zwei, da Unterschiede in zwei verschiedenen Buch "Linien" gesammelt wurden).

Unsere metaphorischen Buch stellt das Genom und jedes Kapitel ist ein Gen, selbst setzt sich aus den Sequenzen der Nukleotide A, T, C und G. Die Klöster sind die Arten und die Mönche sind die einzelnen Mitglieder dieser Spezies. Die Änderungen sind genetische Mutationen.

Änderungen, die keinen Unterschied für die Bedeutung der DNA sind neutrale Mutationen, und diese sammeln sich in den genetischen Code ohne korrigiert zu werden oder durch natürliche Selektion verworfen. Da wir den genetischen Code lesen kann, können wir Arten auf dieser grundlegenden Ebene vergleichen und ihre Entstehungsgeschichte ableiten.

Das unsichere Ticken in der DNA

Die Komplexität der Biologie, macht jedoch die Zahnräder der molekularen Uhr mehr fummelig, als erhofft. Drei Aspekte der Evolution können die molekulare Uhr in die Irre führen.

Evolution kann konvergente, sein, wo verschiedene Arten selbständig entwickeln um zu ähneln, so dass es leicht zu verwechseln sie eng. Zum Beispiel wäre es falsch zu glauben, dass Haie und Delphine nahe Verwandte sind, weil sie ähnlich aussehen. Sie müssen lediglich vergleichbar Lebensräume, Beute und Druck zu überleben und so haben sich angenähert, vage ähnlich aussehen. Das gleiche kann passieren, mit DNA.

Einige Gene können sich schnell entwickeln und Änderungen möglicherweise überschreiben sich gegenseitig ("Sättigung") wegen Verstoßes gegen die proportionale Beziehung zwischen der Menge des Wandels und viel Zeit.

Abschnitte des Genoms werden gelegentlich dupliziert, oder verloren gehen, oder sogar zwischen weitläufig verwandten Organismen (horizontaler Gentransfer) übertragen, die können vergleichen mit flächenbereinigten schwierig. Sorgfältige Auswahl unserer Daten minimiert Vorurteile dieser Art.

Ein weiteres Problem ist, dass die Rate der genetischen Veränderung nicht immer konsistent ist. Verschiedene Teile des Genoms in unterschiedlichem Tempo entwickeln, und diese Preise haben sich auch im Laufe der Zeit geändert. Die Lösung besteht darin, bekannte genetische Veränderung zu den bekannten Mengen verstrichene Zeit gewährt: fossile Kalibrierung. Für einige Linien wissen wir, wie lange sie einen gemeinsamen Vorfahren geteilt, denn wir ein Fossil, Vorfahren haben, und durch Techniken wie radiometrische Datierung wir sagen können, wie lange es gelebt.

Von wissen, das Verhältnis zwischen der Zeitpunkt für eine Divergenz und die Menge der genetischen Veränderung zwischen zwei Linien, können wir dieses Verhältnis zum Rest des Stammbaums, Schätzung, wenn andere Abweichungen aufgetreten extrapolieren.

Angesichts der Unsicherheit in fossilen aus und die Preise des evolutionären Wandels, kann nicht die molekulare Uhr, hohe Präzision, aber bei richtiger Anwendung es kann immer noch als richtig erweisen: die mangelnde Genauigkeit einigermaßen reflektiert unsere Unsicherheit über die Vergangenheit. Immerhin geschieht Speziation selbst nicht sofort, sondern über große Zeiträume.

Beispielsweise ist zu sagen, dass Schimpansen und Menschen vor 8.028.519 Jahren weniger nützlich als zu sagen, dass sie 8 Millionen Jahren, plus oder minus 300.000 Jahre auseinander. Diese Art von Unsicherheit kann durch effektive Nutzung von Kalibrierungen und durch die Zurverfügungstellung der Großteil der Daten minimiert werden.

Anwendungen und Fortschritte

Die molekulare Uhr hat eine Erzählung für die Evolution über kurze und lange Zeiträume zur Verfügung gestellt. Im Jahr 2012 stellten die Forscher, dass die AIDS-Epidemie in Indien einen gemeinsamen Vorfahren vor 40 Jahren hatte, und daraus können sie die Ausbreitung der Krankheit schließen. Diese fundierte medizinische politische, geholfen, vorherzusagen, wo die Krankheit verbreiten würde, und den präventiven und effektiven Einsatz von Ressourcen, unzählige Leben zu retten, weil es erlaubt.

Paläontologen verwenden die molekulare Uhr Technik, um Geschichte, oft in Gruppen mit fossilen eine dürftige zu enthüllen. Zum Beispiel sind Pinguine bekannt, von einem letzten (geologisch gesehen) Vorfahren vor etwa 20 Millionen Jahren abzustammen, während das erste komplexe zelluläre Leben jetzt bekannt ist, von bakteriellen Linien mehr als 1,2 Milliarden Jahren entstanden sind. Diese Beispiele geben wertvolle Einblicke in die vergangenen Umwelt- und ökologischen Bedingungen und erweitern unser Wissen über die Dynamik der Evolution.

Da wir unser Verständnis der Evolution weiterhin, nähern wir uns Darwins Vision einer umfassenden Entwurf vom Baum des Lebens. Wäre er zu seinem Grab entspringen, würde er Freude an dem erreichten, brütete über die Details der relativ neue Verwandtschaft von Flusspferden und Walen und der wirklich alten Beziehungen zwischen Bakterien und Mitochondrien. Mit der molekularen Uhr wir nicht nur bauen auf den Baum des Lebens, sondern die Ausbreitung der Filialen und die Tiefe seiner Wurzeln zu klären.

Al Tanner ist ein Doktorand in Biologie an der University of Bristol.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Das Gespräch. Lesen Sie den original Artikel.

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