Wie alten Leben, über gekommen sind

Ein Stammbaum vereint eine vielfältige Gruppe von Individuen, die alle genetischen Spuren von einem einzigen gemeinsamen Vorfahren am Fuße des Baumes tragen. Aber diese Organisationsstruktur auseinander fällt, wenn die Erbinformation einer gemeinsamen Ressource im Gegensatz zu einem Familienbesitz ist.

Etwas Beweis schlägt vor, frühe Evolution stützen kann hätten auf eine kollektive Verteilung von Genen. Eine Gruppe von Forschern sind jetzt auf der Suche nach klaren genetischen Spuren dieser gemeinsamen Vorfahren.

Aber es ist schwer, unsere Faszination für Stammbäume zu schütteln.

Mein Vater pflegte zu Reisen für die Arbeit, und als er in einer neuen Stadt ankam, er das Telefonbuch öffnen und überprüfen Sie für jeden, der mit unserem ungewöhnlichen Nachnamen aufgeführt. Gelegentlich würde er bekommen einen Hit und unverschämt nennen sie sich um zu Fragen: "Sind wir verwandt?"

Die Antwort war immer ja, mit der Gemeinsamkeit, die oft als mein Urgroßvater.

Wie mein Vater Biologen sind neugierig auf familiäre Bindungen, aber sie gehen dagegen in einer systematischen Weise. Anstatt Telefonbücher Sichten sie genetischen Codes von Menschen, die auf Bakterien und viel dazwischen. Die wichtigste Frage ist: sind die allgemein gehaltenen Gene ähnlich genug, um auf einen gemeinsamen Ursprung verweisen?

Die Antwort ist ja immer gewesen. Die Implikation ist, dass wir alle einige universelle Baum des Lebens gehören. Und an der Basis dieses Baumes — einige vorstellen können – da sitzt eine sanftmütige Mikrobe, die vor mehr als 3 Milliarden Jahren nicht bewusst gelebt, dass seine Gene der Ausgangspunkt eines ganzen Planeten im Wert von hoch differenzierten Leben wäre.

Dieser Organismus, die so genannte letzte universelle gemeinsame Vorfahr (oder LUCA), kann jedoch nur eine Fantasie.

"Unsere Perspektive ist, dass Leben aus einem kollektiven Zustand entstand, und so es überhaupt nicht offensichtlich ist, dass es einen einzigen Organismus, der Vorfahren, war", sagte Nigel Goldenfeld von der University of Illinois at Urbana-Champaign.

Die Organismen, die Zugehörigkeit zu diesem kollektiven Zustand würde Erbinformationen von Nachbar zu Nachbar und nicht ausschließlich von den Eltern an die Nachkommen geteilt haben. Goldenfeld führt ein neues NASA Astrobiology Institute (NAI) Team, das zielt darauf ab, ein besseres Verständnis von diesem frühen Stadium der Evolution.

"Wir hoffen, Fossilien des gemeinsamen Staates in das Erbgut von Organismen zu finden", sagte Goldenfeld.

Goldenfeld Team wird die Durchführung genetischer Studies, die versuchen, die Unterschriften von Community-basierte Entwicklung herauskitzeln. Sie ergänzen diese Feld- und Laborversuche Arbeit mit theoretischen Modellierung und Computersimulationen.

"Das ultimative Ziel ist zu verstehen, wie unser Planet Biochemie ist eine Instanziierung der universellen Gesetze des Lebens, also die Frage, ob das Leben einen unvermeidlich ist und somit weit verbreitete Ergebnis der Gesetze der Physik, Adressierung", sagte Goldenfeld.

Eine Zeit vor dem Darwinismus

Es klingt vielleicht seltsam, dass ein Organismus genetischen Code könnte das Ergebnis des "Crowdsourcing." Wir sind mehr mit der traditionellen Reproduktion, wie die Vögel und die Bienen praktiziert. [Code des Lebens: 10 Animal Genome entschlüsselt]

In sogenannten "vertikaler Gentransfer", ein Organismus seines Genoms von seinen Eltern erbt, aber es erhält keine exakte Kopie. Kleine Änderungen geben Sie den Code durch reproduktive mischen und Mutationen. Wie Darwin formulierte dadurch "Abstammung mit Modifikationen," schließlich eine Bevölkerung der Vermischung Organismen (oder Arten) zu entwickeln.

Wenn jeder Ausschnitt der DNA ausschließlich das Produkt der Abstammung mit Modifikationen war, konnte jeder Organismus auf einen Baum des Lebens aus einem einzigen Vorfahren platziert werden. Aber es stellt sich heraus, "verschiedene Gene wieder zur unterschiedlichen Vorfahren gehen", sagte Peter Gogarten von der University of Connecticut, umfangreiche Arbeiten zur vergleichenden Genetik getan hat.

Wie ist das möglich? Es kann passieren, wenn Organismen Gene teilen. Stellen Sie sich ein Gen von Mitgliedern einer bestimmten Stammbaum. Eines Tages, dieses Gen wird isoliert und wird von einem anderen Organismus mit den verschiedenen genealogischen Baum abgeholt. Keine Wiedergabe zwischen den Partnern erfolgt – nur eine "Adoption" eines bestimmten Gens.

Diese so genannte "horizontaler Gentransfer" ist durchaus üblich bei Bakterien und Archaeen, beispielhaft durch Antibiotika-Resistenz. Ein bestimmten Bakteriums eine Verteidigung gegen einige Medikament entwickelt, kann das entsprechende Gen horizontal in der gleichen Kolonie an andere weiterzugeben.

Eine Studie von 2008 in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences (PNAS) festgestellt, dass 80 Prozent der Gene in Bakterien horizontal zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit übertragen wurden.

Komplexe Organismen zeigen auch Hinweise auf horizontal (oder seitlich) Gentransfer, wenn auch in geringerem Maße. Forscher haben gezeigt, dass die Vorfahren von Pflanzen und Tieren "andere Bakterien, symbiotische Beziehungen, führte schließlich zu spezialisierten zellulären Komponenten, wie Mitochondrien und Chloroplasten verschluckt".

Gogarten hat in seiner Arbeit bewiesen, dass horizontaler Gentransfer der Baum des Lebens in einen dichten Busch Zweige verwandelt, die miteinander zu verweben. Viele dieser Zweige abgebrochen vor langer Zeit durch Aussterben, aber einige ihrer Gene Leben in uns, dank horizontaler Gentransfer.

Mehrere Studien deuten darauf hin, dass horizontaler Gentransfer in der Vergangenheit häufiger war als nichts anderes als einzellige Organismen die Erde bewohnt.

"Ich mag Leben als eher wie eine undifferenzierte Slime Mold denken", sagte Goldenfeld. "Eine gemeinsame Form des Lebens würde keine sinnvolle Stammbaum haben, weil es die Gemeinschaft, die in Abstammung, nicht einzelne organismal Linien unterschiedlich." [[7 überraschende Theorien über den Ursprung des Lebens]

Sich entwickelnde evolution

Die späten Carl Woese, ein Kollege von Goldenfeld, war einer der ersten Wissenschaftler schlagen vor, dass frühes Leben lehnte sich stark an horizontaler Gentransfer. Woese verstarb im Dezember des vergangenen Jahres. Er ist vielleicht am besten für die Klassifizierung von Leben in der jetzt-gut akzeptierte Domänen der Bakterien, Archaeen und Eukaryoten (Pflanzen, Tiere, Pilze und Protisten) erinnerten.

Im Jahr 1987 schrieb Woese über die Folgen der grassierenden horizontaler Gentransfer. In einem solchen Szenario "ein Bakterium müsste nicht eigentlich eine Geschichte aus eigenem Recht: es wäre ein evolutionärer Schimäre."

Ein "Chimera" ist der Name einer Kreatur aus der griechischen Mythologie, die Funktionen eines Löwen, eine Ziege und Schlange miteinander vermischt. Diese Hybridisierung gab vermutlich der Chimäre einen Vorteil gegenüber seinen "Konkurrenten".

In einem 2006 PNAS Papier zeigte Kalin Vetsigian, Woese und Goldenfeld, dass mikrobielle Chimären auch einen Vorteil gegenüber ihren biologischen Pendants haben können. Die Forscher verwendeten Computermodelle zeigen, dass der genetische Code mehr effizient entwickeln könnte, wenn Organismen ihre Gene gemeinsam geteilt. Horizontaler Gentransfer erwies sich als eine bessere "Innovation-sharing Protokoll" als vertikale (darwinistische) Übertragung.

Nun, mit seinem Team NAI Goldenfeld will diese Simulationen mit genetischen Studien bestätigen. Insbesondere sagte werden sie Archaea, Zielen, deren Gene noch so genau wie jene aus den anderen Domänen unter die Lupe genommen werden müssen, Goldenfeld.

Die Gruppe ist besonders interessiert die Frage, wie die Fähigkeit zu entwickeln ursprünglich entwickelt. Die "Evolution of Evolution" klingt wie eine Henne-Ei-Problem – vor allem, wenn Sie denken, wie Goldenfeld, das Leben ist per definitionem etwas fähig weiterentwickelt.

Jedoch kann Entwicklung nutzen verschiedene Mechanismen um das gleiche Ziel zu erreichen. Goldenfeld Team wird versuchen, einige der früheren Entwicklungsphasen des Lebens wiederherstellen, indem Sie betont Zellen und dann zu sehen, wie ihre Genome Reaktion neu anordnen.

Allgemeine Biologie

DNA-Nachweis ist jedoch nur ein Aspekt dieses fünfjährigen Forschungsprojekts.

"Wir wollen verstehen, wie Evolution funktioniert, vorher gab es Arten oder vielleicht sogar Gene", sagte Goldenfeld. "So ist das über"Origin of Species"Ansätze zur Evolution, wie Bevölkerung Genetik wird."

Wie funktioniert eine Studie Evolution ohne Genetik? Man betrachtet die "Spielregeln", dass der genetische Code nur eine Manifestation ist. Goldenfeld nennt diese "Allgemeine Biologie." Es ist ein Versuch, die allgemeinen physikalischen Gesetzen aus unserer speziellen Biochemie zu destillieren, die Angelegenheit zu animieren.

Ein Physiker gibt, Goldenfeld am Beispiel der Thermodynamik. Leben muss gehorchen, Erhaltung von Energie und das Gesetz der zunehmenden Entropie, die sicherlich beeinflussen wie Organismen ihren Ressourceneinsatz zu optimieren.

Andere Regeln betreffen den Grad der Abweichung in das Erbgut von einer Generation zur nächsten zu steuern. Zu wenig Variation und Organismen anpassen nicht auf Veränderungen der Umwelt. Zu viel Variation und Organismen können nicht nützliche Eigenschaften behalten.

Das Team kann legen Sie verschiedene Sätze von Regeln in einer Computersimulation und sehen, welche Art des künstlichen Lebens erscheint. Goldenfeld glaubt, dass formulieren die Grundsätze der allgemeinen Biologie eine der größten Fragen alle beantworten kann.

"Wir möchten ein besseres Verständnis des warum Leben überhaupt existiert." Goldenfeld sagte. "Ist es ein Phänomen, das generisch, wie die Bildung eines kristallinen Festkörpers sein sollte, oder ist es etwas seltenes und bizarre?"

Dies ist von besonderem Interesse für Astrobiologen, die wundern sich über die Wahrscheinlichkeit, dass wir nicht allein sind. Wenn Leben schließlich an anderer Stelle gefunden ist, denkt Goldenfeld haben wir ein paar Dinge gemeinsam. [Mars Entdeckung wirft die Frage auf: Was ist Leben?]

"Die Grundsätze der allgemeinen Biologie sollten auf allen Lebens, unabhängig davon, ob es Carbon chemiebasierten oder etwas seltsamer anwendbar," sagte er.

Etwas fremd? Okay, also vielleicht bedeutet, dass sie nicht im Telefonbuch sind.

Diese Geschichte wurde von Astrobiology Magazine, eine Web-basierte Publikation, gesponsert von der NASA Astrobiology Programm bereitgestellt.