Эволюционные отношения

Люди пытались правильно классифицировать живые существа с тех пор, как Аристотель предпринял первую попытку в 4 веке до нашей эры. Система Аристотеля была усовершенствована в эпоху Возрождения, а затем, впоследствии, Карлом Линнеем в середине 1700-х годов. Эти более формальные системы классификации и организации группировали виды по их физическому сходству друг с другом. Например, у всех позвоночных есть позвоночник, а у беспозвоночных его нет. Такие черты, как позвоночник, называются синапоморфиями, которые являются общими для группы организмов, по-видимому, потому, что они произошли от общего предка. Как мы еще выясним, этот метод имеет ограничения, и совсем недавно в него были внесены поправки, включающие генетический анализ. Тем не менее, ученые конструируют деревья, называемые дендрограммами, чтобы создать визуальное представление о том, как виды связаны друг с другом и имеют общих предков. Эти дендрограммы могут помочь нам в понимании эволюционных процессов, которые управляют этими отношениями. Генетические сравнения стали важным инструментом, направляющим анализ эволюционных отношений.

Виды древовидных диаграмм

Тип дендрограммы, называемый кладограммой, изображает гипотетические генеалогические отношения между видами, при этом кончики (или листья) дерева представляют вид, а ветви показывают, как виды связаны друг с другом. Чуть более сложный вид дерева, называемый филограммой, отличается от кладограммы тем, что ветви, ведущие к виду, имеют разную длину. Длина ветви у этого типа дерева представляет собой степень изменения между видами: чем длиннее ветвь, тем больше времени прошло с тех пор, как вид разошелся от общего предка. В обоих типах деревьев общий предок группы видов обозначается узлом, который является точкой, где встречается ряд ветвей. Виды, которые более тесно связаны друг с другом (в последнее время у них был общий предок), будут расположены ближе всего к узлу. Два вида, которые имеют общий узел, называются сестринской группой¹.

Понимание эволюционных отношений с использованием генетических данных

Исторически сложилось так, что кладограммы строились путем сравнения морфологии (физической структуры) организмов. Этот метод практикуется до сих пор, но методы были модернизированы и теперь включают сравнение последовательностей ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) между видами. Использование ДНК для построения деревьев имеет ряд преимуществ по сравнению с тем, чтобы полагаться исключительно на морфологию, в том числе возможность вычислить, как давно у разных видов был общий предок^. Однако использование ДНК не всегда возможно, особенно когда на деревьях есть вымершие организмы. ДНК лучше всего обнаруживается в мягких тканях, которые не сохраняются в процессе окаменения, и поэтому редко бывает доступен образец ДНК вымершего вида.

ДНК передается от родителей к их потомству в наследственных единицах, называемых генами. Нуклеотидная последовательность (A, G, C и T) генов, обнаруженных у разных видов, часто очень похожа, вероятно, из-за того, что они произошли от общего предка. Этот факт позволяет исследователям согласовывать последовательности разных видов друг с другом для создания описанных выше деревьев. Виды с большим сходством между их нуклеотидными последовательностями будут размещены рядом друг с другом в дереве, а виды с меньшим сходством последовательностей будут размещены дальше друг от друга.

Биоинформатика — это инструменты, используемые биологами для анализа больших наборов данных с использованием комбинации информатики, математического моделирования и статистики. Одним из таких инструментов является BLAST (Basic Local Alignment Search Tool), который может быть использован для быстрого поиска всего генома любого вида, доступного^{в базе данных} NCBI (Национальный центр биотехнологической информации). База данных NCBI объединяет несколько различных баз данных, которые содержат различные типы информации о последовательностях ДНК. Процесс поиска BLAST включает в себя сложные компьютерные алгоритмы, но в основном BLAST выравнивает последовательности каждого нуклеотидного основания из представленной последовательности ДНК (известной как запрашиваемая последовательность) с последовательностями в базе данных, которые наиболее точно соответствуют ей. Найденные последовательности ДНК будут перечислены в порядке сходства с рассматриваемой последовательностью и, следовательно, будут принадлежать к видам, тесно связанным с видами, содержащими запрашиваемый ген. Это сравнение может отражать или не отображать реальные эволюционные отношения между видами, потому что гены развиваются с разной скоростью. Кроме того, геномы иногда содержат более одного экземпляра подобной последовательности.

Сравнение последовательностей ДНК генов ценно не только для рассмотрения эволюционных отношений. Часто гены идентифицируются у модельных организмов, таких как плодовая муха, Drosophila melanogaster ^{или мышь3}. Неотъемлемой частью изучения гена является функция его продукта, которая обычно идентифицируется и анализируется. Если исследователь заинтересован в изучении этой функции в другом организме (например, у человека), BLAST или другие биоинформационные инструменты могут быть использованы для поиска генов-кандидатов на основе их сходства с генами известных функций модельных организмов.

Человеческие гены также могут быть использованы в качестве отправной точки для поиска гомологов в модельных организмах. На самом деле, исследования болезней человека во многом зависят от этого. Как только человеческий ген идентифицирован, мышей можно генетически манипулировать, чтобы гомологичный ген был нарушен или «нокаутирован», создавая модель болезни человека, которую можно изучить, чтобы понять и лечить болезнь. В настоящее время существует множество таких разновидностей мышей. Например, существует мышиная модель муковисцидоза (КФ) у человека, называемая мышью с нокаутом Cftr, и другая, моделирующая атеросклероз, под названием нокаут Apoe ³,

Ссылки:

1. Ученик Анненберга. Онлайн-учебник: Раздел 3 Эволюция и филогенетика. Заново открывая биологию. [Онлайн] 2017. [Дата обращения: 23 августа 2018 г.] https://www.learner.org/courses/biology/textbook/compev/compev_3.html.
2. Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США. BLAST: Базовый инструмент для поиска локального выравнивания. [Онлайн] https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi.
3. Национальный научно-исследовательский институт генома человека. Предыстория о мыши как модельном организме. Национальный научно-исследовательский институт генома человека. [Онлайн] Декабрь 2002 года. [Дата обращения: 23 августа 2018 г.] https://www.genome.gov/10005834/background-on-mouse-as-a-model-organism/.

Люди классифицировали и организовывали биологические организмы на протяжении тысячелетий. Изначально, в первую очередь, упорядочивая предметы, необходимые для выживания. По мере развития человеческой истории совершенствовались и навыки и детализация этих классификаций. В четвертом веке до нашей эры Аристотель впервые ввел формальную классификацию, разделив растения и животных на различные группы, а затем разделив их на основе их физических характеристик и черт, таких как места обитания, которые они занимают. Позже, в середине 1700-х годов, Линней построил свою работу по системе Аристотеля. Он назвал свой высший уровень группировки царств и оттуда разделил группы с помощью синапоморфий, определяющего физического признака, который разделяет ветвь. Например, если животное обладает позвоночником или подобным строением, его следует поместить в тип хордовых. Если это не так, то есть много других типов, на которые животные без позвоночника могут быть разделены, в том числе членистоногие, большая группа, включающая насекомых. Линней продолжал разделять группы организмов на основе их синапоморфий на последующих уровнях по классу, отряду, семейству и роду, пока не достиг окончательного обозначения в общем — вида. Мы называем тип классификации Линнея кладистикой, классификацией организмов, основанной на различиях в физических характеристиках.

Сегодня ученые обычно конструируют деревья, называемые дендрограммами, чтобы дать визуальное представление об этих расщеплениях и группах. Эта конкретная форма дендрограммы, кладограмма, визуализирует кладистические отношения между видами таким образом, что кончики дерева представляют виды, а ветви показывают, как они связаны друг с другом. Например, здесь шимпанзе и медведь более тесно связаны друг с другом и имеют больше общих характеристик, чем каждый из них с рыбой-солнцем. Места, где встречаются ветви, называются узлами и обозначают общих предков для последующих видов. Вторым основным типом дендрограмм является филограмма. Они отличаются от кладограмм тем, что длина ветвей между видами варьируется, представляя степень изменения между ними. Таким образом, чем длиннее ветвь, тем больше времени прошло с тех пор, как вид разошелся со своим последним общим предком.

Дендрограммы были построены путем простого анализа морфологии организмов. С появлением современных технологий сравнение ДНК также стало распространенным способом построения деревьев. ДНК состоит из нуклеотидов, связанных с одним из четырех различных оснований. Аденин, гуанин, цитозин или тимин. Порядок этих оснований определяется кодом ДНК. Этот код передается от родителя к потомку. Следовательно, если вы посмотрите на один вид, такой как человек, то обнаружите очень высокую степень сходства в нашем генетическом коде, около 99,9%. Мы также разделяем часть нашего кода ДНК с другими видами, такими как шимпанзе и мыши, но степень общего сходства между нашей ДНК и их ДНК сильно отличается. Это означает, что мы можем создавать деревья, которые группируют виды на основе сходства или различия между их генетическими кодами. Эта область анализа, объединяющая статистику, математическое моделирование и информатику, называется биоинформатикой. Для сравнения последовательностей ДНК исследователи часто используют биоинформатический инструмент под названием Basic Local Alignment Search Tool, или BLAST, который был создан и поддерживается Национальным центром биотехнологической информации.

В этой лаборатории вы сначала создадите кладограмму животных, используя морфологическую информацию, а затем поместите на эту кладограмму ископаемый вид на основе его морфологии. Затем вы будете использовать последовательности ДНК нескольких различных современных родственников окаменелости и базу данных BLAST, чтобы проверить ваше расположение окаменелости на дереве.