19.1.1: Таксономія

Було виявлено щонайменше 1,7 мільйона видів живих організмів, і список зростає з кожним роком довше (особливо комах в тропічному тропічному лісі). Як їх класифікувати? В ідеалі класифікація повинна базуватися на гомології; тобто спільних характеристиках, які були успадковані від спільного предка. Чим недавно два види мають спільного предка, тим більше гомологій вони поділяють і тим більше схожі ці гомології. До останніх десятиліть вивчення гомологій обмежувалося анатомічними структурами і схемою ембріонального розвитку. Однак з моменту народження молекулярної біології гомології тепер також можна вивчати на рівні білків і ДНК.

Анатомічна гомологія: приклад

Малюнок 19.1.1.1 Передні кінцівки

На малюнку зображені кістки в передніх кінцівках трьох ссавців: людини, кита і кажана (очевидно, не намальовані в одному масштабі!). Хоча використовується для таких різних функцій, як метання, плавання та політ, один і той же базовий структурний план очевидний у всіх них. У кожному випадку кістка, показана кольором, - це променева кістка. Частини тіла вважаються гомологічними, якщо вони мають

• та ж основна структура
• таке ж відношення до інших частин тіла
• розвиваються подібним чином у ембріона

Здається малоймовірним, що єдиний візерунок кісток представляє найкращу можливу структуру для виконання функцій, на які покладені ці передні кінцівки. Однак, якщо інтерпретувати стійкість основної закономірності як доказ спадкування від спільного предка, ми бачимо, що різні модифікації є адаптацією плану до особливих потреб організму. Це говорить нам, що еволюція є опортуністичною, працюючи з матеріалами, які були передані у спадок.

білкові послідовності

Секвенування білка забезпечує інструмент для встановлення гомологій, з яких можуть бути побудовані генеалогії та намальовані філогенетичні дерева. Ось два приклади.

Гемоглобіни

Приклад молекулярної гомології.

Цифри представляють кількість відмінностей амінокислот між бета-ланцюгом гемоглобіну людини та гемоглобінів інших видів. В цілому число обернено пропорційно близькості спорідненості. Всі перераховані значення призначені для бета-ланцюга, за винятком останніх трьох, в яких різниця між альфа і бета-ланцюгами не відбувається. Бета-ланцюг людини містить 146 залишків амінокислот, як і більшість інших.

Цитохром с

Цитохром c є частиною ланцюга транспорту електронів, по якій електрони передаються кисню під час клітинного дихання. Цитохром c міститься в мітохондріях кожного аеробного еукаріота - тваринного, рослинного, протиста. Амінокислотні послідовності багатьох з них були визначені, і порівняння їх показує, що вони пов'язані між собою. Цитохром з людини містить 104 амінокислоти, і 37 з них були знайдені в еквівалентних позиціях в кожному цитохромі c, який був секвенований. Ми припускаємо, що кожна з цих молекул походить від попередника цитохрому в примітивному мікробі, який існував понад 2 мільярди років тому. Іншими словами, ці молекули гомологічні.

Першим кроком порівняння послідовностей цитохрому c є їх вирівнювання, щоб знайти максимальну кількість позицій, які мають однакову амінокислоту. Іноді прогалини вводяться, щоб максимізувати кількість тотожностей у вирівнюванні (жодного не було потрібно в цій таблиці). Прогалини виправляються для вставок і делецій, що відбулися під час еволюції молекули.

Ця таблиця показує N-термінальні 22 амінокислотні залишки людського цитохрому c з відповідними послідовностями з шести інших організмів, вирівняних нижче. Тире вказує на те, що амінокислота є тією ж, яка знаходиться в такому положенні в молекулі людини. Всі цитохроми хребетних (перші чотири) починаються з гліцину (Gly). Цитохроми дрозофіли, пшениці та дріжджів мають кілька амінокислот, які передують наведеній тут послідовності (позначається <<<). У кожному випадку гемова група цитохрому приєднується до Cys-14. і Cys-17 (людська нумерація). На додаток до двох залишків Cys, Gly-1, Gly-6, Phe-10 та His-18 знаходяться в еквівалентних положеннях у кожному цитохромі c, який був секвенований.

Ми припускаємо, що чим більше ідентичностей між двома молекулами, тим останнім часом вони еволюціонували із загальної родової молекули і тим ближче спорідненість їх власників. Таким чином, цитохром з резус-мавпи ідентичний такому у людини, за винятком однієї амінокислоти, тоді як дріжджі цитохром c відрізняється від людського на 44 позиції. (Немає відмінностей між цитохромом c людини і шимпанзе.)

Філогенетичні дерева

Малюнок 19.1.1.2 Філогенетичні дерева

За допомогою такої інформації можна реконструювати еволюційну історію молекули і, отже, їх відповідних власників. Для цього потрібно

• використовуючи генетичний код для визначення мінімальної кількості нуклеотидних заміщень в ДНК гена, необхідного для отримання одного білка з іншого
• потужна комп'ютерна програма для пошуку найкоротших шляхів, що зв'язують молекули разом

В результаті виходить філогенетическое дерево. Цей (робота Вальтера М. Фітча та Емануеля Марголіаша) показує взаємозв'язок між 20 видами еукаріотів. Цифри представляють мінімальну кількість замін нуклеотидів в гені цитохрому c, необхідну для отримання цих 20 білків із серії гіпотетичних родових генів у різних точках розгалуження (вузлах).

Дерево досить добре відповідає тому, що ми давно вважали еволюційними відносинами серед хребетних. Але є деякі аномалії. Це вказує, наприклад, на те, що примати (люди та мавпи) відділяються перед розколом, що відокремлює кенгуру, сумчастого, від інших плацентарних ссавців. Це, звичайно, неправильно. Але послідовність аналізу інших білків може усунути такі розбіжності.

Цитохром с - давня молекула, і еволюціонувала вона дуже повільно. Навіть через більш ніж 2 мільярди років третина його амінокислот залишається незмінною. Цей консерватизм є великою допомогою у розробці еволюційних відносин між віддалено пов'язаними істотами, такими як риба та люди.

Але що з людьми і великими мавпами? Їх молекули цитохрому c ідентичні і нічого не можуть сказати нам про еволюційні відносини. Однак деякі білки еволюціонували набагато швидше, ніж цитохром с, і вони можуть бути використані для розшифрування останніх еволюційних подій. Під час згортання крові з фібриногену вирізаються короткі пептиди, перетворюючи його в нерозчинний фібрин. Після видалення ці фібринопептиди не мають подальшої функції. Вони були в значній мірі вільні від суворості природного відбору і, отже, швидко розходилися під час еволюції. Так вони надають дані, корисні для сортування гілочок філогенетичних дерев ссавців, наприклад.

Гібридизація ДНК-ДНК

Як ми бачили при порівнянні людського і кенгуру цитохрому c, одна молекула забезпечує лише вузьке вікно для проблискування еволюційних відносин.

Малюнок 19.1.1.3 Гібридизація ДНК-ДНК

Методика гібридизації ДНК-ДНК забезпечує спосіб порівняння загального генома двох видів. Розглянемо процедуру, як вона може бути використана для оцінки еволюційного зв'язку виду B до виду A:

• Загальна ДНК витягується з клітин кожного виду і очищається.
• Для кожного ДНК нагрівається так, що вона стає денатурованою в окремі нитки (SSDNA).
• Температура знижується настільки, щоб дозволити множинним коротким послідовностям повторюваних ДНК регібридизувати назад у дволанцюгову ДНК (dsDNA).
• Суміш SSDNA (що представляє поодинокі гени) і dsDNA (що представляє повторювану ДНК) передається над колоною, упакованою гідроксиапатитом. DsDNA прилипає до гідроксиапатиту; SSDNA не проходить і протікає прямо наскрізь. Мета цього кроку - мати можливість порівнювати кодуючі інформацію частини геному - переважно гени, присутні в єдиному екземплярі - без необхідності турбуватися про різну кількість неінформативної повторюваної ДНК.
• SSDNA виду А робиться радіоактивною.
• Радіоактивну SSDNA потім дозволяється регібридизувати з нерадіоактивною SSDNA того ж виду (А), а також - в окремій трубці - SSDNA виду B.
• Після завершення гібридизації суміші (A/A) і (A/B) індивідуально нагріваються з невеликим кроком (2°—3°C). При кожній більш високій температурі над гідроксиапатитом пропускається аліквота. Будь-які радіоактивні нитки (А), що відокремилися від дуплексів ДНК, проходять через колонку, а кількість вимірюється від їх радіоактивності.
• Намальовано графік, що показує відсоток SSDNA при кожній температурі.
• Визначається температура, при якій денатурували 50% дуплексів ДНК (DsDNA) (T ₅₀ H).

Як показано на малюнку, крива для A/B знаходиться зліва від A/A, тобто дуплекси A/B, розділені при більш низькій температурі, ніж у A/A. Послідовності A/A точно взаємодоповнюють, тому всі водневі зв'язки між взаємодоповнюючими парами основи (A-T, C-G) повинні бути порушені, щоб відокремити нитки. Але там, де послідовності генів в B відрізняються від послідовностей в А, не відбудеться сполучення бази і денатурація легше.

Таким чином, гібридизація ДНК-ДНК забезпечує генетичні порівняння, інтегровані по всьому геному. Його використання прояснило кілька загадкових таксономічних відносин. Гібридизація ДНК ДНК також може бути використана для порівняння геномів змішаних популяцій організмів. Наприклад, коли всі бактерії витягнуті з 10 г незабрудненої грунту (в ній близько ^{10 10} клітин!) , ДНК, витягнута та очищена від бактерій та піддана аналізу гібридизації ДНК ДНК, отримані криві вказують на те, що в зразку ґрунту існує понад мільйон різних видів, хоча в популяції переважають лише деякі з них.

Хромосомний живопис

Інший спосіб порівняння цілих геномів - прикріпити флуоресцентну мітку до ДНК окремих хромосом одного виду (наприклад, людини) і піддавати їй хромосоми іншого виду. Області генної гомології будуть гібридизувати, займаючи флуоресцентну мітку, а «пофарбовані» хромосоми можна досліджувати під мікроскопом.

Метод є модифікацією флуоресценції in situ гібридизації (FISH) і також називається Zoo-fish.

Хромосомний живопис показав, наприклад, що великі ділянки людської хромосоми 6 (яка включає сотні генів у головному комплексі гістосумісності (MHC) мають свій аналог; тобто гомологічні гени, в

• хромосома 5 шимпанзе
• хромосома В2 домашньої кішки
• хромосома 7 свині
• хромосома 23 корови

Порівняння послідовностей ДНК

Білки є експресією генів, так чому б не порівняти реальні послідовності генів? Є кілька переваг:

• ДНК набагато легше послідовно, ніж білок.
• Гени містять сайти, які набагато вільніші для зміни під час еволюції, ніж білкові послідовності. До них відносяться:
  • нуклеотиди, які виробляють синонімічні кодони. Наприклад, навіть якщо амінокислота в положенні 20 у двох білках однакова, кодони для цієї амінокислоти можуть відрізнятися у двох видів.
  • Інтрони та флангові послідовності. Ці регіони відносно вільно варіюються, не завдаючи шкоди кінцевому білковому продукту. Іншими словами, ці ділянки генома знаходяться під набагато меншим тиском природного відбору.
• ДНК більш стабільна, ніж білок в навколишньому середовищі. Це підвищує можливість робити секвенування ДНК на залишках вимерлих організмів. Останки Neaderthal старше 38 000 років дали зразки ДНК, які були успішно секвеновані.

Деякі з найбільш інформативних досліджень з використанням порівняльного секвенування ДНК були проведені з

• гени рДНК; тобто гени, що кодують молекули рРНК (зазвичай малої субодиниці (18S у еукаріотів; 16S у бактерій) рибосоми.
• гени на мітохондріальній ДНК (мтДНК).

В обох випадках гени присутні в декількох копіях, що полегшує їх ізоляцію.

Кладистика

В ідеалі система класифікації повинна відображати генеалогії організмів. Дарвін зрозумів це, коли написав: «наші класифікації прийдуть, наскільки вони можуть бути зроблені, генеалогії». Класифікація, заснована суворо на правилі, що всі члени групи повинні мати спільного предка останнім часом, ніж вони мають з будь-яким видом поза групою, називається кладистиками.

Це філогенетичне дерево або кладограма зображує еволюційні відносини 4 гіпотетичних видів.

Малюнок 19.1.1.4 Длинка - кладограма корови

• Всі вони походять від предка з 5 рисами (1,2,3,4,5), які будуть використані при малюванні дерева.
• З плином часу відбулося 3 видоутворення подій, що виробляють гілки.
• За цей час кілька родових рис перетворилися в модифіковану або похідну форму; кожна з них позначена іншим кольором.
• Таксономісти, які використовують кладистичні методи, створили надзвичайний словниковий запас, щоб допомогти їм (не обов'язково нам).
  • Родові риси називаються плезіоморфними (показані тут у вигляді чорних чисел).
  • Похідні риси називаються апоморфними (показані тут у вигляді кольорових чисел). Всі члени кладу повинні мати одну або кілька апоморфних ознак, яких немає у жодного іншого виду.
  • Похідні риси, які поділяють два або більше видів, називаються синапоморфними. Тут види А і В поділяють синапоморфну рису, позначену синім кольором 3.
  • Родові риси, які поділяють два або більше видів, називаються симплезіоморфними. Тут ознака, показана як чорний 1, є симплезіоморфною ознакою, що зберігається всіма 4 видами.
• Відзначимо, що при порівнянні видів, чим свіжіше загальний предок, тим більше апоморфних ознак вони поділяють. Таким чином, види C і D поділяють 4 з 5 ознак, але лише три (1, 2 і 5) з видами А і лише два (1 і 5) з видами B.

Навіть якщо ми реконструюємо точну генеалогію і намалюємо філогенетичне дерево, щоб представити його, таксономічні проблеми все одно можуть залишитися.

1. Вид - єдина таксономічна категорія, яка існує в природі. Всі вищі категорії (наприклад, рід, сім'я та порядок) є суто довільними. Їх створюють таксономісти. Наприклад,
   • Чи повинні види C і D бути поміщені в один рід з A і B в іншому?
   • Або всі чотири досить тісно пов'язані між собою, що належать до одного роду?
   • Або всі чотири настільки віддалено пов'язані, що їх слід помістити в окремі пологи?
   • Зауважте, що жоден із цих варіантів (та інші крім того) не порушує основне правило, що всі члени будь-якої однієї групи (або "clade «) повинні мати спільного предка більш пізнього, ніж будь-який, який вони поділяють з видами в інших групах.

Малюнок 19.1.1.5 Клади приматів

Ті таксономісти, які особливо вражені відмінностями між видами, як правило, збільшують кількість вищих категорій. Ті, хто має цей ухил, відомі з любов'ю як "розгалужувачі». «Люмпери «, ті таксономісти, які дивуються однорідності, яку вони бачать серед видів, мають тенденцію створювати менше вищих категорій. Таким чином, спліттери можуть поставити кожен з 4 видів в окремі пологи, тоді як люмпери поміщають їх в один рід.

2. Класифікації, засновані строго на кладистиці, занадто складні для зручності. В принципі, для всіх гілок, отриманих від кожного вузла дерева, доводиться створювати окрему категорію. У коробці показана умовна класифікація Homo sapiens (в порядку Примати класу Mammalia). Порівняйте його з графікою над полем, що показує класифікацію лише приматів, що ґрунтуються на кладистиці.

Приклад

Наукові назви. Шведський натураліст Каролус Лінней - «батько таксономії» - створив систему іменування видів, яка використовується біологами у всьому світі. Наукова назва кожного виду складається з двох частин:

• назва роду, до якого він присвоєний і
• «специфічний епітет», який ідентифікує конкретний вид в межах роду.

Латинські назви використовували Лінней, але з тих пір було виявлено так багато видів, що тепер таксономісти просто монтують нові слова і кидають назву роду у вигляді латинського іменника і специфічного епітета як латинського прикметника. За традицією обидва назви друкуються курсивом, а назва роду - з великої літери, але не специфічний епітет. Відзначимо також, що символи латинського алфавіту завжди використовуються навіть біологами в країнах, де в звичайних цілях використовуються різні символи.

Ось опис звичайної медузи, як це фігурує в японському путівнику з морських мешканців.

Передруковано з дозволу Hoikusha Publishing Co., Ltd., Токіо, Японія

3. Класифікація, заснована строго на еволюційній спорідненості (кладистика), також часто може здатися порушенням здорового глузду. Таким чином, філогенетичне дерево, що показує еволюційну історію, яка породила лосося (рибу), легенду та корову, вимагає - відповідно до кладистів - щоб легенда та корова були поміщені в кладе окремо від лосося. Незважаючи на те, що легенда - риба, корова поділилася з нею спільного предка зовсім недавно, ніж її загальний предок з лососем. Хоча традиційно класифікувати легенів і лосося разом у класі Риби (риби), а корову віднести до класу Mammalia, це порушує правило кладистики (тому Риби, як кажуть, є парафілетичною групою). Легенда і корова з їх апоморфними рисами внутрішніх ніздрів і надгортанника походять від спільного предка (червоної стрілки), який також є предком всіх сухоживих хребетних (включаючи нас самих!).

Навіть Дарвін визнав, що одного спорідненості не завжди достатньо для звукової таксономії, тому він додав другий критерій - ступінь подібності - для призначення видів до таксономічної категорії.

1. Вивести еволюційну історію тварин особливо важко, оскільки всі 24 або більше філи тварин з'явилися за короткий час до і під час кембрію і з тих пір еволюціонували окремими лініями. Це означає, що всі гілки на філогенетическом дереві довгі і згущені настільки тісно біля їх основи, що важко визначити їх взаємозв'язки.
2. Потужність комп'ютера. Більше даних допомогло б, але в міру того, як стає доступним більше даних, здатність комп'ютерних програм розбирати найбільш імовірне дерево стає перевантаженою.
3. Зміна темпів еволюції. Є значні докази того, що швидкість мутації не є стабільною від гілки до гілки у філогенетичних дерев. Таким чином, гілка, заснована на молекулах, які швидко еволюціонували, здавалося б довшою, ніж інакше.
4. Мутації спини. Вони маскують зміни, які передували їм, і роблять гілки коротшими, ніж вони повинні бути.
5. Перенесення генів між видами. Нещодавня доступність повних послідовностей генів для багатьох бактерій виявила гени, які, здається, перейшли з однієї групи в іншу, а не походять від спільного предка. Більшість з цих «горизонтальних» переносів генів між двома різними видами бактерій, але послідовність генів Mycobacterium tuberculosis виявляє 8 генів, які він, здається, взяв від свого людського господаря! Відбулося стільки горизонтальних переносів генів, що деякі бактеріальні таксономісти впадають у відчай, що для них коли-небудь можна вивести належне філогенетичне дерево.
6. Конвергентна еволюція. Еволюція, в якій два види з різних генеалогій нагадують один одного, називається конвергентною еволюцією, а структури, які нагадують один одного поверхнево (і можуть виконувати одну і ту ж функцію), називаються аналогічними.

Малюнок 19.1.1.6 Вомбат

Є багато прикладів сумчастих ссавців в Австралії, які мають вражаючу схожість з плацентарними ссавцями Європи та Північної Америки. Північноамериканський вудчак або бабак і австралійський вомбат (фото люб'язно надано Австралійським бюро новин та інформації), для прикладів, виглядають поверхнево, щоб бути близькими родичами. Але їх подібність аналогічна, а не гомологічна, і виникла в результаті подібного відбору тиску в подібних екологічних нішах. Вомбат не має плаценти, доглядає за своїми молодняками в мішечку, як це роблять інші сумчасті, і його слід класифікувати з ними. Насправді ми більш тісно пов'язані з північноамериканським вудчаком, ніж вомбат!

Мовою кладистиків вомбат поміщається в кладку з усіма сумчастими, оскільки вони поділяють сумчастий мішечок (апоморфна риса), але, тим не менш, є ссавцями, оскільки вони теж мають волосся (плезіоморфна риса).

Конвергентна еволюція також відбувається на рівні молекул.

Приклади:

• Корови та лангурові мавпи синтезують лізоцим, який поділяє однакову активність, але порівняння їх амінокислотних послідовностей вказує на те, що кожна з них еволюціонувала з іншої родової молекули.
• Корови та бактерія Yersinia синтезують тирозинфосфатазу з подібними тривимірними структурами навколо своєї активної ділянки та подібної активності. Однак кожен еволюціонував із абсолютно іншої родової молекули.
• Бактерія Bacillus subtilis синтезує серин-протеазу, яка діє так само, як ті, що синтезуються ссавцями, але не тільки має зовсім іншу первинну структуру, але й її тривимірна структура (третинна) структура також відрізняється.
• Представники чотирьох різних загонів комах, загони яких останні ділили спільного предка 300 мільйонів років тому, самостійно розвивали ідентичну точкову мутацію в своїй Na ^{+/K +} АТФазі, яка захищає її від інактивації серцевими глікозидами. в рослині, на яких вони харчуються. Посилання на ілюстроване обговорення того, як ця мутація може призвести до апосематичного забарвлення та мімікрії.

Дописувачі та атрибуція

• Template:ContribKimball