Információ

Vannak-e ismert példák arra, hogy egy kifejlesztett mechanizmus „visszhangozza” azt, amit eredetileg a környezet biztosított?

Vannak-e ismert példák arra, hogy egy kifejlesztett mechanizmus „visszhangozza” azt, amit eredetileg a környezet biztosított?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Rövid összefoglaló

Az élet eredetének kutatója vagyok, egy olyan terület, amely a LUCA (az utolsó univerzális közös ős) előtt lezajlott evolúciós folyamatokkal kapcsolatos hipotézisekkel, és elsősorban azokkal a kémiai folyamatokkal foglalkozik, amelyek életet és evolúciót eredményeztek. Ezt nagyon nehéz empirikusan tanulmányozni, és ennek következtében sok versengő hipotézis létezik. Azonban észrevettem, hogy sokuknak van egy közös formája, amelyet az alábbiakban ismertetek. A kérdésem az, hogy léteznek-e ilyen típusú hipotézisek (és vizsgálták-e például filogenetikai módszerekkel) a LUCA utáni evolúciós biológiában.

Azért kérdezem, mert kollégáimmal nem tudtunk jó példát kitalálni. Ha nem ismerünk példát a LUCA utáni evolúciós biológiában, akkor ez kétségbe vonja az ilyen típusú hipotézisek elfogadhatóságát a LUCA előtti evolúcióban. Gyanítom, hogy ez a helyzet, és ezért az ideális válaszom bibliográfiai anyagokkal szolgálna, amelyek alátámasztják azt az állítást, hogy az evolúcióbiológiában erre nincs jó példa. Viszont annak is örülnék, ha egy igazán jó példával bebizonyosodnék, hogy tévedek.

Hosszabb magyarázat

Az élet eredetére vonatkozó hipotéziseket nehéz empirikusan tesztelni, mivel a filogenetikai módszerek kevés közvetlen bizonyítékot adhatnak a LUCA előtti dolgokról, és mivel nincsenek ebből az időből származó kövületek. (A Föld teljes felületét azóta lemeztektonika váltotta fel.) Ebből következően számos versengő hipotézis létezik, amelyek szinte minden tekintetben eltérnek egymástól. Azt azonban észrevettem, hogy sokuknak van egy közös formája: ezt mondják

  1. a modern (vagyis poszt-LUCA) sejt egy vagy több tulajdonságát eredetileg külső mechanizmus biztosította, olyan abiotikus kémiai folyamatok formájában, amelyek valamilyen nagyon specifikus mikrokörnyezetben játszódnak le, ill.

  2. Az evolúció végül olyan megoldást kínált, amely nagyon szorosan visszhangzott az eredetileg a környezet által biztosított megoldással.

Az (1) pont viszonylag könnyen teljesíthetőnek tűnik egy evolúciós forgatókönyv szerint; ez a (2) pont, ami kifejezetten érdekel. A két legnépszerűbb hipotézis ezen a területen mindkettőnek a következő a formája:

  • Az RNS-világ hipotézis egyes formái azt állítják, hogy eredetileg az RNS-nukleotidokat tisztán kémiai folyamatok hozták létre a környezetben, és az élet az ezekből az abiotikus úton előállított monomerekből álló önreplikáló RNS-molekulákból fejlődött ki. Később az élet olyan sejtmetabolizmust alakított ki, amellyel saját RNS monomereket tudott létrehozni. Ez megfelel a (2) pontnak, mert azt mondja, hogy a környezet RNS-t biztosított, nem pedig más, katalitikus tulajdonságokkal rendelkező heteropolimert; az evolúciós megoldás a környezeti megoldást visszhangozza, mivel ugyanazt a komplex molekulát használja.

  • Wächterschäuser Iron-Sulphur World elmélete és számos leszármazottja, köztük Russel lúgos szellőző-elmélete, azt állítja, hogy a reduktív trikarbonsav ciklust (rTCA ciklus, más néven fordított citromsav ciklus) eredetileg ásványi felületek katalizálták. Ez lehetővé tette az első sejtek kialakulását, amelyek végül olyan enzimeket fejlesztettek ki, amelyek ásványi katalizátorok nélkül katalizálhatók az rTCA ciklusban. Ez megfelel a (2) pontnak, mert azt mondja, hogy az első kifejlesztett oldat lényegében ugyanazt a kémiai utat használta, mint a környezet által biztosított, csak különböző katalizátorokkal.

(Az élet eredetére vonatkozó hipotézisek közül nem mindegyiknek van ilyen formája. Az RNA World elmélet egyes változatai szerint az RNS-alapú életet például valamilyen más heteropolimeren alapuló élet előzte meg. De a fent leírt hipotézisek nagyon népszerűek.)

Evolúcióbiológiai szempontból a (2) pont meglehetősen furcsa tulajdonságnak tűnik egy hipotézis számára. Az evolúció nagyszerű abban, hogy újszerű megoldásokat hozzon létre a problémákra, de tudomásom szerint nem alkalmas a régiek másolására. (A mimikri erre nem ad ellenpéldát, mivel inkább a megjelenésről, mint a mechanizmusról van szó, és gyakran a mimika is ugyanazt a vizuális hatást hozza létre egy egészen más mechanizmuson keresztül. Például bár a Cyphonia clavata egy hangya külső megjelenését utánozza, ezt nem úgy teszi, hogy anatómiailag hasonlít egy hangyára, hanem úgy, hogy arc van a fenekén.)

Következésképpen olyan ismert példákat keresek az evolúcióbiológiából, amelyek az (1) és a (2) pontnak is megfelelnek. Vagyis olyan példákat keresek, amikor egy faj eredetileg valamilyen viszonylag összetett folyamatra támaszkodott a környezetében, és kevésbé lett függő a környezetétől. egy olyan mechanizmus kifejlesztésével, amely szorosan visszhangozza a környezet által eredetileg biztosítottat.

Példa erre egy olyan faj, amely eredetileg nem volt képes kulcsfontosságú metabolitot (például aminosavat) előállítani, de később kifejlesztette azt a képességet, hogy a metabolitot önmagának állítsa elő. Ennek bizonyítéka lehet egy olyan faj megtalálása, amely a metabolitot egy új fehérjekészlet felhasználásával termeli, jelezve, hogy a metabolit előállításának képessége elveszett, majd újra fejlődött. Még jobb példa lenne, ha az új fehérjék lényegében ugyanazt a kémiai folyamatot katalizálják, amelyet más fajok ugyanazon metabolit előállítására használnak.

Lehetséges, hogy erre nincs jó példa, ami valójában jobb számomra, mintha lennének. Minden konkrét példánál jobban szeretném tudni, hogy az evolúcióbiológiában egyáltalán szóba kerültek-e ilyen gondolatok (talán az élet eredetének kontextusán kívül), és ha igen, hol találhatom meg az ezzel kapcsolatos irodalmat. .


Hosszú volt egy megjegyzés:

  • Egy faj, amely eredetileg parazita volt, de aztán úgy fejlődött, hogy a gazdájától függetlenül túlélje ugyanazokat az anyagcsere-funkciókat.

  • Egy ragadozó, amely eredetileg zsákmányára támaszkodott valamilyen létfontosságú metabolit szintézisében, de később kifejlesztette azt a képességét, hogy
    hasonló úton hiányzik magának a metabolit

A parazita általában szabadon élő formából fejlődik ki. Csökkent genomja van, és nem képes sok létfontosságú tápanyagot szintetizálni. Nem valószínű, hogy olyan gént szerezne, amely lehetővé tenné számára a szabad életet. A parazitának általában nincs szüksége tápanyagok szintézisére; így nincs rá nyomás, hogy megszerezze ezt a funkciót mindaddig, amíg gazdája feleslegben van.

Ugyanez a helyzet a ragadozók esetében is.

Alapvetően magasabb rendű szervezetekben nehéz új gént előidézni; ez egy lassú folyamat, és génmódosítással történik. Az alacsonyabb rendű (alapvetően egysejtű) élőlényekben azonban sokkal könnyebb az oldalirányú géntranszfer, és lehetséges, hogy más élőlényektől új anyagcsere-utakat sajátíthatnak el. Vessen egy pillantást erre a cikkre.

Az alsóbbrendű eukariótákban az endoszimbiózis egy másik módja annak, hogy viszonylag gyorsan új metabolikus utakat lehet megszerezni. Egy diatóma, az úgynevezett Rhopalodia gibba, amely már rendelkezett vörös algából származó másodlagos plasztiddal, egy másik cianobaktériumból származó zöld plasztidot szerzett a nitrogén megkötésére. Ezt a bejegyzést is megnézhetitek.

A tulajdonságok önálló elsajátítására vonatkozó kérdésére; szinte minden anyagcsereút csak így alakul ki. Azok az enzimek izoformái, amelyek kissé eltérő szubsztráthoz tudnak kötődni, egy újabb lépést eredményeztek a folyamatban.

Az is lehetséges mérnök egy új tulajdonság:
Nukleotid analógokat hoztak létre egy 6 betűs nukleotid rendszer létrehozására, amely PCR-rel replikálható[1, 2]. Az év elején ezt in vivo demonstrálták[3]. Kimutatták, hogy ezek az új nukleotidok is átírhatók (lásd a kereszthivatkozásokat a [3]).


Az E. coli egy hosszú távú evolúciós kísérlet azt mutatta E. coli kifejlesztett egy funkciót (a citrát metabolizmusát), amelyre az ősi környezetben nem volt szükség, de amely természetes módon fejlődött ki, és ebben az új mesterséges környezetben kiválasztották. AFAIK, ez az egyetlen példa egy olyan funkcióra, amely természetes módon fejlődik ellenőrzött körülmények között.

Az az ok, amiért nem valószínű, hogy metazoánokat látunk új anyagcsere-utakat fejleszteni, az az oka, hogy hosszú élettartamúak, és ezért szaporodási idejük van. Azonban, ahogy a WYSIWYG már említette, szinte minden anyagcsereút így fejlődött, csak nehéz megfigyelni a hosszú időintervallum miatt.


Tekintse ezt inkább megjegyzésnek, mint válasznak, mivel túl hosszú lett a megjegyzéshez. Úgy gondolom azonban, hogy néhány példának relevánsnak kell lennie a kérdés pontosításához.


Egy dolog, amit ebben a kérdésben homályosnak találok, az az, hogy pontosan mi is minősül "folyamatnak"/"funkciónak"? Számomra ez szinte bármi lehet. Úgy tűnik, hogy Ön a molekuláris biológiára és a biológiai utakra összpontosít, de úgy gondolom, hogy ugyanolyan ésszerű nagy léptékű folyamatokban gondolkodni. Ha igen, akkor sok olyan folyamat van, ami érvényesnek tűnik szerintem, pl. szaporodás és elterjedés.

Például a primitív növényekben (és más taxonokban) a megtermékenyítés külső, és a környezet nedvességétől függ az ivarsejtek szállításához. A belső megtermékenyítésű élőlények ezt megkerülték azzal, hogy saját megtermékenyítési mechanizmust biztosítanak, amely nem függ a környezeti folyamatoktól (ugyanolyan mértékben). Az evolúciós erők mögött talán/valószínűleg az volt, hogy hatékonyabb volt és lehetővé tette új környezetek gyarmatosítását.

Egy másik hasonló példa a magvak szétszóródása a növényekben, ahol egyeseket szélszór ("primitív" állapot), mások pedig aktív intézkedéseket alkalmaznak a magvak kilökésére (ballochory). Ezzel megkerülték a széltől való függést, hogy szétszórják magjaikat. Ugyanezek a mechanizmusok a mohacsoportokban is megtalálhatók.

Mindkét esetben egy korábban külső és környezeti közvetített funkciót ma maguk az élőlények biztosítanak, és ezek meglehetősen bonyolult morfológiai és anatómiai adaptációkkal járnak. Érvényesnek találja ezeket a kérdésére? Ez csak két példa, de sok hasonló eset van.

Inkább a kérdésedhez fűzött kommentek sorában szerintem adj meg egy-két hivatkozást arra a hipotézisre, amelyre hivatkozol (azaz hol használták/vitatták), ami megkönnyítené annak megértését, hogy pontosan mire is vágysz ( és a szakirodalmi bejegyzést is biztosítják). Ez talán segíthet megmagyarázni, miért a "… a kifejlesztett megoldás „visszhangozza” a környezet által biztosított megoldást". Jelenleg egyáltalán nem értem, hogy miért kellene ennek így lennie általában. Az adaptív evolúció a szelekció miatt megy végbe, amely az alkalmassági különbségekre hat, és közömbös, hogy a mechanizmus egy hasonló probléma korábbi megoldását visszhangozza-e (kivéve azt a tényt, hogy az evolúciót az organizmusok evolúciós története korlátozza).


A kérdés további megfontolása után úgy gondolom, hogy ennek a hipotézisnek a működéséhez kulcsfontosságú az, hogy az eredeti funkciónak annyira integráltnak és létfontosságúnak kell lennie a szervezet biológiája számára, hogy azt bizonyos mértékig utánozni/visszhangozni kell. Az Ön RNS-példája szempontjából nem volt elég olyan komplex molekula szintetizálásának képességét kifejleszteni, amely enzimként és információhordozóként funkcionálhat, hanem RNS-nek kellett lennie, mivel ezt már felhasználták a primitív szervezet biológiai útjaiban.

Ezt szem előtt tartva úgy gondolom, hogy alaposan nézze meg a vitaminokat (vagy más alapvető tápanyagokat), hogy bizonyítékot találjon hasonló folyamatokra. A vitaminokról az a legfontosabb, hogy gyakran nagy, összetett molekulákról van szó, amelyek létfontosságú tápanyagok, és a vitaminok szintézisének képessége nagymértékben különbözik a taxonok között. Bizonyos értelemben a nukleotidok esszenciális tápanyagok voltak az élőlények számára a javasolt RNS-világban, így a vitaminoknak/esszenciális tápanyagoknak megfelelő analógnak kell lenniük a hasonló evolúciós folyamatok kereséséhez. Ne feledje azonban, hogy a molekuláris biológia egyáltalán nem az én területem, és lehet, hogy tévedek néhány szempontból.

Vegyük a példát C vitamin. Ezt az ember nem tudja szintetizálni, hanem a legtöbb más emlős (a C-vitamin szintézis az emlősökben ősinek számít). Növények, élesztő és sok más állat is szintetizálhatja. A C-vitamint azonban különböző módon használják fel a különböző szervezetek. A növények használják pl. a fotoszintézishez, a fényvédelemhez, a sejtfal növekedéséhez és a növényi hormonok szintéziséhez, míg az ember és más emlősök enzimkofaktorként és immunválaszként használják. Egy másik kulcsfontosságú szempont, hogy a növények, az élesztőgombák és az állatok különböző útvonalakat használnak a C-vitamin szintézisére (Drouin és mtsai, 2011), ami azt jelzi, hogy a C-vitamin szintézise nem az összes taxon őse (azaz nem minden eukarióta ősi jellemzője). élet). Az emlősökben a C-vitamin szintézise is többször vált át a szervek között, ami szintén új adaptációkat jelez, amelyek ugyanazt a molekulát eredményezik.

Számomra nagyon valószínűnek tűnik, hogy a C-vitamint kezdetben az állatok a növényekből nyerték (amelyek nagyon magas C-vitamin-koncentrációt tartalmaznak) étrendjük részeként (azaz a környezet által biztosított módon), és számos biológiai út alapvető összetevőjévé vált. Ha ez a helyzet, akkor az állatok később saját maguk is szintetizálják a C-vitamint, más biológiai úton, mint a növények. Ez a tulajdonság később másodlagosan elveszett (például emberek és teleost halak), és többször visszanyerték a különböző taxonokban. Ez azonban spekuláció a részemről, és nem ismerem eléggé ezt az irodalmat ahhoz, hogy meg tudjam mondani, vannak-e tanulmányok a C-vitamin szintézisének eredetéről állatokban, vagy hogy a C-vitamin szintézisének útja növényekben és állatokban alapvetően összefügg-e. . Smirnoff és munkatársai (2001) áttekintése azt mutatja, hogy van némi hasonlóság a C-vitamin szintézis utolsó szakaszában részt vevő enzimek között:

A GalLDH-t, GulLO-t és AraLO-t kódoló gént és/vagy cDNS-t számos organizmusból izolálták és leírták, köztük karfiolból, édesburgonyából (GalLDH, 54, 121), patkányból (GulLO, 70) és Saccharomyces cerevisiae-ből (53). Ezenkívül az A. thaliana és a Nicotiana tabacum GalLDH gének teljes nukleotid kódoló szekvenciáját (letöltési szám: AB042279.1, AB024527.1), valamint a Candida albicans AraLO génjét (letöltési szám: AF031228) benyújtották és közvetlenül társították a GenBank-hoz. adatbázisok. Ezeknek a rokon fehérjéknek a megjósolt aminosavszekvenciái jelentős mértékben azonosak. Az érett karfiol GalLDH aminosavszekvenciája 28%-ban azonos a patkány GulLO-val és 26%-ban azonos a Candida albicans AraLO-val (a J Hein módszert használva a PAM250 maradék tömegtáblázattal).

Ez azonban nem feltétlenül jelenti azt, hogy a C-vitamin szintézise mind a növények, mind az állatok ősei. Nem találtam semmilyen papírt a C-vitamin szintézis eredetéről, és ha van bizonyíték arra, hogy az egész modern élet ősei.

Mindkét esetben hasznos lehet, ha közelebbről megvizsgálja az állatokban vagy más szervezetekben található vitaminokat, hogy példákat találjon a keresett folyamatok típusaira, mivel ezek (definíció szerint) alapvető tápanyagok, amelyeket egyes állatok képesek, mások pedig nem tud szintetizálni. Ezért jó potenciális célpontnak kell lenniük ahhoz, hogy hasonló folyamatokat találjunk, mint az Ön RNS-példája. B12 vitamin a másik véglet szélsősége, mivel a legtöbb állat számára nélkülözhetetlen, de csak baktériumok képesek szintetizálni (tehát a fő forrás a bakteriális szimbiózis).

Az is lehetséges, hogy tévedek, és hogy az összes vitamin szintézise a modern élet őse, és csak ezt követően veszítették el bizonyos vitaminok/tápanyagok szintézisének képességét. Helliwell és mtsai (2013) ezt lehetőségként említik az RNS-világgal kapcsolatban, de rámutatnak arra is, hogy a bioszintézis útjai gyakran különböznek taxonok között, ami arra utal, hogy valóban másodlagos megszerzés történt:

A vitaminok alapvető természetét jól szemlélteti számos vitamin és a nukleotidok közötti szoros szerkezeti kapcsolat (1. ábra), ami azt a valószínűséget tükrözi, hogy jelen voltak az ősi RNS-világban. Mindazonáltal úgy tűnik, hogy bioszintetikus útvonalaik az útvonal evolúciójának patchwork modelljén keresztül jöttek létre [31], ami azt eredményezi, hogy nem rokon fehérjék toboroznak egyetlen útvonalon. Valójában sok vitamin különböző módon szintetizálódik különböző szervezetekben [20]. Például alternatív útvonalakat találtak a tiamin bioszintézisére prokariótákban és különböző eukariótákban (2. ábra) [20]. A bioszintetikus utak sokfélesége ellenére úgy tűnik, hogy az útvonalvesztés okaiban és mechanizmusaiban közös tendenciák vannak.