Neuer Ansatz zum Bauen des Baumes des Lebens

Published on February 08, 2017

Neuer Ansatz zum Bauen des Baumes des Lebens

Ursprünglicher Autor: Emily Singer
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Als der britische Morphologe George Jackson Mivart [St. George Jackson Mivart] veröffentlichte 1865 einen der ersten Evolutionsbäume, ihm fehlte Trägermaterial. Mit Hilfe einer detaillierten Analyse der Stacheln von Tieren baute er einen Baum - eine verzweigte Karte verschiedener Primatenarten. Der zweite Baum, der auf der Grundlage eines Vergleichs von Gliedmaßen von Tieren erstellt wurde, zeigte andere verwandte Zusammenhänge zwischen Primaten und hob das Problem der Evolutionsbiologie hervor, das heute noch besteht.

Fast 150 Jahre später sammelten die Wissenschaftler viele Daten, um die sogenannten phylogenetischen Bäume zu bauen , eine moderne Version der von Mivart geschaffenen Struktur. Fortschritte in der DNA-Decodierungstechnologie und Bioinformatik Sie können die Sequenzen von Hunderten von Genen und manchmal ganzen Genomen in verschiedenen Arten vergleichen und den Baum des Lebens detaillierter als je zuvor erstellen.


Der historische Baum des Lebens von 1866 beschreibt die Königreiche der Pflanzen, Tiere und Einzelzellen.

Obwohl die Fülle an Daten dazu beitrug, einige der Konflikte zu lösen, die über verschiedene Abschnitte des Evolutionsbaums entstanden sind, brachte er auch neue Schwierigkeiten mit sich. Die aktuelle Version des Lebensbaums ähnelt eher einer umstrittenen Wikipedia-Seite als einem veröffentlichten Buch - es gibt ständige Kontroversen über einige der Zweige. So wie Wirbelsäule und Gliedmaßen zu widersprüchlichen Primatenentwicklungskarten geführt haben, wissen Wissenschaftler jetzt, dass verschiedene Gene im selben Organismus unterschiedliche Geschichten erzählen können.

Laut einer neuen Studie, die teilweise auf der Untersuchung von Hefen basiert, erweist sich das kontroverse Bild der einzelnen Gene als noch kontroverser als erwartet. "Sie behaupten, dass jedes der 1070 Gene in einen Konflikt verwickelt ist", sagt Michael Donoghue , ein Evolutionsbiologe in Yale, der nicht an der Studie beteiligt ist. "Wir versuchen, die phylogenetischen Zusammenhänge von 1,8 Millionen Arten zu verstehen, und wir können selbst nicht zwanzig Arten von Hefen aussortieren", sagt er.

Um das Paradoxon aufzulösen, entwickelten die Forscher einen Algorithmus auf der Grundlage der Informationstheorie, um das Maß an Vertrauen in die Korrektheit einzelner Teile des Baums zu messen. Sie hoffen, dass der neue Ansatz dazu beitragen wird, die Evolutionsperioden zu klären, die sowohl die interessantesten als auch die nützlichsten und widersprüchlichsten Daten enthalten - zum Beispiel die kambrische Explosion - die rasche Diversifizierung des Tierlebens, die vor 540 Millionen Jahren stattfand.

„Historisch gesehen hängen die interessantesten Episoden mit den Bereichen zusammen, die Aufmerksamkeit erregt und Kontroversen ausgelöst haben“, so der Biologe Antonis Rokas von der Vanderbilt University, der die neue Studie leitete.

Basierend auf den Ergebnissen des neuen Algorithmus können Wissenschaftler nur die aussagekräftigsten Gene für die Konstruktion phylogenetischer Bäume auswählen. Ein solcher Ansatz kann den Prozess sowohl genauer als auch effizienter gestalten. „Ich denke , es wird helfen , den Wiederaufbau des Baumes des Lebens zu beschleunigen“ - sagte Khidr Hilu [ Khidir Hilu ], Biologe an dem Virginia Institute of Technology.

Ziegel des Lebens


Die Grundlage für phylogenetische Bäume wird durch die Gruppierung von Arten nach ihrem Verwandtschaftsgrad geschaffen. Wenn Sie die DNA von Menschen, Schimpansen und Fischen vergleichen, wird deutlich, dass Menschen und Schimpansen einander näher stehen als Fischen.

Forscher verwendeten einmal ein oder mehrere Gene, um Organismen zu vergleichen. In den letzten zehn Jahren gab es jedoch eine Explosion von phylogenetischen Daten, die die für die Erstellung dieser Bäume erforderlichen Grundlagen sehr schnell erfüllten. Die Analyse hat es möglich gemacht, einige der weißen Flecken auf dem Baum auszufüllen, aber es gibt immer noch ernsthafte Meinungsverschiedenheiten.

Zum Beispiel ist noch nicht klar, wer in Bezug auf Schnecken näher dran ist - Muscheln oder Muscheln mit Schaufelbeinen.sagt Rokas. Es ist nicht bekannt, wie genau einer der frühesten Zweige von Tieren eines Baumes, wie Quallen und Schwämme, miteinander verbunden sind. Wissenschaftler können Beispiele für widersprüchliche Bäume aufzeigen, die in denselben wissenschaftlichen Fachzeitschriften mit einem Wochenunterschied oder sogar in derselben Ausgabe erscheinen .

"Daher die Frage: Warum ist es für uns so schwierig, eine Einigung zu erzielen?", Sagt Rokas.



Rokas und sein Doktorand Leonidas Salichos untersuchten dieses Problem, indem sie die Gene einzeln bewerteten und die nützlichsten Gene mit den meisten Informationen zur Evolutionsgeschichte verwendeten, um ihre Version des Baums zu erstellen.

Sie begannen mit 23 Hefearten und wählten 1070 Gene aus. Zunächst erstellten sie in üblicher Weise einen phylogenetischen Baum, indem sie ihn verketteten. Dazu laufen alle Sequenzen einzelner Arten in einem Megagen zusammen und dann werden Sequenzen einzelner Arten mit dieser langen Sequenz verglichen, auf deren Grundlage ein Baum erstellt wird, der die Unterschiede am besten erklärt.

Der resultierende Baum ist in Bezug auf die statistische Standardanalyse genau. Da ähnliche Methoden jedoch zu uneinigen Bäumen führten, beschlossen Rokas und Salichos, sich mit dem Thema zu befassen. Sie erstellten Gruppen phylogenetischer Bäume für einzelne Hefegene und verwendeten einen Algorithmus, der mithilfe der Informationstheorie entwickelt wurde, um Bereiche mit der größten Übereinstimmung zwischen verschiedenen Bäumen zu suchen. Das im Mai in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Ergebnis war unerwartet. Es scheint, dass jedes untersuchte Gen eine leicht unterschiedliche Evolutionsgeschichte aufweist.

„Nahezu alle Bäume, die für einzelne Gene erstellt wurden, standen in Konflikt mit einem Baum, der auf einer Verkettung von Daten basiert“, sagt Hilu. "Das ist schockierend."

Sie kamen zu dem Schluss, dass wenn mehrere Gene eine bestimmte Architektur unterstützen, diese genau sein muss. Wenn jedoch unterschiedliche Gengruppen zwei unterschiedliche Architekturen unterstützen, sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass sie exakt der Realität entsprechen. Rokas und Salichos verwendeten eine Methode namens statistisches Bootstrap , um die aussagekräftigsten Gene auszuwählen.

In der Tat, "wenn Sie nur Gene mit aktiver Unterstützung nehmen, dann erhalten Sie den richtigen Baum", sagt Donogue.

Der überarbeitete Baum fiel mit dem Baum zusammen, der auf einer alternativen Quelle von Evolutionsinformationen aufgebaut war - groß angelegte Veränderungen in DNA-Segmenten, die von Generation zu Generation weitergegeben wurden -, was ihre Forschung begründete.

Entdeckungen sind nicht auf Hefe beschränkt. Durch die Anwendung derselben Analyse auf größere und komplexere Lebensformen, einschließlich der genetischen Daten von Wirbeltieren und Tieren, fanden sie schwerwiegende Konflikte zwischen einzelnen Genen.

Einige Forscher müssen sich an die Idee gewöhnen, Daten selektiv von der Analyse auszuschließen. "Viele Jahre lang war das Hauptproblem der Menschen, die die Beziehungen von Organismen zu verstehen versuchten, das Problem, genügend Daten zu sammeln", sagte Jeffrey Townsend , ein Evolutionsbiologe von der Yale University, der nicht mit Forschung verbunden ist. "Die Community wurde immer über die Notwendigkeit eines Datensatzes informiert, daher ist es nicht verwunderlich, dass sie sich der Aufgabe auf diese Weise näherte."

Obwohl Evolutionsbiologen seit Jahren mit diesen Problemen zu kämpfen haben, war die neue Studie der größte Versuch, das Konfliktniveau einzelner Gene zu untersuchen. "Die Menschen werden zwei Reaktionen haben: Es gibt mehr Konflikte als ich dachte, und wir müssen lernen, wie wir sie besser analysieren können", sagt Donague, der die neue Methode in seiner Arbeit anwenden möchte. Er weist jedoch auch auf die Schwierigkeit hin, die Richtigkeit des neuen Ansatzes zu bestätigen. Obwohl der überarbeitete Baum mit dem übereinstimmt, was auf alternativen genetischen Informationen beruht, kann letzterer seine eigenen Inkonsistenzen aufdecken. "Ich bin nicht sicher, ob wir wissen, wie die Beziehung wirklich ist", sagt er. "Und wenn wir uns nicht sicher sind, ob es wirklich so ist, wissen wir nicht, ob wir den richtigen Baum haben."

Wechselndes Bild


Die Forscher müssen die neue Technik breiter anwenden, um zu sehen, wie sie das Konzept der Evolution verändern kann. Rokas und Salichos haben jedoch bereits gezeigt, dass es am schwierigsten ist, kurze Zweige des Baumes oder „buschige“ Teile davon zu rekonstruieren, die Perioden schneller Speziation darstellen - insbesondere jene, die der Basis des Baumes am nächsten liegen und tief in der Evolutionsgeschichte liegen.

"Theoretische Studien haben dieses Verhalten vorhergesagt, aber unsere Studie zeigt zum ersten Mal eine Bestätigung mit experimentellen Daten", sagte Rokas.

Rokas argumentiert, dass neue Entdeckungen die Interpretation unscharf aussehender Teile des Baumes verändern werden. "Evolutionsbiologen gehen normalerweise davon aus, dass der Baum falsch ist, wenn er nicht über die erforderlichen Details verfügt. Wenn wir also mehr Daten sammeln und bessere Algorithmen entwickeln, kommen wir zum richtigen Baum “, sagt er. Das Vorhandensein widersprüchlicher Teile des Baums, die trotz des Datenflusses und der Verwendung einer neuen Art von Analyse fortbestehen, kann jedoch auf das Vorhandensein buschiger Teile hindeuten. "Ich denke, in einigen Fällen wird der Algorithmus in der Lage sein, diesen Konflikt zu lösen, und in anderen wird er die Konfliktbereiche markieren, die wir kaum jemals lösen können."

Die Untersuchung dieser buschigen Teile des Baumes kann einen neuen Blick auf besonders interessante Entwicklungsstadien werfen, zum Beispiel auf die kambrische Explosion, in der das Leben vom Übergewicht einfacher Organismen zu einer Vielfalt von Tierarten übergegangen ist.

Andere Wissenschaftler sind sich einig, dass Entdeckungen Einfluss darauf haben können, wie Spezialisten mit widersprüchlichen Vorstellungen über Evolution umgehen. "Ich denke, dies ist ein Vorläufer eines Paradigmenwechsels", sagte Townsend. "Wenn wir geeignete Methoden anwenden, haben wir die Möglichkeit, mehr über die Probleme zu erfahren, die uns lange gequält haben."

Townsend entwickelte seine eigene Methode zur Auswahl der aussagekräftigsten Gene, basierend auf der Geschwindigkeit ihrer Evolutionstellt fest, dass nicht alle Mitglieder der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Notwendigkeit neuer Ansätze zustimmen. "Ich hoffe, diese Arbeit wird dazu beitragen, dieses Problem in den Vordergrund zu rücken", sagte er.

Die Auswahl der richtigen Anzahl von Genen für den Bau von Prototypen phylogenetischer Bäume ist nicht das einzige Problem, das Evolutionsbiologen quält. Sie müssen sich auch darauf einigen, wie viele Arten in die Verarbeitung einbezogen werden sollen - je mehr Arten im Baum vorhanden sind, desto schwieriger gestaltet sich die Analyse. Die Ergebnisse können auch aufgrund von Unterschieden in der Qualität der für verschiedene Arten gesammelten Daten abweichen. „Wenn wir eine wahre Evolutionsgeschichte darüber erhalten möchten, wie alles miteinander verbunden ist, was ist dann besser dafür - mehr Gene oder mehr Arten zu sammeln? - sagt Donogue. "Ich denke beides."

Neue Ansätze, die es Forschern ermöglichen, mit weniger Genen genaue Ergebnisse zu erzielen, können die Ausdehnung eines Evolutionsbaums ermöglichen. Die Möglichkeit, nur die aussagekräftigsten Gene auszuwählen, kann den Prozess effizienter gestalten und es Wissenschaftlern ermöglichen, genaue Bäume mit weniger Daten und Ressourcen zu erstellen. „Wenn wir mehrere Gene auswählen und den gleichen guten Baum wie das gesamte Genom erhalten könnten“, sagt Hilu, „könnten wir einen viel detaillierteren Lebensbaum auf der Ebene der Gattungen oder sogar auf der Ebene der Arten erstellen, anstatt zufrieden zu sein Skelett der wichtigsten Ableger. "