LUCA (zadnji univerzalni prednik): definicija, starost in pomen
Raziskujte LUCA: definicijo, starost (~3,9 milijarde let) in pomen za evolucijo — ključni vpogled v izvor in razvoj vsega življenja.
V evolucijski biologiji ima skupina organizmov skupni izvor, če imajo skupnega prednika. Teorija, da vsi živi organizmi na Zemlji izvirajo iz skupnega prednika, ima močno kvantitativno podporo s formalnimi testi in široko podporo iz primerjalne genomike ter filogenetike.
Charles Darwin je v delu O izvoru vrst predlagal idejo univerzalnega skupnega izvora z evolucijskim procesom in zapisal: "V tem pogledu, da je bilo življenje s svojimi različnimi močmi prvotno vdihnjeno v nekaj oblik ali v eno, je nekaj veličastnega." p490
Zadnji univerzalni skupni prednik (LUCA) je izraz za zadnjega skupnega prednika vseh trenutno živečih organizmov. LUCA ni nujno prva živa celica na Zemlji, ampak zadnja točka, iz katere so se neposredno razvejale linije, ki danes tvorijo bakterije, arheje in evkarionte. Po trenutnih ocenah naj bi se LUCA se pojavil v zgodnji zgodovini življenja – približno pred 3,5 do okoli 3,9 milijarde let – vendar so te ocene obremenjene z negotovostmi.
Kako vemo starost in značilnosti LUCA?
- Molekularni urniki in filogenetika: primerjalne analize genov in proteinov med današnjimi organizmi omogočajo ocenjevanje razvejanosti ter starosti skupnih prednikov. Te metode dajejo grobe starosti, ki jih je treba kalibrirati z geološkimi dokazi.
- Fosilni in geokemijski dokazi: najstarejši mikrofosili, stromatoliti in kemični podpisi bioloških procesov (npr. izotopske razlike ogljika) kažejo, da je bilo življenje že pred 3,5 milijarde let, kar postavlja zgornjo mejo za LUCA.
- Primerjalna genomika: s preučevanjem genov, ki jih imajo vse (ali skoraj vse) sodobne veje življenja, znanstveniki rekonstruirajo genetski nabor, za katerega menijo, da ga je imel LUCA.
Kaj je LUCA verjetno imel?
Na podlagi filogenetskih rekonstrukcij in primerjave genomov znanstveniki sklepajo, da je LUCA verjetno imel osnovne značilnosti, med drugim:
- mehanizme za prevajanje genetske informacije (ribosomi, transferni RNK, osnovni proteini translacije),
- genetski material (genetski kodeks, encime za replikacijo in popravljanje),
- osnovno celično presnovo, ki je verjetno vključevala centralne encime za pridobivanje energije in sintezo ključnih molekul (npr. nekatere poti iz istega jedra ogljikovih presnov),
- membrano strukturo ali neki način ločitve notranjega okolja od zunanjega (dokazi glede narave lipidov ostajajo predmet razprav),
- množico genov, ki so bistveni za celično življenje, kot so tisti za osnovno presnovo in translacijo.
Nejasnosti in odprta vprašanja
- LUCA ni začetnik življenja: LUCA je najnovejša skupna točka med sodobnimi linijami, kar pomeni, da so pred LUCA obstajali tudi drugačni, pogosto izgubljeni oziroma izumrli rodovi življenjskih oblik.
- Vpliv horizontalnega prenosa genov (HGT): zgodovina življenja, zlasti pri prokariotih, je močno prepletena s horizontalnim prenosom genov, kar otežuje jasno ponovno sestavljanje genomskega sestava LUCA kot enotne "stvaritve".
- Okolje in način življenja: potekajo razprave, ali je LUCA prilagojen na ekstremne okoliščine, npr. termofilno okolje ob hidrotermalnih izvirih, ali pa je bil mesofil (zmerne temperature). Različni podatki podpirajo različne hipoteze.
- Lipidna delitev med arhejami in bakterijami: razlika v sestavi membranskih lipidov med tema dvema domenama nakazuje, da je bila membrana LUCA morda drugačna od tistih, ki jih poznamo danes, ali da so se membrane neodvisno razvijale po ločitvi linij.
Pomen za biologijo in raziskave izvora življenja
Študij LUCA pomaga razumeti temeljne korake v razvoju življenja: kako so se razvili mehanizmi prevajanja in replikacije, kateri presnovni procesi so bili že zgodaj prisotni in kako so se organizmi prilagajali zgodnjim okoljskim razmeram. Rekonstrukcija LUCA prispeva k razvoju modelov o nastanku življenja, vodi k boljšemu razumevanju evolucijskih procesov in ima praktične učinke v biotehnologiji, sintetični biologiji ter iskanju življenja izven Zemlje.
Kljub hitremu razvoju genomike ostajajo rekonstrukcije LUCA modelne in deloma spekulativne: z vsako novo genomiko, odkritjem starih fosilov ali izboljšanimi filogenetskimi metodami se naše razumevanje LUCA izpopolnjuje in spreminja.
Zgodovina
V 40. letih 17. stoletja je Pierre-Louis Maupertuis prvič predlagal, da bi vsi organizmi lahko imeli skupnega prednika in da so se razlikovali zaradi naključnih variacij in boja za obstoj. Maupertuis je v delu Essai de Cosmologie zapisal:Ali ne bi mogli reči, da je v naključnih kombinacijah naravnih proizvodov, ki jih mora zaznamovati določeno razmerje primernosti in ki so sposobni preživeti, treba upoštevati, da je ta primernost prisotna pri vseh vrstah, ki trenutno obstajajo? Lahko bi rekli, da je naključje ustvarilo nešteto množico osebkov; majhno število se je izkazalo za zgrajeno tako, da so deli živali lahko zadovoljili njene potrebe; v drugem, neskončno večjem številu ni bilo ne primernosti ne reda: vsi ti slednji so propadli ... Vrste, ki jih vidimo danes, so le najmanjši del tistega, kar je ustvarila slepa usoda ...
Dokazi o univerzalnem skupnem poreklu
Skupna biokemija in genska koda
Vse znane oblike življenja temeljijo na isti temeljni biokemični organizaciji.
Genetske informacije so zakodirane v DNK in prepisane v RNK, nato jih ribosomi (zelo podobni) prevedejo v beljakovine, viri energije pa so ATP, NADH in drugi itd.
Med podobnostmi sta nosilec energije adenozin trifosfat (ATP) in dejstvo, da so vse aminokisline v beljakovinah levosučne (kiralnost).
Poleg tega je genska koda ("prevajalna tabela", po kateri se informacije DNK prevajajo v beljakovine) skoraj enaka pri vseh znanih oblikah življenja, od bakterij do človeka.
Univerzalnost te kode biologi na splošno obravnavajo kot dokončen dokaz v prid teoriji o univerzalnem skupnem poreklu. Tudi analiza majhnih razlik v genetski kodi je podprla univerzalni skupni izvor. Statistična primerjava različnih alternativnih hipotez je pokazala, da je univerzalni skupni izvor bistveno verjetnejši od modelov, ki vključujejo več izvorov.
Filogenetska drevesa
Drug pomemben dokaz je, da je mogoče sestaviti podrobna filogenetska drevesa (tj. "genealoška drevesa" vrst), ki prikazujejo predlagane delitve in skupne prednike vseh živih vrst. Leta 2010 je analiza razpoložljivih genetskih podatkov, ki jih je preslikala na filogenetska drevesa, dala "trdno kvantitativno podporo enotnosti življenja. ... zdaj je s formalnim testom zagotovljena trdna kvantitativna podpora enotnosti življenja.
Tradicionalno so ta drevesa gradili z morfološkimi metodami, kot so primerjalna anatomija, embriologija itd. V zadnjem času je bilo mogoče ta drevesa zgraditi tudi s pomočjo molekularnih podatkov, ki temeljijo na podobnostih in razlikah med genetskimi in beljakovinskimi zaporedji. Vse te metode dajejo v bistvu podobne rezultate. To, da se filogenetska drevesa, ki temeljijo na različnih vrstah informacij, med seboj ujemajo, je močan dokaz za temeljni skupni izvor.
Zadnji univerzalni prednik
Nekaj stvari je razvidnih iz LUA. Ni bila prva celica, ampak celica, katere potomci so preživeli po zelo zgodnjih fazah mikrobne evolucije. Na podlagi njihove prisotnosti v eubakterijah, arhejah in evkariontih je bilo v LUA prisotnih približno 325 beljakovin.Te aminokisline so bile verjetno prve vgrajene v beljakovine: alanin, asparagin, asparaginska kislina, glicin, histidin, izolevcin, serin, treonin in valin. Te aminokisline so bile najdene tudi v simulacijah iskrišč in analizi meteorita Murchison. Druge aminokisline, poznejši dodatki genskega zapisa, vključujejo več najbolj zapletenih aminokislin.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je evolucijska biologija?
O: Evolucijska biologija je študija o tem, kako so se živi organizmi razvijali skozi čas in kako so med seboj povezani.
V: Kaj je Charles Darwin predlagal v knjigi O izvoru vrst?
O: Charles Darwin je v delu O izvoru vrst predlagal teorijo o univerzalnem skupnem poreklu skozi evolucijski proces. Menil je, da vsi živi organizmi na Zemlji izhajajo iz skupnega prednika.
V: Kaj je zadnji univerzalni prednik (LUA)?
O: Zadnji univerzalni prednik (LUA), znan tudi kot zadnji univerzalni skupni prednik (LUCA), je zadnji skupni prednik vseh trenutno živečih organizmov. Pojavil naj bi se pred približno 3,9 milijarde let.
V: Kako evolucijska biologija podpira teorijo Charlesa Darwina?
O: Evolucijska biologija podpira teorijo Charlesa Darwina z dokazi, da so vsi živi organizmi na Zemlji potomci skupnega prednika in da je do tega procesa prišlo z evolucijskim procesom skozi čas. To močno podpira njegovo hipotezo.
V: Kaj pomeni, če ima skupina organizmov "skupno poreklo"?
O: Če ima skupina organizmov "skupni izvor", to pomeni, da so imeli v nekem obdobju svojega razvoja enega skupnega prednika. To pomeni, da so te vrste med seboj na nek način povezane in da lahko sledijo svojim prednikom iz enega izvornega organizma ali vrste.
V: Kako je Charles Darwin opisal svoj pogled na življenje?
O: Charles Darwin je svoj pogled na življenje opisal kot "veličasten": "V tem pogledu na življenje z njegovimi različnimi močmi, ki je bilo prvotno vdihnjeno v nekaj oblik ali v eno, je veličina.
Iskati