Molekulinio laikrodžio tikslumas evoliuciniuose tyrimuose? Biologiniu grupiu išsiskyrimo laikas.
159 views
Skip to first unread message
Andrej S
Apr 6, 2007, 6:17:43 AM4/6/07
to G-mokslai
Ar validi molekulinio laikrodžio paradigma (hipotezė)?
Dažnai galime matyti kad remiantis vien tiktai šiuolaikinių organizmų duomenimis sudaromos kladogramos, ir prie jų mazgų prirašomas išsiskyrimo laikas milijonais metų. Iš kur gaunami šie milijonai? Šio trumpo manifesto tikslas parodyti anksčiau minėtos metodologijos stiprų ribotumą.
Istorija:
Molekulinio laikrodžio paradigmos pradininkais galima skaityti Linusa Polinga (tikriausiai žymiausias JAV biochemikas) ir E. Cukerkandlą. Jie pateikė gražią idėja, kad jeigu mes sužinotumėme su kokiu greičių vyksta mutacijos, ir kaip greitai šie pakitimai yra užfiksuojami rūšies genofonde, palygintumėme atitinkamų tyriamų rūšių nukleotidų sekas ir apskaičiuotume tu sekų skirtumus, galėtumėme nustaty kada išsiskyrė jų bendras protėvis. Šių samprotavimų galimuma patvirtino japonų biochemiko Motoo Kimuros atlikti darbai skirti alelių naturaliosios atrankos tyrimams. Jis matematiškai įrodė kad naturalioji atranka negali veikti iškart daugelio požymių, ir tokiu būdu mutacijos už tuos požymius atsakinguose genuose fiksuojamos atsitiktinai (neutrali evoliucija).
Kontroversija:
Tačiau pradėjus atlikti skaičiavimus iškart atsirado neatitikimai tarp molekulinių ir paleontologinių divergencijos datų (ironiška yra tai, kad pradžioje molekulinis laikrodis vis dėl to buvo kalibruojamas pagal fosilinius duomenis). Kartais rodydavo senesnes datas, kartais jaunesnes, o kartais ir pataikydavo. Keletas pavyzdžių: dviejų krokodilų būrio atstovų Tomistoma ir Gavialis divergencijos laikas pagal ML yra 10 mln. metų, nors aiškiausi fosiliniai duomenys (FD) rodo kad gavialai ir tomistomidai egzistavo jau prieš 70 mln. metų (Christopher A. Brochu, Annual Review 2003); žmogaus ir šimpanzės išsiskyrimo laikas, ML - 4,1 mln. metų , FD - 5,6 (jau egzistavo stačiakojai tikri Australopitekai(!)), fragmentiniai duomenys rodo kad galbūt net 7-8 mln. metų (Ororinas) ir pan. - http://www.livescience.com/humanbiology/070223_chimp_split.html .
Problemos:
1 Kaip paaiškėjo, skirtingi genai rodo skirtingą divergencijos laiką. Tokių būdų iškyla dilema: ar naudoti daug genų ir gauti daug datų; ar norint gauti apybrėžą datą naudoti kelis genus? Be to, pasirodo kad ir tuose pačiuose genuose skirtingi lokusai kinta skirtingu greičiu (veikiausiai stipriau kontroliuojami natūraliosios atrankos). Iškyla klausymas: Ar tų pačių lokusų svarba nekinta vykstant evoliucijai? Taigi modeliniai genai arba jų fragmentai priimami "A priori".
2 Ar kitimo konstanta atskiram genui nustatyta laboratoriškai yra konstanta iš tikrųjų? Jūk mutacijų intensyvumas priklauso nuo daugelio faktorių: visų pirma nuo organizmo metabolizmo greičio, dauginimosi intensyvumo (generatyvinių ląstelių dalinimosį greičio), DNR reparacijos mechanizmų efektyvumo ir daug dar viso kito. Visi prieš tai išvardyti faktoriai evoliuciniuose laiko masteliuose yra kintamieji (keičiasi ir metabolizmas ir dauginimosi greitis ir gyvenimo trūkmė). Be to, kaip rodo išmirusių organizmų genčių gyvavimo intervalų tyrimai, laikui bėgant kinta ir rūšiadaros ir išmirimo greičiai (Sepkoski J. J., Philosophical Transactions of the Royal Society, 1998). Evoliucijos procesas yra labai netolygus: masiniai išmirimai ir masiniai atsiradimai pertraukia ilgus evoliucinės stazės laikotarpius.
Mokslinis metodas:
Kad hipoteze būtu priimta, reikia kad ją patvirtintu kuo daugiau nepriklausomų tyrimo linijų. Geologijoje, datuojant uolienas, naudojamas kuo platesnis tyrimų spektras, nes kaip rodo ilga tyrimų istorija, visi metodai turi savo spragas. Netgi toks super tikslus metodas kaip radiogeochronologinis datavimas pagal U/Pb santykį, tapo tikrai priimtinu tiktai po 50 metų po Rezerfordo išradimo.Tam turėjo būti sukauptos žinios apie mineralų atsiradimą, elgesį geologiniuose laiko masteliuose ir pan. Paprasčiausias elementų izotopų eksponentinis kitimas pagal sekančia priklausomybę beveik niekad nestebimas: t=(1/a)*ln((D/Mt)+1), kur t - skilimo laikas, a - skilimo konstanta, D - dukterinis izotopas, Mt -motininis izotopas. Dabar jau yra sukurti statistiniai paklaidų įvertinimo metodai, chronologinis metodas patikslėjo. Teorinių ir praktinių duomenų neatitikimui buvo iškeliamos įvairiausios hipotezes, nuo fizikinių konstantų nekonstantibilumo (mažai tikėtina) iki labiau patikimų, kad pvz. mineralai nėra chemiškai uždaros sistemos. Yra ir daugybė kitų geochronologinių metodų, puikią apžvalgą galima pasiskaityti A. Markovo straipsnyje - http://elementy.ru/lib/430055 .
Molekulinio laikrodžio atvėju, dauguma tiesiog naudojasi vienu duomenų šaltiniu nederinant su kitais (geochronologiniais pvz.). Taip sąžiningiem mokslininkams daryti negalima!
Galimas Sprendimas:
Gyvybė turi vieną istorija! Ir jos tikslus atkūrimas gali padėti suprasti evoliucija įvairiais lygmenimis (nuo molekulių iki biosferos), žinant įvykių seka bei tikslius kitimo tempus. Ir kad ją atkurti reikia visados tikslinti metodus. Molekulinio laikrodžio tikslinimui galima būtu panaudoti patikimus fosilinius duomenis kurie pagal M. Bentono terminiją vadinami "hard" minimum ir "soft" maximum taškais. "Hard minimum" - tai kai turint patikimus radinius, galima užtikrintai sakyti kad ta ar ana evoliucinė grupė atsirado "ne vėliau nei". "Soft maximum" galbūt labiau atitiktu realybė, bet tai jau būtų šiek tiek rizikinga. Žinant modelinių organizmų (Mus-Rat, Homo-Pan ir pan.) divergencijos laiką pagal fosilinius duomenis galima būtu jau perskaičiuoti mutavimo greitį tiriamuose genuose, tokiu būdu tai būtu duomenų interpoliacija, o ne gryniausia ekstrapoliacija žinant tiktai šiuolaikinių organizmų duomenis. Straipsnis yra laisvai prieinamas, jame pateiktos pagrindinių modelinių daugialąsčių divergencijos taškai - Paleontological Evidence to Date the Tree of Life. Molecular Biology and Evolution. 2006 (Jei ką prisegiau tą failą).
Dėl fosilinių duomenų patikimumo:
M. Foote ir J.J. Sepkoski (kiekybinės paleobiologijos specialistai) bendradarbiaujant su žinduolių specialistais, sukūrė matematini modelį kurio dėka galima įvertinti fosilinių duomenų reprezentatyvumą. Jie norėdami išspręsti žinduolių atsiradimo klausimo kontroversija (skirtumas tarp ML ir FD net 65 mln. m.(!)), apskaičiavo visus žinomus tuo laikmečio žinduolius (tarp jų nebuvo placentinių), ir visas žinomas atodangas iš įvairių to intervalo laikmečių. Tokiu būdu nustatė kad fosiliniai duomenų yra nuo 10 iki 100 kartu daugiau nei reiktu, kad užfiksuoti filogenetinį signalą.
Du populiarus straipsniai apie šį tyrimą:
http://magazine.uchicago.edu/0102/research/invest-reset.html
http://chronicle.uchicago.edu/990304/mammals.shtml
--
AS
Dažnai galime matyti kad remiantis vien tiktai šiuolaikinių organizmų duomenimis sudaromos kladogramos, ir prie jų mazgų prirašomas išsiskyrimo laikas milijonais metų. Iš kur gaunami šie milijonai? Šio trumpo manifesto tikslas parodyti anksčiau minėtos metodologijos stiprų ribotumą.
Istorija:
Molekulinio laikrodžio paradigmos pradininkais galima skaityti Linusa Polinga (tikriausiai žymiausias JAV biochemikas) ir E. Cukerkandlą. Jie pateikė gražią idėja, kad jeigu mes sužinotumėme su kokiu greičių vyksta mutacijos, ir kaip greitai šie pakitimai yra užfiksuojami rūšies genofonde, palygintumėme atitinkamų tyriamų rūšių nukleotidų sekas ir apskaičiuotume tu sekų skirtumus, galėtumėme nustaty kada išsiskyrė jų bendras protėvis. Šių samprotavimų galimuma patvirtino japonų biochemiko Motoo Kimuros atlikti darbai skirti alelių naturaliosios atrankos tyrimams. Jis matematiškai įrodė kad naturalioji atranka negali veikti iškart daugelio požymių, ir tokiu būdu mutacijos už tuos požymius atsakinguose genuose fiksuojamos atsitiktinai (neutrali evoliucija).
Kontroversija:
Tačiau pradėjus atlikti skaičiavimus iškart atsirado neatitikimai tarp molekulinių ir paleontologinių divergencijos datų (ironiška yra tai, kad pradžioje molekulinis laikrodis vis dėl to buvo kalibruojamas pagal fosilinius duomenis). Kartais rodydavo senesnes datas, kartais jaunesnes, o kartais ir pataikydavo. Keletas pavyzdžių: dviejų krokodilų būrio atstovų Tomistoma ir Gavialis divergencijos laikas pagal ML yra 10 mln. metų, nors aiškiausi fosiliniai duomenys (FD) rodo kad gavialai ir tomistomidai egzistavo jau prieš 70 mln. metų (Christopher A. Brochu, Annual Review 2003); žmogaus ir šimpanzės išsiskyrimo laikas, ML - 4,1 mln. metų , FD - 5,6 (jau egzistavo stačiakojai tikri Australopitekai(!)), fragmentiniai duomenys rodo kad galbūt net 7-8 mln. metų (Ororinas) ir pan. - http://www.livescience.com/humanbiology/070223_chimp_split.html .
Problemos:
1 Kaip paaiškėjo, skirtingi genai rodo skirtingą divergencijos laiką. Tokių būdų iškyla dilema: ar naudoti daug genų ir gauti daug datų; ar norint gauti apybrėžą datą naudoti kelis genus? Be to, pasirodo kad ir tuose pačiuose genuose skirtingi lokusai kinta skirtingu greičiu (veikiausiai stipriau kontroliuojami natūraliosios atrankos). Iškyla klausymas: Ar tų pačių lokusų svarba nekinta vykstant evoliucijai? Taigi modeliniai genai arba jų fragmentai priimami "A priori".
2 Ar kitimo konstanta atskiram genui nustatyta laboratoriškai yra konstanta iš tikrųjų? Jūk mutacijų intensyvumas priklauso nuo daugelio faktorių: visų pirma nuo organizmo metabolizmo greičio, dauginimosi intensyvumo (generatyvinių ląstelių dalinimosį greičio), DNR reparacijos mechanizmų efektyvumo ir daug dar viso kito. Visi prieš tai išvardyti faktoriai evoliuciniuose laiko masteliuose yra kintamieji (keičiasi ir metabolizmas ir dauginimosi greitis ir gyvenimo trūkmė). Be to, kaip rodo išmirusių organizmų genčių gyvavimo intervalų tyrimai, laikui bėgant kinta ir rūšiadaros ir išmirimo greičiai (Sepkoski J. J., Philosophical Transactions of the Royal Society, 1998). Evoliucijos procesas yra labai netolygus: masiniai išmirimai ir masiniai atsiradimai pertraukia ilgus evoliucinės stazės laikotarpius.
Mokslinis metodas:
Kad hipoteze būtu priimta, reikia kad ją patvirtintu kuo daugiau nepriklausomų tyrimo linijų. Geologijoje, datuojant uolienas, naudojamas kuo platesnis tyrimų spektras, nes kaip rodo ilga tyrimų istorija, visi metodai turi savo spragas. Netgi toks super tikslus metodas kaip radiogeochronologinis datavimas pagal U/Pb santykį, tapo tikrai priimtinu tiktai po 50 metų po Rezerfordo išradimo.Tam turėjo būti sukauptos žinios apie mineralų atsiradimą, elgesį geologiniuose laiko masteliuose ir pan. Paprasčiausias elementų izotopų eksponentinis kitimas pagal sekančia priklausomybę beveik niekad nestebimas: t=(1/a)*ln((D/Mt)+1), kur t - skilimo laikas, a - skilimo konstanta, D - dukterinis izotopas, Mt -motininis izotopas. Dabar jau yra sukurti statistiniai paklaidų įvertinimo metodai, chronologinis metodas patikslėjo. Teorinių ir praktinių duomenų neatitikimui buvo iškeliamos įvairiausios hipotezes, nuo fizikinių konstantų nekonstantibilumo (mažai tikėtina) iki labiau patikimų, kad pvz. mineralai nėra chemiškai uždaros sistemos. Yra ir daugybė kitų geochronologinių metodų, puikią apžvalgą galima pasiskaityti A. Markovo straipsnyje - http://elementy.ru/lib/430055 .
Molekulinio laikrodžio atvėju, dauguma tiesiog naudojasi vienu duomenų šaltiniu nederinant su kitais (geochronologiniais pvz.). Taip sąžiningiem mokslininkams daryti negalima!
Galimas Sprendimas:
Gyvybė turi vieną istorija! Ir jos tikslus atkūrimas gali padėti suprasti evoliucija įvairiais lygmenimis (nuo molekulių iki biosferos), žinant įvykių seka bei tikslius kitimo tempus. Ir kad ją atkurti reikia visados tikslinti metodus. Molekulinio laikrodžio tikslinimui galima būtu panaudoti patikimus fosilinius duomenis kurie pagal M. Bentono terminiją vadinami "hard" minimum ir "soft" maximum taškais. "Hard minimum" - tai kai turint patikimus radinius, galima užtikrintai sakyti kad ta ar ana evoliucinė grupė atsirado "ne vėliau nei". "Soft maximum" galbūt labiau atitiktu realybė, bet tai jau būtų šiek tiek rizikinga. Žinant modelinių organizmų (Mus-Rat, Homo-Pan ir pan.) divergencijos laiką pagal fosilinius duomenis galima būtu jau perskaičiuoti mutavimo greitį tiriamuose genuose, tokiu būdu tai būtu duomenų interpoliacija, o ne gryniausia ekstrapoliacija žinant tiktai šiuolaikinių organizmų duomenis. Straipsnis yra laisvai prieinamas, jame pateiktos pagrindinių modelinių daugialąsčių divergencijos taškai - Paleontological Evidence to Date the Tree of Life. Molecular Biology and Evolution. 2006 (Jei ką prisegiau tą failą).
Dėl fosilinių duomenų patikimumo:
M. Foote ir J.J. Sepkoski (kiekybinės paleobiologijos specialistai) bendradarbiaujant su žinduolių specialistais, sukūrė matematini modelį kurio dėka galima įvertinti fosilinių duomenų reprezentatyvumą. Jie norėdami išspręsti žinduolių atsiradimo klausimo kontroversija (skirtumas tarp ML ir FD net 65 mln. m.(!)), apskaičiavo visus žinomus tuo laikmečio žinduolius (tarp jų nebuvo placentinių), ir visas žinomas atodangas iš įvairių to intervalo laikmečių. Tokiu būdu nustatė kad fosiliniai duomenų yra nuo 10 iki 100 kartu daugiau nei reiktu, kad užfiksuoti filogenetinį signalą.
Du populiarus straipsniai apie šį tyrimą:
http://magazine.uchicago.edu/0102/research/invest-reset.html
http://chronicle.uchicago.edu/990304/mammals.shtml
--
AS
Reply all
Reply to author
Forward
0 new messages