stringtranslate.com

Древо жизни (биология)

Древо жизни или универсальное древо жизни — это метафора , концептуальная модель и исследовательский инструмент, используемый для изучения эволюции жизни и описания отношений между организмами, как живыми, так и вымершими, как описано в знаменитом отрывке из книги Чарльза Дарвина « О жизни». Происхождение видов (1859). [1]

Родство всех существ одного класса иногда изображалось большим деревом. Я считаю, что это сравнение во многом говорит правду.

-  Чарльз Дарвин [2]

Древовидные диаграммы возникли в средневековую эпоху для представления генеалогических связей . Филогенетические древовидные диаграммы в эволюционном смысле датируются серединой девятнадцатого века.

Термин «филогенез» для обозначения эволюционных взаимоотношений видов во времени был придуман Эрнстом Геккелем , который пошел дальше Дарвина в предложении филогенетической истории жизни. В современном использовании термин «дерево жизни» означает совокупность всеобъемлющих филогенетических баз данных, основанных на последнем универсальном общем предке жизни на Земле. Две общедоступные базы данных древа жизни — TimeTree для филогении и времени дивергенции и Open Tree of Life для филогении.

История

Ранняя естественная классификация

Раскладная палеонтологическая карта Эдварда Хичкока в его «Элементарной геологии» 1840 года.

Хотя древовидные диаграммы издавна использовались для организации знаний, а ветвящиеся диаграммы, известные как клавы («ключи»), были повсеместно распространены в естественной истории восемнадцатого века , похоже, что самой ранней древовидной диаграммой естественного порядка была «Arbre botanique» 1801 года. (Ботаническое дерево) французского школьного учителя и католического священника Огюстена Ожье . [3] [4] Тем не менее, хотя Ожье обсуждал свое дерево в четко генеалогических терминах, и хотя его дизайн явно имитировал визуальные условности современного генеалогического древа , его дерево не включало в себя какой-либо эволюционный или временной аспект. В соответствии со священническим призванием Ожье, Ботаническое Древо демонстрировало скорее совершенный порядок природы, установленный Богом в момент Творения. [5]

В 1809 году более известный соотечественник Ожье Жан-Батист Ламарк (1744–1829), который был знаком с «Ботаническим деревом» Ожье, [6] включил диаграмму ветвления видов животных в свою « Зоологическую философию» . [7] Однако, в отличие от Ожье, Ламарк не обсуждал свою диаграмму с точки зрения генеалогии или дерева, а вместо этого назвал ее таблицей ( «изображением»). [8] Ламарк верил в трансмутацию форм жизни, но не верил в общее происхождение; вместо этого он считал, что жизнь развивалась параллельными линиями (повторяющееся, спонтанное зарождение), продвигаясь от более простого к более сложному. [9]

В 1840 году американский геолог Эдвард Хичкок (1793–1864) опубликовал в своей «Элементарной геологии» первую древовидную палеонтологическую карту с двумя отдельными деревьями для растений и животных. Они увенчаны (графически) Пальмами и Человеком. [10]

Первое издание книги Роберта Чемберса « Остатки естественной истории творения» , опубликованное анонимно в 1844 году в Англии, содержало древовидную диаграмму в главе «Гипотеза развития растительного и животного царств». [11] На ней показана модель эмбриологического развития, в которой рыбы (F), рептилии (R) и птицы (B) представляют собой ветви пути, ведущего к млекопитающим (M). В тексте идея ветвящегося дерева предварительно применяется к истории жизни на Земле: «ветвление может быть». [12]

В 1858 году, за год до « Происхождения Дарвина» , палеонтолог Генрих Георг Бронн (1800–1862) опубликовал гипотетическое дерево, помеченное буквами. [13] Хотя Бронн и не был креационистом, он не предлагал механизм изменений. [14]

Дарвин

Чарльз Дарвин (1809–1882) использовал метафору «дерева жизни» для концептуализации своей теории эволюции. В книге «Происхождение видов» (1859 г.) он представил абстрактную диаграмму части большего древа времени для видов безымянного большого рода (см. рисунок). На горизонтальной базовой линии гипотетические виды этого рода обозначены буквами A – L и расположены неравномерно, чтобы указать, насколько они отличаются друг от друга, и расположены над пунктирными линиями под разными углами, что позволяет предположить, что они произошли от одного или нескольких общих предков. На вертикальной оси подразделения, обозначенные I – XIV, представляют тысячу поколений. От А расходящиеся линии демонстрируют ветвящееся происхождение, дающее новые разновидности, некоторые из которых вымерли, так что после десяти тысяч поколений потомки А стали отдельными новыми разновидностями или даже подвидами a 10 , f 10 и m 10 . Точно так же потомки I диверсифицировались и образовали новые разновидности w 10 и z 10 . Этот процесс экстраполируется на следующие четыре тысячи поколений, так что потомки A и I становятся четырнадцатью новыми видами, обозначенными от 14 до z 14 . В то время как F сохранялся на протяжении четырнадцати тысяч поколений относительно неизменным, виды B,C,D,E,G,H,K и L вымерли. По словам самого Дарвина: «Таким образом, небольшие различия, отличающие разновидности одного и того же вида, будут постепенно увеличиваться, пока не сравняются с большими различиями между видами одного и того же рода или даже разных родов». [15] Дерево Дарвина — это не дерево жизни, а скорее небольшая его часть, созданная для демонстрации принципа эволюции. Поскольку оно показывает взаимоотношения (филогенез) и время (поколения), это дерево времени. Напротив, Эрнст Геккель в 1866 году проиллюстрировал филогенетическое дерево (только с ветвлением), не масштабированное во времени, состоящее из реальных видов и высших таксонов. В своем резюме к разделу Дарвин изложил свою концепцию в терминах метафоры древа жизни:

Родство всех существ одного класса иногда изображалось большим деревом. Я считаю, что это сравнение во многом говорит правду. Зеленые и распускающиеся ветки могут представлять собой существующие виды; а те, которые производятся в течение каждого предыдущего года, могут представлять собой долгую последовательность вымерших видов. В каждый период роста все растущие ветки пытались разветвиться во все стороны, перекрыть и уничтожить окружающие их ветки и ветки точно так же, как виды и группы видов пытались одолеть другие виды в великой битве за жизнь. Ветви, разделенные на большие ветви, а они на все меньшие и меньшие ветви, сами когда-то, когда дерево было маленьким, были распускающимися ветвями; и эта связь бывших и нынешних почек разветвляющимися ветвями вполне может представлять собой классификацию всех вымерших и ныне живущих видов в группы, подчиненные группам. Из многих ветвей, которые цвели, когда дерево было простым кустом, только две или три теперь превратились в большие ветви, но выживают и несут все остальные ветви; так и среди видов, живших в давние геологические периоды, очень немногие сейчас имеют живых и видоизмененных потомков. С самого начала роста дерева многие ветви и ветки сгнили и опали; и эти утраченные ветви различной величины могут представлять собой целые отряды, семейства и роды, которые не имеют ныне живых представителей и которые известны нам только по тому, что они были найдены в ископаемом состоянии. Подобно тому, как мы видим то здесь, то там тонкую ветку, вырастающую из развилки дерева низко и которая по какой-то случайности оказалась любимой и все еще жива на ее вершине, так и мы иногда видим животное, подобное Ornithorhynchus или Lepidosiren , которое в в некоторой степени соединяет своим родством две большие ветви жизни и, по-видимому, была спасена от фатальной конкуренции, заселив защищенную станцию . Как почки в результате роста дают начало свежим почкам, а они, если они сильные, разветвляются и перекрывают со всех сторон множество более слабых ветвей, так и в поколении, я полагаю, так было и с великим Древом Жизни, которое наполняется своими мертвыми и сломанными ветвями. разветвляет земную кору и покрывает поверхность своими вечно ветвящимися и прекрасными разветвлениями.

—  Дарвин , 1859. [16]

Значение и важность использования Дарвином метафоры дерева жизни широко обсуждались учеными и учеными. Стивен Джей Гулд , например, утверждал, что Дарвин поместил знаменитый отрывок, процитированный выше, «в решающее место своего текста», где он знаменовал завершение его аргументов в пользу естественного отбора, иллюстрируя как взаимосвязь организмов по происхождению, так и их успехи и неудачи в истории жизни. [17] Дэвид Пенни писал, что Дарвин использовал дерево жизни не для описания отношений между группами организмов, а для того, чтобы предположить, что, как и в случае с ветвями живого дерева, линии видов конкурируют и вытесняют друг друга. [18] Петтер Хеллстрем утверждал, что Дарвин сознательно назвал свое дерево в честь библейского Древа Жизни , как описано в Бытии , тем самым связав свою теорию с религиозной традицией. [8]

Геккель

Эрнст Геккель (1834–1919) построил несколько деревьев жизни. Его первый набросок, сделанный в 1860-х годах, показывает Pithecanthropus alalus как предка Homo sapiens . [19] Его древо жизни 1866 года из «Generelle Morphologie der Organismen» показывает три царства: Plantae, Protista и Animalia. Это было описано как «самая ранняя модель биоразнообразия «древа жизни ». [20] Его «Родословная человека» 1879 года была опубликована в его книге 1879 года « Эволюция человека» . Он прослеживает все формы жизни до Монеры и помещает Человека (обозначенного « Меншен ») на вершину дерева. [21]

Разработки с 1990 года

Универсальное филогенетическое дерево в корневой форме, показывающее три домена (Woese, Kandler, Wheelis 1990, стр. 4578 [22] ).

В 1990 году Карл Везе , Отто Кандлер и Марк Уилис предложили новое «древо жизни», состоящее из трех линий происхождения, для которого они ввели термин « домен» как высший ранг классификации. Они предложили и формально определили термины «Бактерии» , «Археи» и «Эукарии» для трех сфер жизни. [22] Это было первое дерево, основанное на молекулярной филогенетике и эволюции микробов. [23] [24]

Модель дерева до сих пор считается применимой для эукариотических форм жизни. Деревья были предложены либо с четырьмя [25] [26], либо с двумя супергруппами. [27] Похоже, консенсуса пока нет; в обзорной статье 2009 года Роджер и Симпсон приходят к выводу, что «при нынешних темпах изменений в нашем понимании древа жизни эукариот нам следует действовать с осторожностью». [28]

В 2015 году была выпущена третья версия TimeTree с 2274 исследованиями и 50 632 видами, представленными в виде спирального древа жизни [29] , которую можно загрузить бесплатно.

В 2015 году был опубликован первый проект « Открытого древа жизни» , в котором информация из почти 500 ранее опубликованных деревьев была объединена в единую онлайн-базу данных, которую можно бесплатно просматривать и скачивать. [30] Другая база данных, TimeTree , помогает биологам оценить время филогении и дивергенции. [31]

В 2016 году было опубликовано новое древо жизни (неукорененное), обобщающее эволюцию всех известных форм жизни , иллюстрирующее новейшие генетические открытия о том, что ветви в основном состоят из бактерий. Новое исследование включило более тысячи недавно открытых бактерий и архей. [32] [33] [34]

В 2022 году была выпущена пятая версия TimeTree , включающая 4185 опубликованных исследований и 148 876 видов, представляющая самое большое древо жизни на основе фактических данных (не вмененных). [35]

Горизонтальный перенос генов и укоренение древа жизни

Прокариоты (два домена бактерий и архей ) и некоторые животные, такие как бделлоидные коловратки [36], свободно передают генетическую информацию между несвязанными организмами путем горизонтального переноса генов . Рекомбинация, потеря генов, дупликация и создание генов — это лишь некоторые из процессов, с помощью которых гены могут передаваться внутри и между видами бактерий и архей, вызывая вариации, не связанные с вертикальным переносом. [37] [38] [39] Появляются доказательства горизонтального переноса генов внутри прокариот на одно- и многоклеточном уровне, поэтому древо жизни не объясняет всей сложности ситуации у прокариот. [38] Это серьезная проблема для древа жизни, поскольку существует консенсус в отношении того, что эукариоты возникли в результате слияния бактерий и архей, а это означает, что древо жизни не полностью раздваивается и не должно быть представлено как таковое для этого важного узла. [40] Во-вторых, неукорененные филогенетические сети не являются настоящими эволюционными деревьями (или деревьями жизни), поскольку в них нет направленности, и поэтому древу жизни нужен корень. [41]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Минделл, ДП (3 января 2013 г.). «Древо жизни: метафора, модель и эвристический прием». Систематическая биология . 62 (3): 479–489. дои : 10.1093/sysbio/sys115 . ПМИД  23291311.
  2. ^ Дарвин, Чарльз (1859). «Четвертое: Естественный отбор или выживание наиболее приспособленных». О происхождении видов путем естественного отбора, или Сохранение избранных рас в борьбе за жизнь (Первое издание, Первая тысяча изд.). Лондон: Джон Мюррей. п. 129.
  3. ^ аб Хеллстрем, Петтер (2019). «Древа познания. Наука и форма генеалогии (докторская диссертация)». Уппсала: Acta Universitatis Upsalienses . Уппсала: Acta Universitatis Upsalienses.
  4. ^ Ожье, Огюстен (1801). Эссе новой классификации овощей: соответствует порядку, который природа предпочитает избегать в растительном мире; В результате вы получаете метод, который позволяет узнать о растениях и отношениях с природой. Лион: Bruyset Ainé et Comp.
  5. ^ Хелльстрем, Петтер; Жиль, Андре; Филипп, Марк (2017). «Жизнь и творчество Огюстена Ожье де Фаваса (1758–1825), автора «Arbre botanique» (1801)». Архивы естественной истории . 44 : 43–62. дои : 10.3366/anh.2017.0413.
  6. ^ Хелльстрем, Петтер; Жиль, Андре; Филипп, Марк (2017). «Ботаническое дерево Огюстена Ожье. Стенограммы и переводы двух неизвестных источников». Хантия . 16 :17–38.
  7. ^ Ламарк, Жан-Батист (1809). Зоологическая философия (на французском языке). Том. 2. Париж, Франция: Денту. п. 463.Доступно в: Библиотеке Линды Холл, Университет Миссури (Канзас-Сити, Миссури, США).
  8. ^ аб Хеллстрем, Петтер (2012). «Дарвин и Древо Жизни: Корни эволюционного Древа». Архивы естественной истории . 39 (2): 234–252. дои : 10.3366/anh.2012.0092.
  9. ^ Боулер, Питер Дж. (2003). Эволюция. История идеи (Третье изд.). Беркли: Издательство Калифорнийского университета. стр. 90–91. ISBN 978-0520236936.
  10. ^ Арчибальд, Дж. Дэвид (2009). «Додарвиновское произведение Эдварда Хичкока (1840 г.) «Древо жизни».". Журнал истории биологии . 42 (3): 561–592. CiteSeerX  10.1.1.688.7842 . doi : 10.1007/s10739-008-9163-y. PMID  20027787. S2CID  16634677.
  11. ^ Чемберс (1844), с. 212.
  12. ^ Чемберс, Роберт (1844). Остатки естественной истории творения. Лондон, Англия: Джон Черчилль. п. 191.
  13. ^ Бронн, HG (1858). Untersuchungen über die Entwicklungs-Gesetze der Organischen Welt während der Bildungs-Zeit unserer Erd-Oberfläche [ Исследования законов развития органического мира в период формирования поверхности нашей Земли ] (на немецком языке). Штутгарт, (Германия): Ф. Швейцербарт. стр. 481–482.
  14. ^ Арчибальд, Дж. Дэвид (2009). «Додарвиновское произведение Эдварда Хичкока (1840 г.) «Древо жизни».". Журнал истории биологии . 42 (3): 568. CiteSeerX  10.1.1.688.7842 . doi : 10.1007/s10739-008-9163-y. PMID  20027787. S2CID  16634677.
  15. ^ Дарвин (1859), стр. 116–130.
  16. ^ Дарвин 1859, стр. 129–130: Всеобщее достояниеОдно или несколько предыдущих предложений включают текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .
  17. ^ Гулд, Стивен Джей (1993). Восемь поросят . Лондон: Джонатан Кейп. ISBN 978-0-224-03716-7.п. 300
  18. ^ Пенни, Д. (2011). «Теория происхождения Дарвина с модификациями в сравнении с библейским древом жизни». ПЛОС Биология . 9 (7): e1001096. дои : 10.1371/journal.pbio.1001096 . ПМК 3130011 . ПМИД  21750664. 
  19. ^ Глибофф, Сандер (2014). «Восхождение, нисхождение и расхождение: Дарвин и Геккель на генеалогическом древе человека». Контурен . 6 : 103. дои :10.5399/uo/konturen.7.0.3523. hdl : 1794/24398 .
  20. ^ Хоссфельд, Уве; Левит, Георгий С. (30 ноября 2016 г.). «Древо жизни пустило корни 150 лет назад». Природа . 540 (7631): 38. дои : 10.1038/540038a . PMID  27905437. S2CID  414511.
  21. ^ Карр, Стивен М. (2005). «Древо жизни Геккеля». Мемориальный университет Ньюфаундленда . Проверено 27 июня 2022 г.
  22. ^ аб Вёзе, Карл Р .; Кандлер, Отто ; Уилис, Марк Л. (1990). «На пути к естественной системе организмов: предложение для доменов архей, бактерий и эукариев». ПНАС . 87 (12): 4576–4579. Бибкод : 1990PNAS...87.4576W. дои : 10.1073/pnas.87.12.4576 . ПМК 54159 . ПМИД  2112744. 
  23. ^ Сапп, Ян А. (2009). Новые основы эволюции: на древе жизни. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-199-73438-2.
  24. ^ Гарольд, Франклин М. (2014). В поисках клеточной истории: эволюция строительных блоков жизни. Чикаго, Лондон: Издательство Чикагского университета. п. 35. ISBN 978-0-226-17428-0.
  25. ^ Бурки, Фабьен; Шалчиан-Тебризи, Камран и Павловский, Январь (2008). «Филогеномика открывает новую «мегагруппу», включающую большинство фотосинтезирующих эукариот». Письма по биологии . 4 (4): 366–369. дои : 10.1098/rsbl.2008.0224. ПМК 2610160 . ПМИД  18522922. 
  26. ^ Аполлон: Древо жизни потеряло ветку
  27. ^ Ким, Э.; Грэм, Ле; Редфилд, Розмари Джин (2008). Редфилд (ред.). «Анализ EEF2 бросает вызов монофилии Archaeplastida и Chromalveolata». ПЛОС ОДИН . 3 (7): е2621. Бибкод : 2008PLoSO...3.2621K. дои : 10.1371/journal.pone.0002621 . ПМК 2440802 . ПМИД  18612431. 
  28. ^ Роджер, Эй Джей и Симпсон, AGB (2009). «Эволюция: возвращение к корню эукариотного дерева». Современная биология . 19 (4): Р165–7. дои : 10.1016/j.cub.2008.12.032 . PMID  19243692. S2CID  13172971.
  29. ^ аб Хеджес, С. Блэр; Марин, Джули; Сулески, Майкл; Пеймер, Мэдлин; Кумар, Судхир (апрель 2015 г.). «Древо жизни демонстрирует видообразование и разнообразие, подобные часам». Молекулярная биология и эволюция . 32 (4): 835–845. doi : 10.1093/molbev/msv037. ISSN  1537-1719. ПМЦ 4379413 . ПМИД  25739733. 
  30. ↑ Пенниси, Элизабет (21 сентября 2015 г.). «Первое всеобъемлющее древо жизни показывает, насколько вы связаны с миллионами видов». Наука . дои : 10.1126/science.aad4597 . Проверено 30 января 2023 г.
  31. ^ "Древо жизни жизни". Timetree.org . Проверено 27 июня 2022 г.
  32. ↑ Циммер, Карл (11 апреля 2016 г.). «Ученые раскрывают новое «Древо жизни»». Газета "Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 апреля 2016 г.
  33. ↑ Тейлор, Эшли П. (11 апреля 2016 г.). «Разветвление: исследователи создают новое древо жизни, в основном состоящее из загадочных бактерий». Ученый . Проверено 11 апреля 2016 г.
  34. ^ аб Хуг, Лаура А.; Бейкер, Бретт Дж.; Анантараман, Картик; Браун, Кристофер Т.; и другие. (11 апреля 2016 г.). «Новый взгляд на древо жизни». Природная микробиология . 1 (5). 16048. doi : 10.1038/nmicrobiol.2016.48 . ПМИД  27572647.
  35. ^ Кумар, Судхир; Сулески, Майкл; Крейг, Джек М; Каспрович, Адриенн Э; Сандерфорд, Максвелл; Ли, Майкл; Стечер, Глен; Хеджес, С. Блэр (3 августа 2022 г.). «TimeTree 5: Расширенный ресурс по времени дивергенции видов». Молекулярная биология и эволюция . 39 (8): msac174. doi : 10.1093/molbev/msac174. ISSN  0737-4038. ПМК 9400175 . ПМИД  35932227. 
  36. ↑ Уотсон, Трейси (15 ноября 2012 г.). «Бделлоиды, выживающие за счет заимствованной ДНК». Новости науки/AAAS.
  37. ^ Джайн, Р.; Ривера, MC; Лейк, Дж.А. (1999). «Горизонтальный перенос генов между геномами: гипотеза сложности». ПНАС . 96 (7): 3801–6. Бибкод : 1999PNAS...96.3801J. дои : 10.1073/pnas.96.7.3801 . ПМК 22375 . ПМИД  10097118. 
  38. ^ Аб Лоутон, Грэм (21 января 2009 г.). «Почему Дарвин ошибался насчет древа жизни». Новый журнал ученых . № 2692 . Проверено 12 февраля 2009 г.
  39. ^ Дулиттл, В. Форд (2000). «Искоренение древа жизни» (PDF) . Научный американец . 282 (6): 90–95. Бибкод : 2000SciAm.282b..90D. doi : 10.1038/scientificamerican0200-90. PMID  10710791. Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2006 года.
  40. ↑ Дулиттл, У. Форд (25 ноября 1997 г.). «Забава с генеалогией». Труды Национальной академии наук . 94 (24): 12751–12753. Бибкод : 1997PNAS...9412751D. дои : 10.1073/pnas.94.24.12751 . ISSN  0027-8424. ПМК 34172 . ПМИД  9398070. 
  41. ^ Ивабе, Н; Кума, К; Хасэгава, М; Осава, С; Мията, Т. (декабрь 1989 г.). «Эволюционные взаимоотношения архебактерий, эубактерий и эукариот, выведенные на основе филогенетических деревьев дуплицированных генов». Труды Национальной академии наук . 86 (23): 9355–9359. Бибкод : 1989PNAS...86.9355I. дои : 10.1073/pnas.86.23.9355 . ISSN  0027-8424. ПМК 298494 . ПМИД  2531898. 
  42. ^ Временное древо жизни. С. Блэр Хеджес, Судхир Кумар. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. 2009. ISBN 978-0-19-156015-6. ОСЛК  320914412.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )

дальнейшее чтение

Внешние ссылки