Størrelsen af ​​genomerne under evolutionen af ​​livet på Jorden steg i et accelereret tempo • Elena Naimark • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik, Videnskab i Rusland, Evolution, Matematik

Størrelsen af ​​genomerne under evolutionen af ​​livet på Jorden steg i et accelereret tempo.

Antallet af gener i majs er dobbelt så mange gener hos mennesker, og i en orm er det omtrent det samme som hos mennesker. Forskere kan endnu ikke forklare dette fænomen. Figur fra webstedet bio.fizteh.ru

Russiske forskere baseret på en gennemtænkt metode viste, at stigningen i genomets størrelse er forbundet med en stigning i organismers kompleksitet i løbet af evolutionen. Denne tilsyneladende åbenlyse konklusion har hidtil ikke givet statistisk bevis. Men som amerikanske specialister har vist, kan denne vækst ikke forklares ved hjælp af eksisterende populationsmodeller af gendrift og akkumulering af tilfældige mutationer.

Variationsgraden i genomets størrelse er enorm: det er næsten 7 størrelsesordener – fra intracellulære bakterier med genomer på 150-200 tusind basepar til nogle amoebas med 700 milliarder basepar. Det ser ud til, at stigningen i kompleksiteten af ​​genomet skal være forbundet med den morfologiske organisations kompleksitet. Bakterier er enkle – de mangler et simpelt genom, og for at klare udviklingen af ​​et komplekst dyr kræves et mere komplekst genetisk "program".

Men overraskende var det ikke muligt at bekræfte denne antagelse (se C-value enigma).Uanset om vi tager et stikprøvefrit udvalg af arter eller vælger individuelle fylogenetiske linjer, undlader vi statistisk at bekræfte forbindelsen mellem genomernes størrelse og organisationsniveauet. F.eks. Har cerealier i morfofysiologisk forstand en 20-foldig variation i genomstørrelsen. Samtidig er det menneskelige genom cirka 40 gange mindre end lungfiskens. Protopterus aethiopicus (se: Sammenligning af forskellige genomstørrelser).

Denne modsigelse kan løses på to måder. Den første er at bevise, at årsagerne til fraværet af en tilsyneladende åbenbar korrelation er kunstige, det vil sige, de er forbundet med metodologiske fejlberegninger. Den anden måde er at bevise, at der virkelig ikke er nogen sådan forbindelse, og at foreslå en anden meningsfuld grund til ændringer i genomets størrelse under evolutionen. I den nuværende videnskabelige litteratur er der to meddelelser, der hjælper med at forstå dette problem.

En af dem giver en ny metodologisk tilgang til vurdering af forholdet mellem genomstørrelse og organisations kompleksitet (eller niveau for evolutionær udvikling). Denne tilgang blev udviklet af en gruppe russiske specialister ledet af A. V. Markov fra Paleontological Institute (Moskva) og offentliggjort i Paleontological Journal.Andet, udgivet i PLoS Genetics, giver dig mulighed for at forstå, hvor langt forskerne har valgt den anden vej fremad.

Markov og hans kolleger viste en sammenhæng mellem organisationsniveauet og mindste størrelsen af ​​genomet af repræsentanter for dette niveau – men ikke for alle levende organismer som helhed, men kun for en enkelt evolutionær linje, der fører fra prokaryoter til pattedyr. På denne evolutionære linje manifesterede tendensen til en stigning i organismens kompleksitet (alligevel en generel evolutionær lov) sig tydeligst. Specificiteten af ​​denne undersøgelse er, at minimumsgenomet blev brugt som et mål for størrelsen af ​​et genom i en bestemt gruppe af organismer og ikke en rækkevidde, ikke gennemsnitlige værdier og ikke tilfældige arter. Samtidig blev intracellulære parasitter ikke overvejet, da de bruger værtsgener med magt og hoved, der sparer deres egne ressourcer. Det er det minimale genom i en stor gruppe af organismer, som kan bidrage til at estimere mængden af ​​nødvendige (ikke-overflødige) genetiske oplysninger, der sikrer eksistensen af ​​taxonrepræsentanter. Det er svært at få et mere præcist estimat, da der ikke findes nogen absolut pålidelige måder at skelne på virkelig unødvendige dele af DNA fra funktionelt vigtige (for eksempel,fra ikke-kodende sekvenser, der udfører regulatoriske funktioner).

Ud over minimumsgenomet for hvert evolutionært niveau blev også den omtrentlige tidspunkt for udseende af denne gruppe af organismer taget i betragtning (se tabel).

OrganisationsniveauMinimumsgenomet (millioner par nukleotider)Estimeret udseendestidspunkt (millioner år siden)Arter – ejeren af ​​det mindste genom (undtagen intracellulære parasitter)
1. Alt er i live1,34000Marine frie levende bakterier Pelagibacter ubiquebelastning HTCC1062
2. Eukaryoter9,22000Marsupial svampe Ashbya gossypii – Ejeren af ​​det mindste genom blandt frie levende eukaryoter
3. Dyr (Metazoa)19,61250nematode Pratylenchus coffeae
4. Akkord68,6575Appendicularia Oikopleura dioica, der er repræsentativ for undertypen af ​​akkordtypen Tunicata
5. hvirveldyr342540Ben fisk Tetraodon fluviatilis
6. Tetrapods931375frøen Limnodynastes ornatus
7. Amnioter951315fasan Phasianus colchicus
8. Pattedyr1695220bat Miniopterus schreibersi
9. Primater221565Monkey jumper Callicebus torquatus

Forskere har valgt funktioner (genomstørrelse afhængigt af tidspunktet for forekomsten), der passer bedst til disse data. Det viste sig, at denne afhængighed bedst beskriver den hyperexponentielle funktion, det vil sige krafteksponenten; lidt værre – eksponenten (se figur 1).

Fig. 1. Afhængigheden af ​​minimumsstørrelsen af ​​genomet på tidspunktet for udseendet af en gruppe af organismer. Abscisse akse forsinket udseendestidspunkt og ordinat – Minimumsstørrelsen af ​​genomet. Figur fra den diskuterede artikel i "Journal of Paleontology"

Hyper eksponentiel vækst tyder på, at genom forstørrelse er en selv-accelererende proces. Jo større genomet er, desto højere er væksten. Hvilke processer ligger til grund for denne autokatalyse? Ved hypotese, videnskabsmænd, en af ​​kilderne kan være større genom dannelse af nye gener og regulatoriske regioner ved duplikering og rekombination af eksisterende funktionelle steder. Et stort antal gener og giver mulighed for en større vifte af mulige rekombinationer i deres land, og denne funktion er naturligvis ikke en lige linje, og graden. Kompleksiteten i sig selv medfører en stigning i kompleksiteten.

De opnåede data gør os opmærksom på følgende forhold. Den mest dramatiske spring i at øge den mindste genom størrelse indspillet i slutningen af ​​Prækambrium og tidlig Paleozoic (600-540 millioner år siden), og den maksimale vækstrate på biodiversiteten, det vil sige, at kompleksiteten af ​​de højere hierarkiske niveauer af livet, blev nået langt senere – i slutningen af ​​Mesozoikum og Cenozoic (fra omkring 100 millioner år siden).Det er ikke udelukket, at genets vækst i nogen grad bidrager til væksten i biodiversiteten, hvilket giver yderligere frihedsgrader for genetiske kombinationer (selv om man skal huske på, at den eksplosive vækst i mangfoldigheden i den mesozoiske og cenozoiske primært skyldes relativt enkle dyr som bløddyr og insekter , og i mindre grad på grund af knogler, fugle og pattedyr). Denne uoverensstemmelse skal være af interesse for fremtidige forskere.

Således, hvis man gør en fornuftig tilgang til at vælge en række komplicerede former og estimere størrelsen af ​​genomerne, kan man ikke kun bekræfte sammenhængen mellem kompleksiteten af ​​organisationen og genomet, men også se egenskaberne ved den selvaccelererende proces. Dette er selvfølgelig den makroevolutionære skala af transformationer. På samme tid, inden for hvert taxon, kan genomsøgning måske ikke opdages, og selvom det måske slet ikke er. Således synes udviklingen af ​​fugle og prokaryoter at have været et fald, ikke en stigning i genomets størrelse.

I den anden artikel forsøgte amerikanske forskere fra Rice University (Houston) og University of California at Riverside at spore de mikroevolutionære processer, der regulerer genom vækst.I dette tilfælde blev ikke den "nødvendige" del af genomet analyseret, hvilket kan estimeres ca. med genomens minimumsstørrelse inden for en stor gruppe, men hele genomet, herunder dets "valgfrie" del, hvis størrelse kan variere meget, for eksempel på grund af reproduktion. egoistiske "mobile elementer og andre gentagne sekvenser. Det antages, at genomets størrelse skal være omvendt relateret til befolkningens størrelse. I store populationer på grund af probabilistiske processer skal svage skadelige mutationer effektivt elimineres ved udvælgelse. Det antages, at størstedelen af ​​duplikationer af gentagne DNA-regioner er blot lidt skadelige mutationer. Derfor skal udvælgelsen i store populationer holde genomet fra hævelse, og i små grupper vil derimod dårlige duplikationer og nye kopier af mobilelementer akkumuleres, hvilket øger genomets størrelse.

Denne model bør kontrolleres med stor omhu, da forskerne står over for uventede statistiske vanskeligheder. Afhængigt af forgreningen af ​​det fylogenetiske træ i prøven opnås forskellige resultater.Hvis filialerne er fylogenetisk fjerne og tætte, så opnås "gennemsnitstemperaturen på hospitalet": den blandede prøve viser angiveligt et direkte forhold, og hver enkelt gren kan karakteriseres ved et omvendt forhold. Derfor kan modeller af befolkningsprocesser (mikroevolutionære) kun kontrolleres under hensyntagen til indflydelsen af ​​den fylogenetiske nærhed af dyre- eller plantearter.

Fig. 2. Et sæt arter og et fylogenetisk træ for dem med skøn over størrelsen af ​​genomet, der anvendes af amerikanske forskere. Billede fra artiklen i diskussionPLoS Genetics

I fig. 2 en markant forøgelse af genomets størrelse under udvikling. Er befolkningsstørrelsen en førende faktor i denne stigning? Nej, det er ikke, forskerne konkluderede. De kunne ikke identificere en signifikant sammenhæng mellem befolkningens størrelse og de mest forskelligartede egenskaber ved genomerne: antallet af gener, størrelsen og antallet af introner, antallet af gentagelser af gener, det relative og det absolutte antal transposoner.

Således analyserer vi to undersøgelser, der udføres i modsatte ender af verden, at vi ikke kan (desværre!) Forstå kernen i de genomiske processer, der styrer væksten eller sammentrekningen af ​​genomerne i tide.Vi kan kun lave fænomenet – størrelsen af ​​væksten af ​​"nødvendighed" af genomet i nogle evolutionære linjer associeret med nogle ukendt måde med stigende kompleksitet morfo-fysiologiske organisation – og at tilkendegive sin hurtigt. Og på nogle spor af denne indviklede forskning kan vi allerede sætte et "dødpunkt" tegn for ikke at spilde tid og penge på ubrugelige ruter.

kilder:
1) Kenneth D. Whitney, Theodore Garland, Jr. Gik det genetiske drivaggregat øget i genomkompleksitet? // PLoS Genetics. 2010. 6 (8): e1001080. Doi: 10.1371 / journal.pgen.1001080.
2) A.V. Markov, V. A. Anisimov, A.V. Korotaev. Forholdet mellem genomets størrelse og kompleksitet af organismen i den evolutionære serie fra prokaryoter til pattedyr // Paleontologisk Journal. №4, 2010. Pp. 3-14. Fuldtekst – PDF, 207 Kb.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: