Древо жизни (биология) - Tree of life (biology)

Для использования в других целях см. Древо жизни (значения).
А 2016 (метагеномный ) представление древа жизни с помощью рибосомальный белок последовательности[1]

В Дерево жизни или же универсальное древо жизни это метафора, модель и исследовательский инструмент, используемый для изучения эволюции жизни и описания взаимоотношений между организмами, как живыми, так и вымершими, как описано в знаменитом отрывке из Чарльз Дарвин с О происхождении видов (1859).[2]

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

— Чарльз Дарвин[3]

Древовидные диаграммы возникли в средневековая эпоха представлять генеалогические отношения. Филогенетическое дерево диаграммы в эволюционном смысле восходят к середине XIX века.

Период, термин филогения для эволюционных отношений видов во времени был придуман Эрнст Геккель, кто пошел дальше, чем Дарвин в предложении филогенный истории жизни. В современном обиходе Дерево жизни относится к составлению всеобъемлющих филогенетических баз данных, основанных на последний универсальный общий предок жизни на Земле. В Открытое Древо Жизни, впервые опубликованный в сентябре 2015 года, представляет собой проект по созданию такой базы данных для свободного публичного доступа.

Ранние деревья в естественной классификации

Раскладывающаяся палеонтологическая карта Эдварда Хичкока в «Элементарной геологии» (1840 г.)
Часть серии по
Эволюционная биология
Зяблики Дарвина, автор Gould.jpg

Хотя древовидные диаграммы уже давно используются для организации знаний, и хотя диаграммы разветвления известны как клавы («ключи») были вездесущи в восемнадцатом веке. естественная история, похоже, что самой ранней древовидной диаграммой естественного порядка была "Arbre botanique" (Ботаническое дерево) французского школьного учителя и католического священника. Огюстен Ожье,[4] впервые опубликовано в 1801 году.[5] Тем не менее, хотя Ожье обсуждал свое древо в отчетливо генеалогических терминах и хотя его дизайн явно имитировал визуальные условности современного генеалогического древа, его дерево не включало никаких эволюционных или временных аспектов. В соответствии со священническим призванием Ожье, ботаническое дерево скорее показывало совершенный порядок природы, установленный Богом в момент Творения.[6]

В 1809 году более известный соотечественник Ожье Жан-Батист Ламарк (1744–1829), знакомый с «Ботаническим деревом» Ожье,[7] включил диаграмму ветвления видов животных в свой Philosophie zoologique.[8] Однако, в отличие от Ожье, Ламарк не обсуждал свою схему с точки зрения генеалогии или дерева, а вместо этого назвал ее таблица ("стол").[9] Ламарк верил в трансмутацию форм жизни, но не верил в общее происхождение; вместо этого он полагал, что жизнь развивалась параллельными линиями, от более простых к более сложным.[10]

В 1840 году американский геолог Эдвард Хичкок (1793–1864) опубликовал первую древовидную палеонтологическую карту в своем Элементарная геология.[11] По вертикальной оси отложены палеонтологические периоды. Хичкок сделал отдельное дерево для растений (слева) и животных (справа). Внизу диаграммы растение и дерево животных не связаны. Более того, каждое дерево начинается с нескольких источников. Дерево Хичкока было более реалистичным, чем теоретическое дерево Дарвина 1859 года (см. Ниже), потому что Хичкок использовал настоящие имена в своих деревьях. Верно и то, что деревья Хичкока были ветвистыми деревьями. Однако они не были эволюционными деревьями, потому что Хичкок верил, что божество является агентом перемен. Это было важным отличием от Дарвина.

Первое издание Роберт Чемберс ' Остатки естественной истории творения, анонимно опубликованный в 1844 году в Англии, содержал древовидная диаграмма в главе «Гипотеза развития растительного и животного царства».[12] На нем показана модель эмбриологического развития, в которой рыбы (F), рептилии (R) и птицы (B) представляют собой ответвления от тропы, ведущей к млекопитающим (M). В тексте эта идея ветвящегося дерева экспериментально применяется к истории жизни на Земле: «может быть ветвление»,[13] но диаграмма ветвления не отображается снова специально для этой цели.[14] Тем не менее, образ ветвистого дерева мог легко вдохновить других использовать его в явном виде как представление истории жизни на Земле.

В 1858 году, за год до Дарвина Источник, палеонтолог Генрих Георг Бронн (1800–1862) опубликовал гипотетическое дерево, помеченное буквами.[15] Хотя Бронн не был креационистом, он не предложил механизма изменения.[16]

Теория

Дарвин

Образ дерева жизни, появившийся в Дарвин с О происхождении видов, 1859. Это была единственная иллюстрация в книге.

Чарльз Дарвин (1809–1882) использовал метафору «древа жизни» для концептуализации своей теории эволюции. В О происхождении видов (1859 г.) он представил абстрактную схему теоретического древа жизни для видов безымянной большой род (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 свидетельствует о том, что они расходились с одним или несколькими общими предками. На вертикальной оси деления, обозначенные I - XIV, представляют тысячу поколений. От A расходящиеся линии показывают ветвящееся происхождение, дающее новые разновидности, некоторые из которых вымерли, так что через десять тысяч поколений потомки A превратились в отдельные новые разновидности или даже подвиды a10, f10, И м10. Точно так же потомки I изменились, чтобы стать новыми разновидностями w10 и z10. Этот процесс экстраполируется на следующие четыре тысячи поколений, так что потомки A и меня становятся четырнадцатью новыми видами, обозначенными14 к z14. В то время как F существовал четырнадцать тысяч поколений относительно без изменений, 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 неуклонно увеличиваться, пока не станут равными более значительным различиям между видами одного и того же рода или даже разных родов».[17] Это ветвящийся паттерн без названий видов, в отличие от более линейного дерева, которое Эрнст Геккель построил много лет спустя (рисунок ниже), которое включает названия видов и показывает более линейное развитие от «низших» к «высшим» видам. В своем резюме к разделу Дарвин выразил свою концепцию в терминах метафоры дерева жизни:

Страница из записных книжек Дарвина около июля 1837 года, показывающая его первый набросок эволюционного древа со словами «Я думаю» вверху.

Сходство всех существ одного класса иногда изображалось большим деревом. Я считаю, что это сравнение во многом говорит правду. Зеленые и распускающиеся веточки могут представлять существующие виды; а те, что производятся в течение каждого предыдущего года, могут представлять собой длинную последовательность вымерших видов. В каждый период роста все растущие ветки пытались разветвляться во все стороны, перекрывать и уничтожать окружающие ветки и ветви, точно так же, как виды и группы видов пытались одолеть другие виды в великой битве за жизнь. Конечности разделились на большие ветви, а эти на меньшие и меньшие ветви сами были когда-то, когда дерево было маленьким, распускающимися ветками; и эта связь бывших и настоящих почек разветвленными ветвями вполне может представлять классификацию всех вымерших и ныне живущих видов на группы, подчиненные группам. Из множества веток, которые процветали, когда дерево было простым кустом, только две или три теперь выросли в большие ветви, но выжили и несут все другие ветви; поэтому среди видов, которые жили в давние геологические периоды, очень немногие теперь имеют живых и модифицированных потомков. От первого роста дерева многие ветви и ветви сгнили и отпали; и эти потерянные ветви различных размеров могут представлять те целые отряды, семейства и роды, у которых сейчас нет живых представителей и которые известны нам только по тому, что были найдены в ископаемом состоянии. Когда мы то тут, то там видим тонкую ветку, вырывающуюся из развилки на низком дереве, которая по какой-то случайности была одобрена и все еще жива на ее вершине, поэтому мы иногда видим такое животное, как Орниторинх или же Лепидосирен, который в некоторой малой степени связывает своим родством две большие ветви жизни и который, по-видимому, был спасен от роковой конкуренции, населяя охраняемая станция. Подобно тому, как почки в процессе роста дают новые почки, и они, если они сильны, разветвляются и покрывают со всех сторон более слабые ветви, так и я верю, что из поколения в поколение это было с великим Древом Жизни, которое наполняется своими мертвыми и сломанными. разветвляет земную кору и покрывает поверхность своими вечными ветвями и красивыми разветвлениями.

— Дарвин, 1859.[18]

Значение и важность использования Дарвином метафоры дерева жизни широко обсуждались учеными и учеными. Стивен Джей Гулд, например, утверждал, что Дарвин поместил процитированный выше знаменитый отрывок «в решающее место в своем тексте», где он обозначил завершение его аргумента в пользу естественного отбора, иллюстрируя как взаимосвязь организмов по происхождению, так и их успех, и провал в истории жизни.[19] Дэвид Пенни написал, что Дарвин использовал древо жизни не для описания взаимоотношений между группами организмов, а для предположения, что, как и в случае с ветвями живого дерева, родословные видов конкурируют и вытесняют друг друга.[20] Петтер Хеллстрём утверждал, что Дарвин сознательно назвал свое дерево в честь библейского Дерево жизни, как описано в Бытие, таким образом связав свою теорию с религиозной традицией.[21]

Геккель

  • Геккель с Stammbaum der Primaten (1860-е годы)

  • Древо жизни Геккеля в Generelle Morphologie der Organismen (1866)

  • Древо жизни глазами Геккеля в Эволюция человека (1879)

Эрнст Геккель (1834–1919) построил несколько деревьев жизни. Его первый набросок (1860-х годов) своего знаменитого древа жизни показывает "Pithecanthropus alalus"как предок Homo sapiens. Его древо жизни 1866 г. Generelle Morphologie der Organismen показывает три царства: Plantae, Protista и Animalia. Его «Родословная человека» 1879 г. была опубликована в Эволюция человека.

Современное использование

В 1990 г. Карл Вёзе, Отто Кандлер и Марк Уилис предложил «древо жизни», состоящее из трех линий спуска, для которого они ввели термин домен как высший ранг классификации. Они также предложили условия бактерии, археи и эукариота для трех доменов.[22]

Модель дерева по-прежнему считается действительной для эукариотический формы жизни. По состоянию на 2010 г., исследования самых ранних ветвей дерева эукариот предложили дерево с четырьмя[23][24] или две супергруппы.[25] Похоже, что консенсуса пока нет; в обзорной статье Роджер и Симпсон приходят к выводу, что «при нынешних темпах изменений в нашем понимании древа жизни эукариот мы должны действовать с осторожностью».[26]

В 2015 г. вышел первый проект Открытое Древо Жизни был опубликован, в котором информация из почти 500 ранее опубликованных деревьев была объединена в единую онлайн-базу данных, которую можно бесплатно просматривать и загружать.[27]

В 2016 году появилось новое древо жизни, обобщающее эволюция из всех известных формы жизни, был опубликован, иллюстрирующий последние генетический находки, что ветви в основном состоят из бактерии. Новое исследование включило более тысячи недавно открытых бактерии и археи.[28][29][30]

Горизонтальный перенос генов

Дальнейшая информация: Горизонтальный перенос генов

В прокариоты (две области бактерии и археи ) и некоторых животных, таких как бделлоидные коловратки[31] имеют возможность передавать генетическую информацию между неродственными организмами через горизонтальный перенос генов. Рекомбинация, потеря генов, дупликация и создание генов - это лишь некоторые из процессов, с помощью которых гены могут переноситься внутри и между бактериальными и архейными видами, вызывая вариации, не связанные с вертикальным переносом.[32][33][34] Появляются доказательства горизонтального переноса генов внутри прокариот на уровне одиночных и многоклеточных, поэтому дерево жизни не объясняет всей сложности ситуации в прокариотах.[33]

Дэвид Хиллис сюжет 2008 года о древе жизни, основанный на полностью геномы
БактерииАрхеиЭукариотAquifexThermotogaЦитофагаБактероидыBacteroides-CytophagaPlanctomycesЦианобактерииПротеобактерииСпирохетыГрамположительные бактерииЗеленые нитчатые бактерииPyrodicticumТермопротеусТермококк ЦелерМетанококкМетанобактерииMethanosarcinaГалофилыEntamoebaeСлизь плесеньЖивотноеГрибокРастениеИнфузорийЖгутикТрихомонадаМикроспоридииДипломонад
Спекулятивно укорененное дерево для рРНК гены, показывая три жизни домены Бактерии, Археи, и Эукариоты, и связывая три ветви живых организмов с LUCA (черный ствол внизу дерева), 2009 г.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Hug, Laura A .; Бейкер, Бретт Дж .; Анантараман, Картик; Браун, Кристофер Т .; Probst, Alexander J .; Кастель, Синди Дж .; Баттерфилд, Кристина Н .; Hernsdorf, Alex W .; Амано, Юки; Исэ, Котаро; Сузуки, Йохей; Дудек, Наташа; Relman, David A .; Finstad, Kari M .; Амундсон, Рональд; Томас, Брайан Ч .; Банфилд, Джиллиан Ф. (11 апреля 2016 г.). «Новый взгляд на древо жизни». Природная микробиология. 1 (5): 16048. Дои:10.1038 / nmicrobiol.2016.48. PMID  27572647.
  2. ^ Минделл Д. П. (3 января 2013 г.). «Древо жизни: метафора, модель и эвристический прием». Систематическая биология. 62 (3): 479–489. Дои:10.1093 / sysbio / sys115. PMID  23291311.
  3. ^ Дарвин, Чарльз (1859). «Четверка: естественный отбор; или выживание наиболее приспособленных». О происхождении видов посредством естественного отбора или о сохранении привилегированных рас в борьбе за жизнь (Первое издание, Первая тысяча изд.). Лондон: Джон Мюррей. п. 129. Получено 11 августа 2018.
  4. ^ Хеллстрём, Петтер (2019). Деревья познания. Наука и форма генеалогии (докторская диссертация). Упсала: Acta Universitatis Upsalienses.
  5. ^ Ожье, Огюстен (1801). Essai d'une Nouvelle Classification of Végétaux: соответствие лорду, что природа, пароит, suivi dans le règne végétal; d'ou résulte une méthode qui pipeline a la connoissance des plantes & de leurs rapports naturels. Лион: Bruyset Ainé et Comp.
  6. ^ Хеллстрём, Петтер, Андре Жиль и Марк Филипп (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.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  7. ^ Хеллстрём, Петтер, Андре Жиль и Марк Филипп (2017). "Ботаническое дерево Огюстена Ожье. Расшифровки и переводы двух неизвестных источников". Хунтия. 16: 17–38.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ Ламарк, Ж.-Б.-П.-А. (1809). Philosophie zoologique… (На французском). т. 2. Париж, Франция: Денту. п. 463. Доступны на: Библиотека Линды Холл, Университет Миссури (Канзас-Сити, Миссури, США)
  9. ^ Хеллстрём, Нильс Петтер (2012). «Дарвин и Древо Жизни: корни эволюционного древа». Архивы естественной истории. 39 (2): 234–252. Дои:10.3366 / anh.2012.0092. ISSN  0260-9541.
  10. ^ Питер Дж. Боулер (2003) «Эволюция. История идеи », издание третье, с.90-91.
  11. ^ Арчибальд, Дж. Дэвид (2009). "Додарвиновское" дерево жизни Эдварда Хичкока (1840) "'". Журнал истории биологии. 42 (3): 561–592. CiteSeerX  10.1.1.688.7842. Дои:10.1007 / s10739-008-9163-у. PMID  20027787. S2CID  16634677.
  12. ^ (Chambers, 1844), стр. 212.
  13. ^ (Chambers, 1844), стр. 191.
  14. ^ Чемберс, Роберт (1844). Остатки естественной истории творения. Лондон, Англия: Джон Черчилль.
  15. ^ Бронн, Х.Г. (1858). Untersuchungen über die Entwicklungs-Gesetze der Organischen Welt während der Bildungs-Zeit unserer Erd-Oberfläche [Исследования закономерностей развития органического мира в период формирования поверхности нашей Земли.] (на немецком). Штутгарт (Германия): F. Schweizerbart. С. 481–482.
  16. ^ Арчибальд, Дж. Дэвид (2009). "Додарвиновское" дерево жизни Эдварда Хичкока (1840) "'". Журнал истории биологии. 42 (3): 568. CiteSeerX  10.1.1.688.7842. Дои:10.1007 / s10739-008-9163-у. PMID  20027787. S2CID  16634677.
  17. ^ Дарвин 1859, стр.116–130
  18. ^ Дарвин 1859, стр.129–130
  19. ^ Гулд, Стивен Джей (1993). Восемь поросят. Лондон: Кейп Джонатан. ISBN  978-0-224-03716-7. п. 300
  20. ^ Пенни, Д. (2011). «Дарвиновская теория происхождения с модификациями в сравнении с библейским древом жизни». PLOS Биология. 9 (7): e1001096. Дои:10.1371 / journal.pbio.1001096. ЧВК  3130011. PMID  21750664.
  21. ^ Хеллстрём, Петтер (2012). «Дарвин и древо жизни: корни эволюционного дерева». Архивы естественной истории. 39 (2): 234–252. Дои:10.3366 / anh.2012.0092.
  22. ^ Вёзе, Карл Р.; Кандлер, О; Уилис, М. (1990). «На пути к естественной системе организмов: предложение по доменам архей, бактерий и эукариев». Proc Natl Acad Sci USA. 87 (12): 4576–9. Bibcode:1990PNAS ... 87,4576 Вт. Дои:10.1073 / pnas.87.12.4576. ЧВК  54159. PMID  2112744.
  23. ^ Бурки, Фабьен; Шалчиан-Тебризи, Камран и Павловски, Ян (2008), «Филогеномика открывает новую« мегагруппу », включающую большинство фотосинтезирующих эукариот», Письма о биологии, 4 (4): 366–369, Дои:10.1098 / рсбл.2008.0224, ЧВК  2610160, PMID  18522922
  24. ^ Аполлон: Древо жизни потеряло ветку
  25. ^ Kim, E .; Graham, L.E .; Редфилд, Розмари Жанна (2008), Редфилд, Розмари Джин (редактор), «Анализ EEF2 ставит под сомнение монофилию Archaeplastida и Chromalveolata», PLOS ONE, 3 (7): e2621, Bibcode:2008PLoSO ... 3,26 21 тыс., Дои:10.1371 / journal.pone.0002621, ЧВК  2440802, PMID  18612431
  26. ^ Роджер, А.Дж. И Симпсон, А. (2009), "Эволюция: новый взгляд на корень дерева эукариотов", Текущая биология, 19 (4): R165–7, Дои:10.1016 / j.cub.2008.12.032, PMID  19243692, S2CID  13172971
  27. ^ "Первое всеобъемлющее древо жизни показывает, как вы связаны с миллионами видов "
  28. ^ Циммер, Карл (11 апреля 2016 г.). "Ученые открыли новое" древо жизни "'". Нью-Йорк Таймс. Получено 11 апреля 2016.
  29. ^ Тейлор, Эшли П. (11 апреля 2016 г.). «Разветвление: исследователи создают новое древо жизни, в основном состоящее из загадочных бактерий». Ученый. Получено 11 апреля 2016.
  30. ^ Hug, Laura A .; Бейкер, Бретт Дж .; Анантараман, Картик; и другие. (11 апреля 2016 г.). «Новый взгляд на древо жизни». Природная микробиология. 1 (5): 16048. Дои:10.1038 / nmicrobiol.2016.48. PMID  27572647.открытый доступ
  31. ^ Уотсон, Трэйси (15 ноября 2012 г.). «Бделлоиды, выживающие благодаря заимствованной ДНК». Наука / Новости AAAS.
  32. ^ Jain R, Rivera MC, Lake JA (1999), "Горизонтальный перенос генов между геномами: гипотеза сложности", Proc Natl Acad Sci U S A, 96 (7): 3801–6, Bibcode:1999PNAS ... 96.3801J, Дои:10.1073 / пнас.96.7.3801, ЧВК  22375, PMID  10097118
  33. ^ а б Грэм Лоутон Почему Дарвин ошибался насчет дерева жизни Новый ученый Номер журнала 2692 от 21 января 2009 г. [1] По состоянию на февраль 2009 г.
  34. ^ Дулиттл, У. Форд (2000). «Искоренение древа жизни» (PDF). Scientific American. 282 (6): 90–95. Bibcode:2000SciAm.282b..90D. Дои:10.1038 / scientificamerican0200-90. PMID  10710791. Архивировано из оригинал (PDF) на 07.09.2006.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка