[Consta]

Популярно о развитии классификации живого

Эволюционное древо (полный текст)

p.s. Ясно одно: живая природа оказывается гораздо более сложной и интересной, чем считалось, и впереди у биологов всего мира много увлекательной работы...

Великий шведский биолог Карл Линней разделил весь природный мир на три царства: минералы, растений и животных; отношения между отдельными видами он не учитывал. Столетие спустя Дарвин опубликовал «Происхождение видов», и картина начала усложняться. Наконец, в 1969 г. в журнале Science вышла статья эколога Роберта Уиттекера, и его концепция царств живой природы на полвека стала канонической: простейшие прокариоты, затем одноклеточные эукариоты, а надо всем этим царства растений, грибов и животных. Но теперь генетические исследования поставили ее под сомнение.




Древо жизни из записной книжки Ч.Дарвина

От Линнея до Уиттекера

Как известно, основу современной систематики живых существ заложил великий шведский биолог Карл Линней. В своем эпохальном труде «Система Природы» (Systema Naturae, 1735) он разделил весь природный мир на три царства: минералы, растений и животных. Отношения между отдельными видами — то, как они происходили друг от друга, конкурировали, появлялись и исчезали — при этом не брались в расчет: Линней хотел всего лишь создать упорядоченную классификацию «божьих творений». До выхода «Происхождения видов» Дарвина оставалось еще 124 года.

После торжества дарвиновской теории и по мере того, как накапливались все новые знания о живых существах, картина начала усложнятся. Стало ясно, что грибы стоят особняком от животных и растений. Кроме того, были изучены одноклеточные животные — как имеющие в своих клетках ядро (эукариоты), так и лишенные его (прокариоты). Всем им тоже нужно было найти места на эволюционном древе.

В результате, в 1969 г. эколог Роберт Уиттекер (Robert Whittaker), обобщив и несколько упростив собранные своими предшественниками данные, предложил в своей статье в журнале Science новую концепцию царств живой природы (камни биологов, естественно, уже не интересовали):



Как мы видим, на схеме Уиттекера основание «ствола» эволюционного древа представляют собой простейшие прокариоты (Monera), верхушку — царство одноклеточных эукариот (Protista), а венчают всю конструкцию три мощных ветви — царства растений (Plantae), грибов (Fungi) и животных (Animalia). Именно эта схема стала канонической на многие десятилетия и вошла в учебники, по которым учились мы с вами.

Экология и генетика

Схема Уиттекера не случайно снискала такое широкое признание — она проста, удобна и, как тогда казалось, хорошо согласуется с фундаментальными принципами существования живой материи.

Например, с точки зрения экологии (мы не зря упомянули, что Уиттекер был экологом) все живые существа по типу питания делятся на три типа. Растения-продуценты занимаются тем, что продуцируют, то есть создают биомассу с помощью фотосинтеза, вдыхая на солнечном свету углекислый газ и выделяя кислород. Животные-консументы не создают, а только потребляют эту созданную растениями биомассу. Причем собственно траву едят только консументы 1-го порядка (травоядные), консументы 2-го порядка (хищники) едят консументов 1-го порядка, и так далее, выше по пищевой цепочке. Наконец, грибы — редуценты, они разлагают биомассу на более простые соединения, чтобы снова включить ее в круговорот. Простое эволюционное древо как раз и отражало историческое разделение живых существ в соответствии с этими тремя стратегиями.

Первые данные генетических исследований тоже, казалось бы, подтверждали правильность схемы Уиттекера. Сравнение вариаций одного гена, кодирующего одну из частей рибосомной РНК у разных живых существ давало схожую картину с тремя мощными ветвями — растениями, животными и грибами — наверху и одноклеточными внизу.

Но что-то пошло не так…

Однако затем картина стала резко усложнятся. Все началось с исследований одноклеточных паразитических животных — трихомонады (Trichomonas) и лямблий (Giardia). Эти существа не имеют собственных митохондрий — органелл-«энергетических станций» клетки, поэтому питаются за счет хозяина. Согласно господствующей теории возникновения митохондрий, они когда-то были самостоятельными одноклеточными существами, а потом наши одноклеточные же предки поглотили их и заставили работать на себя. Так может быть, подумали ученые, трихомонады и лямблии – это реликты тех давних, до-митохондриальных времен, когда упомянутого поглощения еще не произошло? Тогда их место в основании эволюционного древа полностью оправдано.

Однако генетический анализ показал другое. Оказалось, что некоторые митохондриальные гены присутствуют в клетках лямблий и трихомонад. Посмотрев внимательнее в электронные микроскопы, исследователи заметили там и рудименты самих митохондрий — крошечные редуцированные пузырьки, которые невозможно заметить, если не знаешь, что искать.

Итак, оказалось, что некоторые одноклеточные паразиты отнюдь не всегда были столь примитивными, а утратили некоторые свои важные черты в процессе эволюции. Уже одно это заставляло усомниться в верности схемы Уиттекера. Окончательный и сокрушительный удар по ней нанесли дальнейшие генетические исследования. Например, выяснилось, что первоначальный анализ по вариациям одного гена ошибочно поместил микроспоридий — еще одних одноклеточных паразитов — в основание эволюционного древа, в то время как они являются грибами, также утратившими ряд важных приспособлений в процессе эволюции.

Одним словом, выяснилось, что старое эволюционное древо «по Уиттекеру» ложно трактует родственные отношения между живыми существами, которые на проверку оказались гораздо более сложными.

Чтобы отразить современные уточненные представления об этом, биологи недавно «нарисовали» новое, более сложное эволюционное древо, в котором вместо царств главную роль играют супергруппы, а животные (включая людей) оказываются ближе к одноклеточным хоанофлагеллятам, чем к другим многоклеточным организмам. ...


мы узнали, что привычное и так, казалось бы, логично разветвленное дерево эволюции, которое мы все изучали в школе, благодаря современной генетике уже потеряло актуальность. На смену ему идет густой куст, где ветви объединены порой по контринтуитивным, на первый взгляд, основаниям. Например, представители бывших царств животных и грибов, а также ряд одноклеточных организмов объединены теперь в одной супергруппе «опистоконтов». Какая у людей интересная теперь компания, не правда ли?

От царств к супергруппам

Новая схема, построенная на основе актуальных генетических данных, была представлена в сентябре 2012 г. в журнале Journal of Eukaryotic Microbiology. Ее авторами выступили канадские биологи Сина Адл (Sina Adl) из университета Саскачевана, Аластер Симпсон (Alastair G. B. Simpson) из университета Далхаузи и свыше 20 их коллег из университетов различных стран мира, включая СПбГУ (его в списке авторов представлял Алексей Смирнов с кафедры зоологии беспозвоночных).

Одного взгляда на эту схему достаточно, чтобы понять: одна радикально отличается от устаревшего «древа» Уиттекера. Вместо трех мощных ветвей многоклеточных организмов — царств растений, животных и грибов — «растущих» из общего «ствола» одноклеточных, мы видим семь-восемь (их точное количество пока уточняется) ветвей поменьше, которые ученые назвали «супергруппами».

Такое название было выбрано не случайно. Во-первых, оно звучит нейтральнее, чем «царства», на которые биологи прошлого, как мы уже поняли, делили живых существ во многом по формальным, неглубоким признакам. («У Аластера аллергия на царства», — сказал об одном из главных авторов новой классификации его коллега по университету.) А, во-вторых, здесь есть одна общая черта с музыкальными «супергруппами», которые собирают рокеры калибра Пола Маккартни и Вячеслава Бутусова, из своих не менее мастеровитых коллег. А именно — пестрота состава.

Все смешалось…

В самом деле, например, в супергруппу опистоконтов (лат. Opisthokontа, что означает «заднежгутиковые») вошли в полном составе не только бывшие царства грибов и животных — то есть, в том числе, и мы с вами — но и некоторые одноклеточные организмы, например, паразит ихтиоспорея. Бывшее царство растений стало супергруппой архепластиды (Archaeplastida), вместе с красными и зелеными водорослями. Но при этом бурые водоросли ламинарии относятся у другой супергруппе страменопилы (Stramenopiles), в которую также входят одноклеточные диатомовые водоросли. Амеб выделили в специальную супергруппу Amoebozoa.

На первый взгляд все это выглядит как полная мешанина, однако именно таких ближайших родственников живым организмам подбирает не только исследование их ДНК, но и другие виды глубокого анализа, например, биохимические. Например, упомянутую выше супергруппу страменопилы объединяет пигмент хлорофилл C, который содержится в их хлоропластах, но не содержится в хлоропластах других растений. По-видимому, одноклеточный предок старменопил когда-то проглотил другое одноклеточное существо, получавшее энергию методом фотосинтеза именно с помощью этого пигмента и, вместо того, чтобы переварить его, поставил себе на службу. (В общем, произошла та же история, что и с митохондриями, о которых мы рассказывали в первой части статьи.)

От того же общего предка, по-видимому, происходят еще две супергруппы, которые на первый взгляд трудно заподозрить в родстве с страменопилами — имеющие разнообразную форму одноклеточные альвеоляты (Alveolates) и ризарии (Rhizaria). Вместе их объединяют в одну интегральную супергруппу SAR (т.е. Stramenopiles, Alveolates, Rhizaria). Интересно, что далеко не все из этих организмов вообще ведут растительный образ жизни. Так, к альвеолятам относятся, в частности, малярийные плазмодии, у которого, как показали новейшие исследования, тоже когда-то были хлоропласты! Почему эти одноклеточные организмы утратили их и вместо фотосинтеза занялись паразитизмом, став возбудителями тяжелой болезни — пока непонятно.



Что будет дальше?

Число и точный состав супергрупп пока не определены окончательно: для этого потребуется долгий труд множества научных коллективов, и привлечение новых методов анализа. В частности, разработанного недавно способ расшифровки ДНК организма по одной-единственной его клетке, который журнал Nature Methods в 2013 г. назвал «методом года». Он поможет исследовать геном одноклеточных организмов, включая бактерии, что до сих пор представляло большую трудность.

Построение и уточнение новой схемы эволюционного древа имеет огромное значение для науки. Ведь нередко ученые, исследуя свойства какого-либо вида, рода или другого таксона (систематической группы) живых организмов, экстраполируют их также и на его «родственников». А значит, точное понимание того, кто с кем на самом деле состоит в родстве очень важно.

К тому же, теперь, возможно, удастся пролить свет на некоторые общие вопросы, которые мучают ученых уже давно. Например, о расточительности полового размножения, когда потомство вынашивает только один из двух партнеров, что сразу снижает эффективность в два раза. В новом эволюционном древе одноклеточные организмы тесно перемешаны с многоклеточными, что, возможно, дает ключ к разгадке. Ведь у одноклеточных секс не всегда означает размножение, а размножение — секс. С одной стороны, два одноклеточных организма могут просто обменяться генами и разойтись, не породив никакого потомства. С другой, они могут размножаться и бесполым путем, когда одна клетка просто делится или почкуется.

Ясно одно: живая природа оказывается гораздо более сложной и интересной, чем считалось, и впереди у биологов всего мира много увлекательной работы. Будем надеяться, что усилия, прилагаемые, чтобы разобраться в том, «как оно все на самом деле устроено», доставит нам и академическое удовольствие, и практическую пользу.
...

В догонку -

Аккуратное древо эволюции оказалось густым кустом


Схема эволюции видов живых существ представляет собой скорее не дерево, где все ветки расходятся в строго разных направлениях, а куст, где они случайно переплетаются друг с другом. К такому выводу пришли генетики из университета Уппсалы (Швеция), ...