Letar efter ett släktträd för livet

Evolutionsbiologen Charles Darwins första släktträd, sammanställd 1837.

Det är inte svårt att göra ett släktträd: överst är morföräldrar, längst ner är barn med sina partner, och längst ner är barnbarn igen. Du kan också utöka den med gammelfar- och farfarsföräldrar. Med lite grävande i arkiven kan du till och med gå tillbaka till dina förfäder på 1600-talet.

Om du drev släktträdet mycket längre skulle du så småningom komma till den första människan, sedan till vår apaliknande förfader och slutligen även till den encelliga. Redan på artonhundratalet skissade biologen Charles Darwin upp ett släktträd av livet, bestående av flera rader. Idag försöker forskare utöka släktträdet till att omfatta allt liv på jorden. Men detta är ett riktigt mysterium. Hur gör man ett sådant genealogiskt träd av allt liv på jorden?

Livets genealogiska träd, som vetenskapsmän ritar det idag.

jämför DNA

En viktig pusselbit när man sammanställer ett släktträd är den genetiska informationen om levande varelser eller organismer. Varje varelse på jorden innehåller DNA, som bestämmer organismens utseende och dess vitala aktivitet. Ju mer släkt mellan två organismer, desto mer likt är deras DNA. Detta gäller även människor: ditt DNA är mer likt din mammas än din grannes.

Med hjälp av DNA och proteiner (livets byggstenar) tar forskarna reda på vilka organismer som är släkt med varandra. “Vi använder vissa fragment av DNA eller protein som finns i alla organismer, till exempel fragment som säkerställer korrekt celldelning”, säger Sumant Mutte, bioinformatiker vid Wageningen University. Cellerna i nästan alla organismer delar sig på samma sätt. Det eller de proteiner som spelar en roll i detta skrivs av biologer med bokstäver. De jämför sedan bokstäver från olika organismer för att hitta likheter och skillnader.

Bioinformatikforskare skriver proteiner (eller DNA) i bokstäver. De använder en dator för att koppla ihop dessa proteiner från olika organismer för att hitta likheter och skillnader.

Sumant Mutte, Wageningens universitet och forskning

Detta är jämförbart med meningsminskningsspelet i telefonsamtalsspelet, där deltagarna viskar meningen till nästa person. Under denna process görs misstag och de ackumuleras. Om du skapar flera “telefonlinjer”, som du kan se i exemplet till höger, kan följande förslag uppstå:

Spel “Ring” med två telefonlinjer.

Nicole van ‘t Wut Hofland för NEMO Kennislink via CC BY 2.0

  • Dagen var solig, så jag satte mig i gräset med min kompis.
  • Han hade ett soligt leende, så jag gick och grävde gräs med min flickvän.
  • Det var rörigt så jag satt på askan med min kompis.
  • Det var en taskig dag så jag satte mig i gräset med min kompis.
  • Dagen var solig, så jag gick och grävde gräs med min kompis.
  • Dagen var solig, så jag satt på terrassen med mina vänner.

Meningarna är lika, men alltid lite olika. Med ett litet ordbaserat pussel kan du ta reda på vilken mening som kom först och vilken som kom efter:

Under evolutionens gång förändras DNA-koden, eftersom orden i telefonsamtalsspelet förändras.

Nicole van ‘t Wut Hofland för NEMO Kennislink via CC BY 2.0

På samma sätt räknar forskare ut hur DNA-koden har förändrats i historien och bygger därmed ett livsträd. Som tur är behöver de inte lösa detta pussel för hand: datorer räknar ut exakt vilka bitar av DNA som är mer lika än andra.

DNA från nästan en halv miljon organismer har dechiffrerats. Forskare representerar denna DNA-kod med fyra bokstäver: A, C, T och G.

Hittills har DNA från nästan en halv miljon organismer dechiffrerats. Låter imponerande, men det betyder också att vi ännu inte känner till de flesta organismers DNA. “Lyckligtvis behöver vi inte känna till allt DNA för att ta reda på hur besläktade arter är”, säger Berend Snel, bioinformatiker vid University of Utrecht. “Ibland räcker det med lite.” Tänk på telefonsamtalsspelet: om du bara hade ord och derivator av “soligt” och “terrass”, skulle du också lösa pusslet.

Men hur är det med de organismer som vi inte känner till ett enda stycke DNA om? – Då måste vi gå tillbaka till externa funktioner, säger Snell. Forskare grupperar sedan arter som delar gemensamma egenskaper, såsom organismer med en kroppshåla, vingar eller skelett. “Ibland läser vi fortfarande små bitar av DNA inom dessa grupper för att ta reda på vad de verkligen är”, säger Snell.

Frankenstein

Proteiner, DNA, utseende; hur gör man ett gigantiskt släktträd av dessa olika delar? Det är just för att trädet är så stort som forskarna inte bygger allt på en gång och inte i en metod, utan i delar. “Det är faktiskt ett Frankenstein-träd”, säger Snell. En del av trädet skapades med hjälp av proteiner, varefter forskarna limmade på ett nytt fragment, som de löste med hjälp av DNA-koden. De utgjorde ytterligare en del av trädet enligt yttre tecken.

Vilken metod forskarna väljer beror inte bara på om DNA är tillgängligt, utan också på släktskap. En bakterie och en apa är så olika varandra att de bara delar små fragment av DNA. Dessutom är delarna också väldigt olika varandra. “Sedan jämför vi ett protein som de båda har, till exempel den tidigare nämnda viktiga byggstenen för celldelning,” säger Mutte. “De är mer lika än två bitar av DNA.” Om de fokuserar på en grupp apor blir det mycket mer likhet i DNA:t och de kommer att kunna fokusera mer på detaljerna. Därför jämför de mer olika DNA inom en sådan grupp.

Mer nätverk

Loppan är släkt med flugan och myggan men har inga vingar.

Och ändå är något fel med livets släktträd, och denna brist ligger till och med i själva namnet “träd”. Evolution brukar ses som en enkelriktad gata: från en förfader uppstår nya arter, som utvecklas vidare och bildar nya arter. Detta är inte helt sant. “Delar av DNA från en varelse hoppar ibland till en annan,” förklarar Snell. Detta förekommer både hos släktingar och hos organismer som inte är släkt. Faktum är att släktträdet är mer förvirrande än det ser ut på papper. Faktum är att vi borde döpa om släktträdet till “livets webb”.

Ett annat problem är att vissa fastigheter dök upp flera gånger och några försvann igen. Detta gör gruppering baserad på (yttre) egenskaper ännu svårare. Till exempel, fåglar, fladdermöss och insekter har vingar men delar inte en gemensam förfader. Vingar uppstod flera gånger i evolutionen oberoende av varandra. Det händer också vice versa: loppor är vinglösa, men fortfarande släkt med myggor och flugor; loppans förfader tappade sina vingar. Därför är det inte helt idealiskt att bara lita på egenskaperna. “Sådana egenskaper är binära: oavsett om de existerar eller inte, det finns inget mellan dem,” sade Mutte.

Det faktum att yttre egenskaper inte är idealiska för att sammanställa ett släktträd framgick också av Brittisk studie publicerad förra månaden I tidningen Kommunikationsbiologi. Forskarna jämförde två versioner av släktträdet för alla djur: en baserad på fysiska egenskaper och en annan baserad på genetisk information. Det senare blev mycket bättre.

De bästa grödorna och medicinerna

En förenklad version av livets släktträd. Utan ytterligare information är trädet bara en skiss av svarta linjer. Endast när forskare lägger till etiketter kan de extrahera från denna kunskap.

Så att rita livets träd är mycket jobb. Resultatet är många linjer. “Trädet i sig är ganska tråkigt”, säger Snell. “Men när man väl dekorerar den blir den glad – som en julgran.” När forskare lägger till information till alla dessa rader kan de extrahera kunskap från dem. De betecknar arter eller större grupper som insekter. Således upptäckte bioinformatikforskare nyligen eukaryoternas förfader, en stor grupp organismer som inkluderar människor, såväl som andra djur, växter och svampar. “Hur dessa eukaryoter ens uppstod har varit ett stort mysterium”, säger Snell. Nu vet de att förfäderna var enkla encelliga organismer som kallas Asgardian archaea. Det visste vi inte för tio år sedan.

Att känna till förfäder gör det också möjligt för forskare att optimera grödor. Till exempel levde växternas förfader i en varmare tid, då koncentrationen av CO2 låg ganska högt i luften och reglerade sin fotosyntes därefter. Dessa förhållanden liknar vad vi nu kommer att uppleva på grund av klimatförändringarna. Med ett släktträd av livet och genetisk information kom forskare på hur ett protein som är viktigt för fotosyntesen såg ut i denna förfader. De lägger till det till dagens grödor för att förbereda dem för framtiden.

Dessutom har livets släktträd lett till upptäckten av nya läkemedel som cancerläkemedlet Taxol. Biologen upptäckte ursprungligen detta ämne i en växt, men det har bara hittats på ett fåtal platser i världen. Med ett släktträd av livet har forskare upptäckt en vanligare kusin till denna växt, som har visat sig producera samma aktiva ingrediens. Detta gjorde det möjligt för dem att ta fram botemedlet mot cancer i stor skala. För närvarande tillverkas tyget syntetiskt.

Slutresultatet ännu inte sett

Presenteras av redaktörer

astronomi

Sol, hav och vetenskap

Biologi

Expedition till smältlandet

Humanitära vetenskaper

Klotter på fälten berättar fantastiska historier

Att sammanställa ett släktträd för livet är mycket svårare än att sammanställa ett släktträd på fyra eller fem generationer. De allmänna konturerna av livets träd är nu kända, men bara den stora mångfalden av mikroorganismer gör ytterligare förfining svår. Placera bara en biljon (miljon gånger en miljon) mikrober på rätt plats i evolutionen, för att inte tala om alla oupptäckta organismer. Så det slutliga resultatet är ännu inte synligt.

Pusslet blir dock mindre och mindre svårt tack vare allt billigare och snabbare sätt att läsa DNA, snabbt framskridande teknik och kraftfullare datorer. De sistnämnda är särskilt användbara, säger Snell. “Detta är jämförbart med schackdatorer, som också blir smartare. Våra program går också framåt, vilket möjliggör en mer exakt beräkning av släktträdet. Men även om datorn räknar ut, bestämmer forskarna vilka bitar av genetisk information de skickar vidare till datorn. I den meningen förblir den mestadels handgjord.”

Leave a Comment