Pendekatan baru untuk membangun pohon kehidupan

Ketika ahli morfologi Inggris George Jackson Mywart [St. George Jackson Mivart] diterbitkan pada tahun 1865 salah satu pohon evolusi pertama, ia tidak memiliki bahan pendukung. Dia membangun pohon - peta bercabang berbagai spesies primata - menggunakan analisis rinci duri hewan. Pohon kedua, berdasarkan perbandingan anggota tubuh hewan, menunjukkan ikatan keluarga lainnya antara primata, menyoroti masalah biologi evolusi yang ada hingga saat ini.

Hampir 150 tahun kemudian, para ilmuwan memperoleh kumpulan data untuk membangun apa yang disebut pohon filogenetik , versi modern dari struktur yang dibuat oleh Mivart. Kemajuan teknologi decoding DNA dan bioinformatika memungkinkan Anda untuk membandingkan urutan ratusan gen, dan kadang-kadang seluruh genom, dari spesies yang berbeda, dan membuat pohon kehidupan dengan lebih detail daripada sebelumnya.


Pohon kehidupan historis dari tahun 1866 menggambarkan kerajaan tumbuhan, binatang dan bersel tunggal

Tetapi meskipun banyaknya data membantu menyelesaikan beberapa konflik yang muncul di berbagai bagian pohon evolusi, itu juga membawa kesulitan baru. Versi pohon kehidupan hari ini lebih seperti halaman Wikipedia yang kontroversial daripada buku yang diterbitkan - ada perdebatan tentang beberapa cabang. Sama seperti tulang belakang dan anggota badan yang menyebabkan munculnya peta yang bertentangan dari evolusi primata, para ilmuwan sekarang tahu bahwa gen yang berbeda dalam tubuh yang sama dapat menceritakan kisah yang berbeda.

Menurut sebuah studi baru, sebagian didasarkan pada studi ragi, gambar kontroversial yang diambil oleh gen individu bahkan lebih kontradiktif daripada yang diharapkan. "Dikatakan bahwa masing-masing dari 1.070 gen terlibat dalam beberapa jenis konflik," kata Michael Donoghue , seorang ahli biologi evolusi di Yale yang tidak terkait dengan penelitian ini. "Kami mencoba mencari tahu hubungan filogenetik 1,8 juta spesies, dan kami sendiri tidak dapat mengurutkan dua puluh jenis ragi," katanya.

Untuk menyelesaikan paradoks, para peneliti mengembangkan algoritma berdasarkan teori informasi untuk mengukur tingkat kepercayaan pada kebenaran bagian-bagian individu dari pohon. Mereka berharap bahwa pendekatan baru ini akan membantu memperjelas periode evolusi yang memiliki data yang paling menarik dan bermanfaat serta paling bertentangan - misalnya, ledakan Kambrium - diversifikasi cepat kehidupan hewan yang terjadi 540 juta tahun yang lalu.

"Secara historis, episode paling menarik terkait dengan area yang menarik perhatian dan menyebabkan kontroversi," seperti asal usul hewan, vertebrata, dan tanaman berbunga, kata Antonis Rokas , ahli biologi di Vanderbilt University, yang memimpin studi baru ini.

Berdasarkan hasil algoritma baru, para ilmuwan hanya dapat memilih gen yang paling informatif untuk membangun pohon filogenetik. Pendekatan semacam itu dapat membuat proses lebih akurat dan efisien. "Saya pikir itu akan membantu mempercepat rekonstruksi pohon kehidupan," kata Khidir Hilu, seorang ahli biologi di Institut Teknologi Virginia.

Batu bata kehidupan

Dasar pohon filogenetik dibuat melalui pengelompokan spesies berdasarkan tingkat kekerabatannya. Jika kita membandingkan DNA manusia, simpanse dan ikan, menjadi jelas bahwa manusia dan simpanse lebih dekat satu sama lain daripada dengan ikan.

Sekali waktu, para peneliti menggunakan satu atau lebih gen untuk membandingkan organisme. Tetapi dalam dekade terakhir telah terjadi ledakan data filogenetik, sangat cepat mengisi basis yang dibutuhkan untuk membuat pohon-pohon ini. Analisis tersebut mengisi beberapa bintik putih yang tersebar di pohon, tetapi perselisihan yang serius masih ada.

Misalnya, belum jelas siapa yang paling dekat dengan siput - moluska bivalvia atau moluska berkaki sekop , kata Rokas. Tidak diketahui persis bagaimana beberapa cabang hewan paling awal dari pohon, seperti ubur-ubur dan spons, saling berhubungan. Para ilmuwan dapat menunjukkan contoh pohon yang saling bertentangan muncul dalam jurnal ilmiah yang sama dengan perbedaan minggu, atau bahkan dalam masalah yang sama .

"Karena itu pertanyaannya: mengapa begitu sulit bagi kita untuk setuju?" - kata Rokas.



Rokas dan mahasiswa pascasarjana Leonidas Salichos mempelajari masalah ini dengan mengevaluasi gen secara individu , menggunakan gen yang paling berguna - membawa informasi paling banyak yang berkaitan dengan sejarah evolusi - untuk membangun versi pohon mereka.

Mereka mulai dengan 23 spesies ragi dan memilih 1.070 gen. Pertama-tama, mereka menciptakan pohon filogenetik dengan cara standar, gabungan. Untuk melakukan ini, semua sekuens dari spesies individu dikumpulkan bersama menjadi satu megagen, dan kemudian sekuens spesies individu dibandingkan dengan sekuens panjang ini, berdasarkan pada mana pohon dibuat yang paling menjelaskan perbedaan.

Pohon yang dihasilkan akurat dalam hal analisis statistik standar. Tetapi karena metode yang sama menyebabkan pepohonan penuh dengan pertentangan, Rokas dan Salichos memutuskan untuk mempelajari topik ini. Mereka membangun set pohon filogenetik untuk gen ragi individu, dan menerapkan algoritma yang dikembangkan menggunakan teori informasi untuk mencari area korespondensi terbesar antara pohon yang berbeda. Hasilnya, yang diterbitkan dalam jurnal Nature pada Mei , tidak terduga. Setiap gen yang dipelajari tampaknya menceritakan kisah evolusi yang sedikit berbeda.

“Hampir semua pohon yang dibangun untuk masing-masing gen saling berbenturan dengan pohon berdasarkan gabungan data,” kata Hilu. "Ini mengejutkan."

Mereka menyimpulkan bahwa jika beberapa gen mendukung arsitektur tertentu, maka itu harus akurat. Tetapi jika set gen yang berbeda sama-sama mendukung dua arsitektur yang berbeda, maka kemungkinan pencocokan mereka dengan kenyataan berkurang. Rokas dan Salichos menggunakan metode yang disebut bootstrap statistik untuk memilih gen yang paling informatif.

Bahkan, "jika Anda hanya mengambil gen dengan dukungan aktif, Anda akan mendapatkan pohon yang tepat," kata Donogue.

Pohon yang direvisi bertepatan dengan pohon yang dibangun di atas sumber alternatif informasi evolusi - perubahan skala besar pada segmen DNA yang ditransmisikan dari generasi ke generasi - yang membenarkan penelitian mereka.

Penemuan tidak terbatas pada ragi. Menerapkan analisis yang sama untuk bentuk kehidupan yang lebih besar dan lebih kompleks, termasuk data genetik vertebrata dan hewan, mereka menemukan konflik serius antara gen individu.

Beberapa peneliti perlu membiasakan diri dengan ide selektif mengecualikan data dari analisis. "Selama bertahun-tahun, masalah utama bagi orang yang mencoba memahami hubungan organisme adalah masalah mengumpulkan data yang cukup," kata Jeffrey Townsend , ahli biologi evolusi di Yale yang tidak terlibat dalam penelitian. “Masyarakat selalu diberitahu tentang perlunya kumpulan data, jadi tidak mengherankan jika mereka melakukan pendekatan dengan cara itu.”

Meskipun ahli biologi evolusi telah berjuang dengan masalah ini selama bertahun-tahun, studi baru ini telah menjadi upaya terbesar hingga saat ini untuk mempelajari tingkat konflik gen individu. “Orang akan memiliki dua reaksi: ada lebih banyak konflik daripada yang saya kira, dan kita perlu belajar bagaimana menganalisisnya dengan lebih baik,” kata Donague, yang ingin menggunakan metode baru dalam karyanya. Namun, ia juga menunjukkan kesulitan dalam mengkonfirmasi keakuratan pendekatan baru. Meskipun pohon yang direvisi bertepatan dengan apa yang dibangun berdasarkan informasi genetik alternatif, yang terakhir mungkin mengungkapkan ketidakkonsistenannya sendiri. "Saya tidak yakin kita tahu apa hubungan itu sebenarnya," katanya. "Dan jika kita tidak yakin dengan keadaan sebenarnya, kita tidak tahu apakah kita mendapatkan pohon yang tepat."

Mengubah gambar

Para peneliti perlu menerapkan teknik baru ini secara lebih luas untuk melihat bagaimana itu dapat mengubah konsep evolusi. Namun, Rokas dan Salichos telah menunjukkan bahwa paling sulit untuk merekonstruksi cabang pendek pohon, atau bagian "lebat" dari pohon itu, mewakili periode spesiasi cepat - terutama yang terletak lebih dekat ke pangkal pohon dan jauh dalam sejarah evolusi.

"Penelitian teoritis memprediksi perilaku ini, tetapi penelitian kami untuk pertama kalinya menunjukkan konfirmasi menggunakan data eksperimental," kata Rokas.

Rokas berpendapat bahwa penemuan baru akan mengubah cara peneliti menafsirkan bagian-bagian pohon yang tidak jelas. “Ahli biologi evolusi biasanya berasumsi bahwa jika pohon itu tidak memiliki detail yang diperlukan, maka itu salah. Dan karena itu, jika kita mengumpulkan lebih banyak data dan menyusun algoritma yang lebih baik, maka kita akan sampai pada pohon yang benar, ”katanya. Tetapi kehadiran bagian-bagian pohon yang saling bertentangan yang bertahan, meskipun aliran data dan penerapan jenis analisis baru, dapat menunjukkan adanya bagian yang lebat. "Saya pikir dalam beberapa kasus, algoritme akan dapat menyelesaikan konflik ini, dan dalam kasus lain mungkin untuk menandai area konflik yang tidak mungkin bisa kami selesaikan."

Studi tentang bagian-bagian pohon yang lebat ini dapat memberikan pandangan baru pada tahap evolusi yang sangat menarik, misalnya, ledakan Kambrium, ketika kehidupan beralih dari dominasi organisme sederhana menjadi sekumpulan spesies hewan yang beraneka ragam.

Sarjana lain setuju bahwa penemuan dapat memengaruhi cara para spesialis menangani ide-ide yang bertentangan tentang evolusi. "Saya pikir ini adalah pertanda pergeseran paradigma," kata Townsend. "Jika kita menggunakan metode yang sesuai, kita akan memiliki kesempatan untuk belajar lebih banyak tentang masalah yang telah lama mengganggu kita."

Townsend, yang mengembangkan metodenya sendiri dalam memilih gen yang paling informatif berdasarkan laju evolusinya , mencatat bahwa tidak semua anggota komunitas ilmiah sepakat tentang perlunya pendekatan baru. “Saya berharap pekerjaan ini membantu membawa masalah ini ke posisi terdepan,” katanya.

Memilih jumlah gen yang tepat untuk membangun prototipe pohon filogenetik bukan satu-satunya pertanyaan yang menjangkiti ahli biologi evolusi. Mereka juga perlu menyepakati berapa banyak spesies untuk dimasukkan dalam pemrosesan - semakin banyak spesies dalam pohon, semakin sulit analisisnya. Hasil juga dapat bervariasi karena perbedaan dalam kualitas data yang dikumpulkan untuk berbagai spesies. “Jika kita perlu mendapatkan sejarah evolusi sejati tentang bagaimana semuanya terhubung satu sama lain, lalu apa yang lebih baik untuk ini - untuk mengumpulkan lebih banyak gen atau lebih banyak spesies? - kata Donogue. "Aku pikir keduanya."

Pendekatan baru yang memungkinkan para peneliti untuk mendapatkan hasil yang akurat menggunakan lebih sedikit gen dapat memperluas pohon evolusi. Kemampuan untuk memilih hanya gen yang paling informatif dapat membuat proses lebih efisien, dan memungkinkan para ilmuwan untuk membuat pohon yang akurat menggunakan lebih sedikit data dan sumber daya. “Jika kita dapat memilih beberapa gen dan mendapatkan pohon yang sama baiknya dengan seluruh genom,” kata Khilu, “kita dapat membangun pohon kehidupan yang jauh lebih rinci - pada tingkat genera, atau bahkan pada tingkat spesies - alih-alih puas dengan kerangka cabang yang paling penting. "