Drevo brez korenin

Tokratno znanstveno recenzijo posvečamo knjigi The Tangled Tree oziroma Prepleteno drevo avtorja Davida Quammena, ki je izšla pri založbi William Collins. Knjiga, katere glavna tema je sicer razvoj moderne biologije in taksonomije, ima kot osrednjo nit drevo življenja. 

Najpomembnejši zasuk v našem dojemanju drevesa življenja je povzročil Charlesa Darwin s svojo teorijo evolucije. Čeprav drevo nastopi zgolj na enem mestu kot na hitro skiciran diagram v njegovi knjigi O nastanku vrst, je podoba imela povsem drugačen pomen od preteklih, bolj razkošnih slik dreves. Drevo ni bilo več metafora, temveč upodobitev konkretnih odnosov, ki obstajajo med živimi bitji na Zemlji. Njegovo sporočilo je bilo jasno: vse življenje na Zemlji je med sabo sorodno in bolj ko se spuščamo po krošnji proti deblu in koreninam, manjše so razlike med predniki vrst.

Začetki klasifikacije vrst, ki se je začela že pred Darwinom, je potekala na podlagi morfologije – torej vidnih lastnosti organizmov. Čeprav ima morfološka analiza lahko nekatere očitne ter tudi manj očitne zagate – pomislimo le na plavuti, ki se pojavijo tako pri sesalcih kot tudi kostnicah in drugih organizmih – obstaja pri večini zadosti velikih organizmov dovolj anatomskih lastnosti, ki omogočajo zanesljivo klasifikacijo. Na kratko: iz anatomije je možno sklepati o sorodnosti.

Kako pa ločimo med sabo na primer bakterije? Po teoriji evolucije so današnje bakterije prav tako le končne veje preteklih organizmov, ki so se skozi milijarde let med sabo ločile v vrste. Kar pomeni, da bi v teoriji zmogli bakterije med sabo razvrstiti podobno kot na primer vrste živali. A tudi pod najzmogljivejšim mikroskopom je malo vidnih lastnosti, na podlagi katerih bi lahko bakterije ločili. Njihove oblike – koki, spirohete, paličice – se, kot danes vemo, pojavljajo med izredno nesorodnimi mikroorganizmi. Klasificirati bakterijske vrste glede na obliko bi bilo približno tako, kot če bi postavili zelje in človeka v isto vrsto.

Na tej točki stopi v ospredje glavna tema knjige The Tangled Tree, in sicer znanstveno področje molekularne filogenije. Njene temelje je mogoče najti v napredku tehnik molekularne biologije in biokemije, ki so se razvijale v prvi polovici dvajsetega stoletja, a za izvor lahko pokažemo na Francisa Cricka - znanstvenika, ki je leta 1953 pomagal razvozlati strukturo dednega materiala DNK. 

Crick je v svojemu članku leta 1959 zgolj namignil o možnosti klasifikacije proteinov - to je molekul v vseh celicah, ki opravljajo večino nalog - po sorodnosti, podobno kot klasificiramo vrste. Opazka sledi neposredno iz znanja o genskem kodu, v katerem je zapisan načrt za naše proteine. Če so namreč današnje vrste posledica evolucije življenja, je material, na kateremu je evolucija delovala, prav DNK. Majhne spremembe, ki privedejo do postopnega razvoja organizmov ter tvorbe novih vrst, se morajo vzpostaviti kot mutacije na našemu dednemu materialu. Bolj kot so si geni po svojemu nukleotidnemu zaporedju podobni, bolj sorodni sta si dve vrsti. 

Vpogled Francisa Cricka je resno vzel Carl Woese - protagonist knjige The Tangled Tree in verjetno najpomembnejši mikrobiolog brez Nobelove nagrade. Woese se je naloge klasifikacije vrst glede na nukleotidna zaporedja lotil v bakreni dobi moderne genomske analize. To je bilo v poznih 60-ih, več desetletij pred časom, ko smo bili zmožni razvozlati celotne genome.

Carl Woese se je naloge lotil s primerjanjem fragmentov ribosomov - celičnih strojev, na katerih nastajajo verige proteinov. Izbira molekule za analizo je bila posrečena - ribosome namreč zaradi njihove ključne vloge vsebujejo vsa živa bitja na Zemlji. Težko si predstavljamo življenje brez sinteze proteinov in najverjetneje so prednike današnjih ribosomov vsebovale celice že zelo zgodaj v nastanku življenja. Molekularna filogenija nam zato omogoča raziskovanje sorodnosti več milijard let v preteklost. 

A tukaj sta se zgodili dve nepričakovani odkritji. Prvo je Woesovo odkritje organizmov, ki se povsem ločijo od preostalega življenja na Zemlji - gre za mikroorganizme arheje. Razlika je tako velika, da ni zadostovala stvaritev novega kraljestva, temveč so raziskovalci in raziskovalke morali vpeljati novo, višjo taksonomsko enoto - domeno - za njihovo klasifikacijo. Danes delimo vse živo med domene arhej, bakterij.

Drugo odkritje, ki ga je do svojih poznih let zavračal celo Woese, je bila potrditev horizontalnega prenosa genov. Geni, kot se izkaže, ne potujejo le od staršev na potomce. Lahko potujejo tudi med različnimi organizmi, celo med kraljestvi in - ja - domenami. Kar pa znatno oteži klasično predstavo evolucije kot postopne modifikacije s selekcijo. Spremembe genomov se lahko zgodijo skokovito, nenadno, lahko dobijo povsem drugačno vlogo v novem organizmu ali pa ponudijo nepričakovano preživetveno sposobnost, kar lahko opazimo pri širjenju odpornosti na antibiotike med bakterijami. Horizontalni prenos genov pa ne poteka zgolj med bakterijami, temveč je pomembno zaznamoval evolucijo vsega življenja. 

Drevo življenja tako ni drevo z ločenimi vejami, temveč je prepleteno drevo, pri katerem so se skozi zgodovino evolucije nekatere veje združevale z drugimi in nato spet ločile. Knjiga The Tangled Tree se poda v razgrinjanje poti, ki jih je moderna znanost ubrala v luči napredka analize genomov ter nepričakovanih odkritij, do katerih nas je ta pripeljal. A hkrati ponuja več kot zgolj zgodovinsko obnovo biologije dvajsetega stoletja. Avtorju Davidu Quammenu uspe spretno povezati v širši kontekst razlaganja evolucije tehnične in ozko specifične probleme, s katerimi so se soočali znanstveniki ali znanstvenice. Poudarek, ki ga knjiga da razlagam znanstvenih metod ter njihovemu približanju laičnemu bralstvu, lahko zato le pohvalimo. 

Za zaključek vabimo poslušalke in poslušalke na dogodek v Vodnikovi domačiji ta četrtek, enaindvajsetega novembra ob devetnajsti uri. V pogovoru z biologom Petrom Trontljem vam bomo predstavili napredek v razumevanju evolucije ter znanstvene metode, ki se jih poslužujejo raziskovalci in raziskovalke genomov.