Filogenia moleculară

Două organisme pot semăna la exterior fiindcă trăiesc în medii asemănătoare, fără să fie rude foarte apropiate. Pentru a afla înrudirea, biologii compară și informațiile din moleculele lor, mai ales din ADN. Genele sunt secvențe de ADN care se transmit între generații cu modificări. Dacă două linii de organisme au moștenit secvențe asemănătoare de la un strămoș comun, comparația poate oferi indicii despre istoria lor.

Rezultatul comparației poate fi desenat ca un arbore filogenetic. Ramurile lui sugerează care organisme au un strămoș comun mai recent. Dacă o ramură se desparte în două, nu înseamnă că unul dintre organismele actuale s-a transformat direct în celălalt.

Un arbore nu este o scară pe care organismele de azi urcă spre „perfecțiune”. Liniile actuale au evoluat separat, pornind de la strămoși comuni. Nici un singur fragment de ADN nu spune întotdeauna întreaga poveste: gene diferite pot avea istorii diferite. De aceea cercetătorii compară mai multe date și pot modifica arborele când apar dovezi noi. Filogenia moleculară completează observațiile despre forma și structura organismelor.

Analiza are patru etape: alegerea secvențelor omoloage (cu origine comună), alinierea lor, calcularea diferențelor și construirea arborelui. Gena pentru ARN ribozomal 16S la procariote și 18S la eucariote se folosește pe scară largă, deoarece este prezentă în toate organismele și are regiuni foarte conservate și regiuni variabile; pe baza ARNr, Carl Woese a separat Archaea de Bacteria. ADN-ul mitocondrial, moștenit pe linie maternă, servește la comparații între specii apropiate. Secvențele ADN ale omului și ale cimpanzeului diferă prin aproximativ 1–2% din nucleotidele comparabile.

Ceasul molecular. Dacă mutațiile se acumulează cu viteză aproximativ constantă, numărul de diferențe permite estimarea momentului separării a două linii. Distanța crește pe ambele linii, deci $t=d/(2r)$, unde $d$ este distanța, $r$ rata pe linie și $t$ timpul de la strămoșul comun. Pentru distanțe mari apar substituții repetate în același loc, care subestimează distanța reală, de aceea se aplică modele de corecție.

Alegerea secvențelor și a grupului extern. Se compară numai secvențe omoloage, nu secvențe asemănătoare prin întâmplare. Citocromul c, o proteină din lanțul respirator mitocondrial, are aceeași secvență de aminoacizi la om și la cimpanzeu și diferă la specii mai îndepărtate, deci poate fi folosit în comparații. Pentru a stabili sensul ramificării se adaugă un grup extern, o specie despărțită mai demult de toate celelalte; rădăcina arborelui se plasează pe ramura care duce spre ea. Dintre arborii posibili, metoda parsimoniei îl alege pe cel care cere cele mai puține schimbări de nucleotide.

Un arbore se citește după noduri: fiecare nod este strămoșul comun al ramurilor care pornesc din el, iar rotirea ramurilor în jurul unui nod nu schimbă relațiile. Transferul orizontal de gene la procariote poate face ca o genă să aibă o istorie diferită de a speciei.

Exemplu rezolvat 1. Un segment de 20 de nucleotide, aliniat la patru specii:

A: ATGCCTAGGCTTACGATCCA
B: ATGCCTAGGCTTACGATCGA
C: ATGCTTAGGCTAACGATCGA
D: ATGCTTAGACTAACCATCGT

1. Se numără pozițiile diferite: A–B 1, B–C 2, A–C 3, C–D 3, B–D 5, A–D 6.
2. Distanța $p$ este raportul dintre diferențe și lungime: A–B $=1/20=5\%$, B–C $=10\%$, A–C $=15\%$, C–D $=15\%$, B–D $=25\%$, A–D $=30\%$.
3. Cea mai mică distanță este A–B, deci A și B formează primul grup.
4. Distanța dintre grupul (A, B) și C este media $(15\%+10\%)/2=12,5\%$, mai mică decât față de D, deci C se alătură grupului.
5. D se alătură ultimul: media față de A, B, C este $(30\%+25\%+15\%)/3\approx 23,3\%$.
6. Arborele este $(((A,B),C),D)$: A și B au cel mai recent strămoș comun.

Exemplu rezolvat 2. Rata este 0,5% pe linie pe milion de ani (valoare didactică).

1. Pentru A și B: $t=5\%/(2\times 0,5\%)=5$ milioane de ani.
2. Pentru grupul (A, B) și C: $t=12,5\%/(2\times 0,5\%)=12,5$ milioane de ani.
3. Concluzie: C s-a separat de grupul (A, B) mai demult decât s-au separat A și B între ele; valorile în ani depind de rata de mutație aleasă.

Greșeli frecvente

• Greșit: Organismul aflat mai jos într-un arbore este mai puțin evoluat.
  Corect: Poziția grafică nu este o scară de valoare.
• Greșit: Dacă două secvențe seamănă, arborele este stabilit definitiv.
  Corect: Interpretarea cere secvențe comparabile, metode potrivite și alte dovezi.
• Greșit: Un arbore filogenetic arată că o specie actuală a dat naștere alteia.
  Corect: Nodurile sunt strămoși comuni; speciile actuale sunt vârfurile ramurilor.
• Greșit: Distanța genetică se transformă direct în timp, fără nicio ipoteză.
  Corect: Estimarea cere o rată de mutație calibrată, iar timpul este $t=d/(2r)$.

Înainte și după