Молекулярная кладистика и классическая морфология. Кто прав?

[savour]

У меня вопрос к Александру Владимировичу, но если кто еще ответит только буду рад. Вопрос вроде бы простой, но для меня до сих пор не очень ясный. Я кбн по экологии, генетика у нас в сибирском университете была, скажем так, на не очень приличном уровне. Ну, то есть, азы я знаю, но непосредственно методы генетических исследований не изучал, да и самих генетиков в глаза не видел, а специальную литературу читать не позволяет образование, голова начинает разбухать и в глазах двоиться

В общем виде я имею в виду сравнение последовательностей ДНК и выстраивание на основании кладограмм этих последовательностей систему таксономических связей, в которой, естественно, отсутствуют парафилетические группы и всё вроде как хорошо. Меня мало волнует, что такой анализ часто переворачивает с ног на голову всю Линнеевскую систематику (туда ей дорога), и у нас насекомые окажутся частью ракообразных, а птицы - ящеротазовыми динозаврами. Вопрос в другом. Энтомологи часто делают упор на то, что генетически даже родственные виды могут отличатся очень сильно, так, например, у комаров ярко выражен полиморфизм по хромосомным наборам, и это всё в пределах одного рода. А еще можно вспомнить явления полиплоидности у растений, политенные хромосомы, многократное умножение некодирующих (вродебы) участков и так далее. Геном, очевидно, не очень-то постоянная вещь. И если мы сиквенируем полный геном и сравним кладистически комара с тремя хромосомами и комара с 9 хромосомами, то, очевидно, получим гигантский разрыв, и два идентичных по морфологии комара могут оказаться дальше друг от друга, чем каждый из них от какого-нибудь, скажем, жука. В связи с этим:

Какие именно участки ДНК сиквенируются и сравниваются? Едины ли этим участки для разных групп живых организмов? Кто определяет эти участки? Кто определяет статистические методы построения клад? (из своих экологических исследований я четко усвоил, что статистика это такая, скажем, не очень объективная вещь, где результат всецело зависит от выбора индексов и перебирания нужных формул. )

В связи с этим, кажется, будто классическая морфология дает куда более точную картину, пусть даже она очевидно часто ошибается, когда имеет дело с конвергенцией у близких групп, например, и в целом значительно более субъективна (все знают, что чем больше систематик изучает таксон, тем сильнее он начинает его дробить).

[Питер]

1. Геном  вида  - вещь  вполне  себе  постоянная.
2. Сравнивают  разные  участки.  В  зависимости  от   возможностей    исследователя.  Идеальный  вариант  -  сравнение  полных  геномов,  к  чему  все  сейчас  и  идет.
3.  Методов  есть  много  и  разных.  В  них  есть    свои  сильные  и  слабые   стороны.  В  принципе   адекватный  метод  в  применении к   адекватным  первичным  данным  дает  вполне    себе     адекватные  результаты  -  но всегда  есть  возможность  нахимичить.   Так  же как  и в  статистике  -  науке весьма      адекватной,  если ее  правильно   применять.  А  если  сравнивать  по  Стьюденту      данные  по   трем    комарам в  выборке  А  с   данными  по  трем  комарам в  выборке  Б - то  намерять  можно   такого ... 

[savour]

Я говорил не про геном вида. Я говорил о сравнении групп и построении таксономической системы. В группе могут возникнуть значительные изменения генома, о которых я говорил: изменяется количество хромосом, длина цепочки ДНК и тп. А вида вообще не существует в природе, это научное допущение, имеющее свои критерии, это вообще другая степь.

Вот, например, говорят, что ДНК человека отличается от ДНК шимпанзе на 2%. Вот, допустим, случилась у яйцеклетки мутация - произошло множественное умножение некодирующего участка. Скажем, он скопировал сам себя 10000 раз. В результате, если мы сравним ДНК этого человека и ДНК другого человека, то получим расхождение в 3%. То есть, морфологически он будет обычный человек, а генетически дальше от нас, чем от шимпанзе. Ну это очень грубое допущение, но вопрос в целом так и стоит - где критерии? Меня интересует конкретная методика. Опять же, остро стоит вопрос голотипа. В морфологии всё предельно ясно - берешь голотип и прогоняешь по всем возможным признакам. В генетике чаще всего имеют дело с несколькими фрагментами нескольких экземпляров (заранее определенных до вида морфологически?). Короче, понятно, что ничего не понятно. И сравнение полных геномов ничего принципиально не меняет. Полных геномов кого? Каждый экземпляр будем секвенировать?

"2. Сравнивают  разные  участки.  В  зависимости  от   возможностей    исследователя."

Тогда получится, что у каждого исследователя, в зависимости от его возможностей, будет выходить собственная систематика. окей.

[Питер]

1.   Не  получим  -  просто  потому,  что  так  не  бывает.  Ну  не  бывает  амплификации   участка  в  10000  раз.
2.  "Берешь  голотип"    - с  полочки ?   Или его кто-то  определил ?  Как  раз с  геномом  проще  -   геномы  внутри    вида (да,  абстракция   -   но   пока  еще   все-таки  мы  работаем в   этой  парадигме  и  отличаем   виды  морфологически)   достаточно    консервативны   и всегда  можно  рассчитать   консенсусную  последовательность  для   вида.  И    оптимально  сравнивать  такие  консенсусы    для  разных видов.  Если  паче  чаяния  есть  только  одна    секвенированная  особь  -  тоже  не  страшно,    можно  сравнивать,  большой  ошибки  не  будет.
3.   Таки   да  -  зачастую    систематика    основанная  на  разных  генах  отличается.  Что связано с  разной   эволюцией  разных  генов  в  разных  линиях.  Почему   я  и  говорю  о  полных  геномах   -  где    эти  различия   будут  усреднены.  Так  же как  может  отличаться    систематика,  основанная  на   разном  наборе  морфологических  признаков.
4. Что вы  понимаете  под  группами ?

[savour]

Группы - таксоны. Виды. Множества. Не единичные экземпляры.

Я же сказал, что это грубое допущение. Ну хорошо, возьмем конкретные примеры. Посчитаем геном человека с синдромом Дауна или людей с полисомией. Геном - вообще не надежная вещь, не нужно это отрицать, если бы геном был постоянен не существовало бы ни какой эволюции. Грубо говоря, каждый экземпляр несет уникальные мутации и уникальные комбинации, так что адекватную среднюю мы получим только в том случае, если будем иметь на руках огромную кучу полных секвенированных геномов, к тому же, мы еще должны знать значение генов, чтобы исключить все эти повторы и груз мутаций на некодирующих участках. А где взять кучу геномов? Правильно, определить заранее морфологически кучу экземпляров. Тогда зачем вообще этот анализ нужен?? Тогда геномная систематика превращается в какую-то нерешаемую и бессмысленную сверхзадачу. Но, очевидно, публикуемые в настоящий момент исследования по генной кладистике базируются на небольших участках ДНК. Вот меня все таки интересует, что это за участки. В общем я понял, что они разные и для каждого исследователя свои. Но меня этот ответ не устраивает. Какой-то подход получается не особо научный.

{"Берешь  голотип"    - с  полочки ?} - именно с неё! голотип - сугубо субъективно отобранный экземпляр, выделенный специалистами за эталонный. Ну а как иначе? Если вид это абстракция. В генами несколько иначе, там вообще пропадает по сути смысл выделения видов, можно присваивать какие-нибудь коды и строить клады. И будет совершенно естественная, но абсолютно неюзабельная систематика.

Расскажите пожалуйста про "консенсусную последовательность". Где почитать по методикам определения этик "консенсусов"?  То есть, опять нужно договариваться?

Так все таки, как сравнивать два генома комаров (ДВА ВИДА!), если у одного 3 хромосомы, а у другого - 9? У одного 10 000 нуклеотидов, а у другого 30 000? А внешне - отличит только специалист. Только не говорите, что так не бывает. Бывает.

[Питер]

Возьмем  комаров.   100   штук  одного  вида. У всех   по    два  крылышка,    а  у  одного  пять.  Как   голотип  вы  возьмете    того     где  2  или  где 5  ? 
Также  и с  геномом. Вы  берете   обычную  для  вида       особь  -  не явное   отклонение  от  нормы (синдром  Дауна).  Если  следовать ваше  логике,  то  на фенотип вообще  опираться  нельзя  -  он еще  более  вариабелен   -  мало  того  что  геном вариабелен,  но
Насчет      вариабельности  геномов.  Да,  геном вариабелен.  Внутри  вида    Homo  sapiens  в  среднем  отличается  один  нуклеотид  на  300 п.н.  Да.  есть   огромное  количество  редких  вариантов.   Но   это  не   влияет    на   результаты  сравнения  генома  особей   вида  Homo  с  геномом   приматов -  так  как  отличия   между  видами     выше  внутривидовых.
Когда  я  говорю  про  участки  - есть  несколько     признанных всеми  участков   для  построения  клад.  Например, 16S    рибосомальная  РНК.  Например,  гены  субъединиц  митохондриальных  белков.
Про  консенсусы.  Договариваться  не  нужно.  Нужно  отсеквенировать     один  и  тот  же  фрагмент  ДНК   у     нескольких  особей  вида  -  и  получите  консенсус  первичной  структуры  ДНК   вида.
Другой  пример  -   есть  промотор    гена.   Отсеквенируем   100  промоторов    разных  генов  и  получим  консенсус  промотора.    Консенсус  -  это  усредненная  последовательность   фрагмента  ДНК.  И  может  быть   разный  консенсус  -  может  быть  консенсус       генома вида  (у  человека  такой   есть  -  на  основании     проекта "1000  геномов").  Может  быть  консенсус  последовательности  того  или  иного    семейства  белков. Или  домена  белков.
У   кладистики  на  основе  ДНК  есть  один  главный   БОЛЬШОЙ  плюс  -   сиквенс  объективен.  И  ДНК   одного  и  того  же  объекта    будет    одна  и  та  же в  независимости   от   метода  секвенирования.  А  вот    выбор  голотипа  -  субъективен, как  вы  сами  пишете.  И  выбор фенотипических   признаков  - субъективен. И  их   "оцифровка"   тоже  субъективна.

[Gilgamesh]

Небольшая поправка топикстартеру. Все же кладистика и морфологическая бывает. Т.е. заявлено о мягком, а речь о теплом. И да, А.В. тут сейчас почти не бывает, в ЖЖ иногда. Но Питер про молекулярку все знает!

[savour]

Ура! Наконец я услышал ответ. Спасибо! Более менее понятно.

Но насчет ПОЛНЫХ геномов все равно вопрос открытый. Полиплоиды и прочие мутанты ведь порушат всю статистику.

2 Gilgamesh - я вначале оговорился, что речь идет именно о кладограммах на основе анализа ДНК. Про морфологическую кладистику я в курсе.

[Gilgamesh]

Понятно, но название темы несколько вводит в заблуждение. Лучше уточните название.

[savour]

Ну может тогда добавить "Молекулярная кладистика..." или я не знаю как еще обозвать. Только я не пойму, как изменить название темы.

[Gilgamesh]

Добро. Вверху каждого своего сообщения есть кнопка "изменить", а там поле названия темы как при создании.

[Сергей]

Полиплоиды и прочие мутанты ведь порушат всю статистику.

Полиплоиды не порушат.

Например, диплиплоиды морфологически могут сильно отличаться от исходного растения. А вот секвенатор разницу просто не заметит: ведь произошло удвоение всех одинаковых последовательностей. То есть, как бы, для приготовления образца ДНК для сиквенса взяли не одну тысячу клеток, а две тысячи.

И кто более прав окажется в эволюционном плане?

[PVOzerski]

Что могу сказать... Сам я никак не молекулярщик (к слову, сейчас тоже эколог ), но с молекулярщиками общаюсь, равно как и с "классическими" ("морфологическими") систематиками. Поэтому выдам две мысли на эту тему - по двум аспектам вопроса.

Во-первых, я сам сталкивался с публикациями, в которых "молекулярная" систематика саранчовых резко расходится не только с привычной системой, но и с очевидными данными морфологии. Говорил с молекулярным генетиком на эту тему, тот говорит, что для анализа был взят неудачный ген. То есть, существуют вообще гены, "хорошие" и "плохие" для целей молекулярной филогении. Дальше домысливаю сам: пока причины этой "хорошести" и "плохости" генов не станут понятны и не будут выработаны объективизированные принципы отбора генов для исследования, молекулярная филогения будет сильно напоминать гадание на кофейной гуще (если такие принципы уже есть, буду рад о них узнать).

Во-вторых, сам по себе кладизм - штука хоть и модная, но не безупречная. То, что ее постоянно пинают за "голосование" при определении синапоморфий (или же за "принцип экономии", о котором природа, в отличие от Оккама, может и не ведать) - это вообще общая вещь. Но есть еще одна неприятная штука: кладизм не дает разумной меры родства. Да, он предлагает ориентироваться на возраст расхождения таксонов, на количество дивергенций - но это тупиковый путь. Опять же, то, что количество прошлых дивергенций надежно не установить, - расхожий штамп критиков, но ведь и возразить-то ему трудно. Есть, однако, и другая проблема: допустим, в двух случаях произошло 10 дивергенций, но при этом в одном случае 10 раз поменялась окраска, а в другом - возникло 10 новых систем органов. И как считать родство внутри каждого из этих случаев? Алгоритму-то всё равно, насколько "весОм" апоморфный признак... Ну и наконец. А кто сказал, что парафилетические таксоны - зло? Это если нет меры родства, основанной на "весомости" эволюционных изменений, тогда в отказе от парафилетических таксонов можно видеть какую-то логику. А если такая мера появится?

[ecoactivist]

Недавно на "Элементах" была статья, где обсуждали результаты исследований генов, ответственных за формирование органов эхолокации у летучих мышей и у дельфинов. Оказалось, что сходство нуклеотидных последовательностей возрастало в ходе эволюции. Фактически открыли молекулярную конвергенцию.

http://elementy.ru/news/432111

На примере сравнения геномных последовательностей дельфинов и летучих мышей — млекопитающих, способных к эхолокации, — европейские ученые выяснили генетические пути конвергентной эволюции. Конвергенция, то есть возникновение сходных признаков у неродственных организмов, считалась результатом эволюции разных наборов генов: слишком уж ничтожной кажется вероятность появления сходных мутаций в сходных генах. Но, как выяснилось, эхолокация — сложный приспособительный признак — у дельфинов и летучих мышей возникла как раз за счет сходных мутаций в сходных генах. Это меняет наши представления о генетической сущности конвергенции, а также показывает, что к результатам применения молекулярных методов для филогенетических реконструкций следует относиться отсторожно.

По-видимому, молекулярная конвергенция менее распространена чем обычная (хотя это большой вопрос!), но сам факт уравнивает в правах молекулярщиков и морфологов.

[Limfil]

да, интересная работа. правда из описания на элементах не ясно, какого именно уровня конвергенцию они нашли - то есть сколько именно мутаций закрепились конвергентно. но уже сам её факт интересен. правда, о горизонатльно переносе, как бы часто его не любили применительно к многоклеточным тоже не надо забывать.