Evolution As A Defining Feature Of Life

  • November 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Evolution As A Defining Feature Of Life as PDF for free.

More details

  • Words: 7,027
  • Pages: 32
Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

1

In Sullivan, W. T. and Baross, J. A. (eds.) (2006) Planets and Life: The Emerging Science of   Astrobiology, Cambridge: Cambridge University Pr. (In press)

10  EVOLUTION: A DEFINING FEATURE OF LIFE 

John A. Baross

University of Washington

In biology nothing makes sense except in the light of evolution.  It is possible to describe living  beings without asking questions about their origins. [But] the descriptions acquire meaning and  coherence only when viewed in the perspective of evolutionary development

– Theodosius Dobzhansky (1970:6)

10.1  From Lamarck to Darwin to the Central Dogma The basic notion of evolution is that inherited changes in populations of  organisms result in expressed differences over time – these differences are at the  gene level (the genotype) and/or expression of the gene into an identifiable  characteristic (the phenotype).  The important underlying fact of evolution is that  all organisms share a common inheritance, or, put more dramatically, all extant  organisms on Earth evolved from a common ancestor. We see this in the universal 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

2

nature of the genetic code and in the unity of biochemistry: (a) all organisms share  the same biochemical tools to translate the universal information code from genes  to proteins, (b) all proteins are composed of the same twenty essential amino acids,  and (c) all organisms derive energy for metabolic, catalytic and biosynthetic  processes from the same high­energy organic compounds such as adenosine  triphosphate (ATP).   In On the Origin of Species Charles Darwin (1859) (Fig. 10.1) built his  theory of evolution using evidence that included an ancient Earth thought at the  time by many geologists to have an age in millions of years. He also took the  extinction of species to be a real phenomenon since fossils existed that were  without living representatives. Since different species showed close phenotypic  similarities, he argued that existing organisms descended from other organisms  including extinct groups.  The key to his evolutionary theory therefore was that  inherited characteristics of organisms can change through time and that these  changes occur gradually and without discontinuities. Jean Baptiste Lamarck (1809)  had earlier recognized a similar principle of evolution and offered an explanation  generally referred to as “inheritance of acquired characters.” By this Lamarck  meant that the variations in characteristics or adaptations seen in organisms were  acquired in response to the environment.  Classic examples include the long neck  of the giraffe as an adaptation for foraging tender foliage on treetops, or the use of  long legs by some aquatic fowl to venture into deep waters in search of prey.  While  this is certainly how these phenotypic characteristics are utilized to the advantage 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

3

of the organism, under Darwinian principles they were not acquired as a response  to the needs of the environment.   One of Darwin’s major contributions was his explanation of how and why  organisms change over time and how they acquire characteristics useful for living  in different environments.   Darwin referred to the mechanism for character  changes through time as natural selection. Natural selection is based on the idea of  the struggle for existence (survival of the fittest) in populations where there are  more individuals of each species than can survive.  A variation in any characteristic  of an individual that gives an advantage in surviving (and therefore reproducing)  will be “naturally selected” since the new trait will be preferentially inherited by  subsequent generations. Darwin differed from Lamarck by recognizing that  character changes that offer a survival advantage and are “naturally selected”  originate from a pool of randomly generated character changes that are not directed  by environmental conditions. Note that Darwin proposed his theory without  knowing the mechanism for the inheritance of acquired traits – not until forty years  later would the field of genetics begin with the recognition that Gregor Mendel’s  principle of discrete units of inheritance (genes) was correct. Mendelian genetics established that phenotypes are transmitted from one  generation to another following statistical principles and that these phenotypes  reside in simple heritable “characters.”  The nature of these heritable characters  were unknown to Mendel, but their location was confined to chromosomes by 1910  and then to DNA as the genetic material by Hershey and Chase (1952).  This 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

4

immediately led to the discovery by Watson and Crick (1953) of the double­helix  structure of DNA and shortly afterwards to the elucidation of the genetic code and  to the understanding that a gene is primarily a sequence along a section of DNA  that codes for a protein using an alphabet composed of the four bases that  constitute DNA. The steps leading from DNA to a specific protein are referred to  as the  central dogma: a DNA gene is transcribed to make messenger RNA  (mRNA), followed by translation of mRNA into a protein.   The exceptions to the  central dogma are those genes that specify not proteins, but instead the various  classes of RNA that are involved in both transcription and translation, such as  ribosomal RNA (rRNA) and transfer RNA (tRNA).  

10.2  Evolution at the Molecular Level   The Watson and Crick discovery also opened the doors to studies of  evolution at the molecular level and helped develop classification schemes that  allow for the evolutionary comparisons of all groups of extant organisms, as well as  the construction of models for inferring the nature of Earth’s earliest microbial  communities and the emergence of multicelled organisms (Hedges, 2002).  Usually, ribosomal RNA genes and ribosomal protein genes are used for  evolutionary studies because they have highly conserved sequences, meaning  sequences that are found across all domains of life (Woese et al., 1990). Most 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

5

functional RNA molecules have secondary structures that are associated with their  function. The base sequence determines to a great extent the functional secondary  structure. Mutations that change the secondary structure of RNA molecules will  frequently render them inactive.  These conserved sequences must have originated  a long time ago in a common ancestor and be of fundamental importance to all  species. They are especially associated with the cell’s ribosomes, where proteins  are assembled, because this process is so fundamental to the functioning of all  cells.  A central concept in evolutionary theory is that a gene coding for a  characteristic is subject to mutation (change) in a random fashion, which in some  cases can lead to variability in that characteristic in the next generation. Mutations  come about due to mistakes made during DNA replication, or through external  factors such as ionizing radiation or toxic chemicals. Most mutations are moot, i.e.,  they have little or no effect on the protein product of the gene or (for ribosomal  RNA genes) the function of the RNA.  Others, particularly those involving  deletions and insertions that can result in structural changes in the transcribed  protein or in a ribosomal RNA, can render it inactive.  The most lethal mutations  are those that damage the genes involved in DNA replication, transcription of DNA  into mRNA, or translation of mRNA into a protein – in particular, mutations  involving deletions or insertions of bases can change the structure of the  transcribed mRNA and protein.   Changing environmental conditions can negatively affect growth and 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

6

survival (inducing stresses), and depending on the degree and kind of stress, can  result in death of the organism. To survive such a lethal stress the organism must  have mutation rates sufficiently high to handle the stress, but not so high as to  cause lethal damage to the genome (the entire set of genes defining the species).  Moreover, all extant organisms have a set of conserved genes for repairing  mutations or proteins affected by environmental stresses such as starvation, heat,  radiation, changes in pH, etc. While these “stress” genes are not 100% effective,  they greatly reduce the number of deleterious mutations. The same genes can also  target other specific genes for an increased mutation rate under stress conditions –  these are called “stress­directed adaptive mutations” (Wright, 2004). For example,  this mechanism can be observed when bacteria are starving from lack of their usual  nutrient, but then undergo increased evolutionary rates of specific genes involved  in the metabolism of alternate nutrients for growth. There is debate about how random mutations lead to useful characters, and  particularly about the mechanisms involved in adaptation that eventually results in  useful complex structures such as enzymes, bacterial flagella motors, eyes and  brains.  In evolution, adaptation means more than simply being well suited to the  environment; it also involves in any generation the selection of one particular  genetic change (over many other possibilities) that results in maximum  reproductive success. But since many incremental steps are involved in evolving  complex structures and processes, it would seem that adaptation involves a  sequence of coordinated (not random) steps. Until recently, there was no 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

7

satisfactory mechanism that could account for the evolution of complex structures.  Two kinds of evolutionary change are recognized. Microevolution results in  changes at the species level and accounts for the short­term variability observed in  populations.  The second process of macroevolution involves the more substantial  changes that over long times result in the development of new higher taxa such as  genera, families, orders, etc. Macroevolution affects the genotypes of individuals  within populations and thus also involves microevolution. Macroevolution is also  invoked as the mechanism that results in the gradual formation of novel complex  structures that involve multiple genes.  Development of the eye has provided a classic illustration for gradualism  producing increasing complexity and function.  There are more than forty different  eye structures found in both invertebrates and vertebrates with a range of  complexity from light sensitive patches to compound eyes (Parker, 2003).  It was  once thought that these photosensitive organs developed independently along  several different branches of the Tree of Life, a classic example of convergent   evolution (independent evolution of morphologically and/or functionally similar  structures). Recent molecular data, however, show that in many cases  macroevolution is not totally a gradual set of changes based on mutation and  natural selection. There appears to be a common set of genes that instigated the  evolution of the eye in as diverse a group as fruit fly, squid and humans.  These  genes are called “tool box” genes (Carroll, 2005), and are common to many diverse  organisms, implying that they are inherited from a common ancestor. For example, 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

8

one group of genes called HOX genes1 account for the incredibly high diversity  found in animal body plans.  The three principal anatomical plans for wings  exemplified in birds, bats and pterosaur, were also thought to be the products of  convergent evolution.  The bird wing developed from the entire arm, the bat wing  from a hand, and the pterosaur wing from a single finger. Similar HOX genes,  acting on different sets of genes in birds, bats and pterosaurs, resulted in the  evolution of different kinds of wings (Carroll, 2005).  The profoundly important  point is that the origin of diverse body forms of animals and their organs may have  more to do with the way multiple genes are expressed and less to do with the  number of different kinds of genes. We are learning that a basic set of genes is used  in animals in different ways to produce the myriad different body forms,  appendages and organs. “Genetic switches,” specific gene sequences that “instruct  tool kit genes where to act and what to do” (Carroll, 2005), select which specific  genes get expressed. This new combination of evolution with developmental biology is called  Evo­Devo and is revolutionizing our understanding of macroevolution and  embryology.  Evo­Devo also offers an explanation for the rapid macroevolutionary  changes (termed punctuated equilibrium by Eldredge and Gould (1972)) that  appear in the fossil record and that cannot be explained by gradualism. An example  of punctuated equilibrium is the sudden appearance of diverse animal forms during   HOX comes from “homeo­” (like), and “box,” from the fact that the DNA 

1

sequence is short enough to fit into a box drawn on paper.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

9

the Cambrian Explosion 550 Ma (Sec. 16.3.1). Evo­Devo studies indicate that this  sudden emergence of highly diverse animal forms was due to the evolution of key  regulatory HOX genes in the common ancestor to all Cambrian animals (Carroll,  2005)

10.3  Mechanisms  for Acquiring New Genes Besides mutation, other mechanisms can effect changes in genes that  coordinate cell structures, metabolism or physiological trait, whether for sudden  acquisition of new genes or incremental changes of individual genes or groups of  genes. These mechanisms are: 

• fusion of different cells, sometime called endosymbiosis • coevolution  • lateral gene transfer 

Symbiosis is any interaction between two organisms (occasionally more than  two organisms are involved) in which at least one of the organisms benefits from  the relationship. This broad definition includes parasitic associations in which the  parasite benefits at the expense of the host, or mutualistic associations in which 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

10

both organisms benefit.  Some symbiotic associations are obligatory where either  the host or symbiont (or both) is unable to live independently. For instance, a recent  model based on whole genome sequences indicates that the first eukaryote cell may  have formed by the fusion of Bacteria and Archaea, and that Bacteria contributed  the operational genes while Archaea contributed the informational genes (Rivera  and Lake, 2004).2  While there are other models for the origin of eukaryotes  (Gupta, 1998; Martin and Müller, 1998), there is agreement about the bacterial and  archaeal origin of informational and key operational genes in eukaryotes. Such a  fusion would fall into the category of mutualistic symbiosis since both cells  benefited from this association. Furthermore, we have evidence for ancient  symbioses in eukaryote cells in that their mitochondria (involved in oxygen  respiration) and chloroplasts (involved in photosynthesis) both first occurred in  specific groups of bacteria (Sapp, 2005; Wakeford, 2002).  The proposed fusion of an archaeum with a bacterium somehow resulted in  conditions favorable for evolution to greater complexity, multicellularity, and  sexual reproduction.   Similarly, the later acquisition by early eukaryotes of the  mitochondria and chloroplast from bacteria must have had a profound effect on  eukaryote evolution and particularly on their adaptation into habitats bathed in light  and oxygen.  Unfortunately, most of the evolutionary steps from the proposed   The Tree of Life divides all species into three Domains called Archaea 

2

(containing the archaea), Bacteria (containing the bacteria), and Eukarya  (containing the eukaryotes). See Fig. 11.1.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

11

fusion­based “proto­eukaryote” to single­cell eukaryotes (Chap. 13) are unknown  since no known extant organism retains characteristics that can definitely be  interpreted as intermediate to those of modern­day eukaryotes. For example, we do  not know the intermediate steps/structures involved in the transition from the  generally circular, double­stranded DNA chromosome of bacteria and archaea to  the complex linear DNA­protein chromosomes of eukaryotes.   While the fusion of two cells is not believed to have been a common  occurrence in the early life history of organisms, there are many examples of other  forms of symbiosis that are widely distributed in eukaryotes, allowing them to live  under conditions that otherwise would not be possible (Sapp, 1994).  One of the  first cases to be identified was the symbiosis of an alga and a fungus to form a  lichen, researched in detail and recognized in the late 19th century by Beatrix Potter  (better known as the author of Peter Rabbit) well before symbiosis was accepted by  the British scientific community.3 Other examples of symbiosis include  hydrothermal vent tubeworms and clams that utilize inorganic chemical energy  sources, plants that assimilate nitrogen via nitrogen fixation by root hair bacteria,  and the microbial communities in the guts of ruminants and insects that  anaerobically digest complex polysaccharides such as cellulose (Sapp, 1994;  Wakeford, 2001).  Parasitism, another form of symbiosis, can result in radical   Wakeford (2001) has an interesting account of Potter’s futile attempt to 

3

convince the British scientific community of the importance of her  observations.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

12

changes in the physiology of the host that include mating and feeding behavior, and  morphological changes. It has been suggested that other ancient symbiotic events  involving bacteria and eukaryotes occurred that are not as obviously visible in the  cell as are mitochondria and chloroplasts, but are nevertheless important in the  early evolution of eukaryotes (Margulis, 1993; Margulis et al., 2000). Coevolution is a special kind of symbiosis in which two kinds of organisms  interact in such a way that each exerts a selective pressure on the other.  Classical  examples include flowering plants and their insect pollinators, and predators and  their prey.  Less obvious examples may include whole ecosystems in which all  trophic levels from bacteria to animals have coevolved.  Understanding the nature  of coevolving ecosystems is one of the most difficult and important challenges in  ecology.   Lateral gene transfer (also referred to as genetic exchange and horizontal  gene transfer) is the transfer of DNA from one organism to another such that it  effects a “permanent” change in the genetic composition of the recipient.  Genetic  exchange can be mediated by cell­cell contact (conjugation), by viral infection  (transduction), or by incorporation of DNA from the environment (transformation).  The recent accumulation of complete genome sequences from  representatives of all the domains of life have revealed a universal pattern of lateral  gene transfer for acquiring genes or parts of genes.  Woese et al. (1990, 2002)  speculated that this mechanism was widespread in the early evolutionary stages of  life and vital to producing the diversity reflected in the present three domains of 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

13

life. Furthermore, we now know that viruses4 have played and continue to play a  significant role in the evolution of life through lateral gene transfer (Canchaya et  al., 2003).  This is illustrated by the high abundance of bacterial viruses  (bacteriophages or phages) in marine environments, exceeding the bacterial  population by an order of magnitude.  Viruses are the most abundant biological  entity on Earth, yet poorly understood.  It is presumed that the primary role of  viruses in the environment is causing death in bacteria (or producing disease in  eukaryotes), but their significance as vehicles for transmitting new genes to  bacteria in situ is not well understood, although likely extensive.  Jiand and Paul  (1998) calculated that at the low rate of infection of 10­8 per infected bacterial  population, viral­mediated gene transfer takes place in Earth’s oceans at the rate of  ~2 x 1016 per second.  The characters transmitted by phage in the environment, their rate of  transmission, and the environmental factors involved in the transfer of genes are  generally unknown.  However, recent evidence shows the presence of bacterial  genes in marine phages, including genes that code for proteins necessary for  photosynthesis (Hambly and Suttle, 2005).  Similarly, a significant portion of  eukaryote chromosomes (approximately 45% for humans and a much higher  percentage for some plants and an amoeba species) is composed of remnants from  RNA viruses (called retrotransposons, or mobile genetic elements that replicate by  4

 A virus is defined as an intracellular parasite and is incapable of living without a host  cell.  While it shares many of the biochemical characteristics of a living cell including  nucleic acids and proteins(although much smaller and simpler) except that it cannot  reproduce independently, only by infecting a normal cell. 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

14

reverse transcription: RNA to DNA rather than DNA to RNA) (Bushman, 2001).  Most of these viral sequences in eukaryotes are not transcribed into proteins. But  do they nevertheless serve some important function to the organism? And if not,  why do organisms retain them anyway? Some retroviral sequences have been  implicated in the evolution of vertebrate genes including the development of the  human placenta and the regulation of the gene for starch hydrolysis, but most have  no apparent function and along with other non­protein coding regions on  eukaryotic chromosomes, have been called “selfish DNA” (Bushman, 2001). How important is lateral gene transfer in evolution?  Results from whole  genome sequences of bacteria and archaea indicate that lateral gene transfer may be  the most important mechanism for acquiring new genes, including those involved  in complex and coordinated phenotypes. For example, ~16% of the genome of  Escherichia coli K12 is viral genes. Microorganisms have evolved elaborate  mechanisms for incorporating acquired genes into their chromosome at specific  sites. These sites can serve as “pathogenicity islands” if all of the acquired genes  are involved in disease production, such as for the cholera­producing bacterium  Vibrio cholerae (Faruque and Mekalanos, 2003), or they may be “genetic islands,”  which align acquired genes involved in key physiological activities such as  magnetotaxis (Grünberg et al., 2001) or the dissimilatory reduction of sulfate  (Mussmann et al., 2005).   It is very unlikely that the formation of a genome with sufficient information  to lead to free­living (self­sufficient) cells could have originated without a 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

15

mechanism for acquiring “functional” genes from other early cells or communities  of interdependent cells or “precells” (Baross and Hoffman, 1985).  This is certainly  consistent with the fact that all life on Earth is derived from a common ancestral  pool of genes based on a universal genetic code (Woese, 1998).  Darwinian  evolution would have played an important role in these early stages and selection  would have favored specific biochemical and molecular structures and mechanisms  over others.  Could this imply that if we started over again by resetting the clock to  4 Ga, the resultant life would have the same biochemical and molecular properties,  including the same genetic code, as present­day Earth life?  If environmental  conditions and the starting pool of organic compounds were the same, it is  probable that a second genesis would result in biochemistry that would resemble or  possibly be indistinguishable from present­day Earth life.  The strong link between  specific nucleotide bases and specific amino acids is one more example verifying  that there are “rules of organic chemistry” that favor specific reactions or  macromolecular structures (Copley et al., 2005).  In such a second genesis,  however, contingency in evolution could result in the selection of organisms and  ecosystems significantly different from those found on Earth. Yet, compared to  present­day organisms, they would share a similar biochemistry and evolve many or  all of the same phenotypes (both structural and functional), albeit possibly with  different genotypes. Further discussion of these points is found in Chap. 27.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

16

10.4  Could There Be Life Without Evolution?

Many of the definitions of life include the phrase “undergoes Darwinian  evolution” (Chap. 5).  The implication is that phenotypic changes and adaptation  are necessary to exploit unstable environmental conditions, to function more  optimally in the environment, and to provide a mechanism to increase biological  complexity.  Evolutionary changes have even been suggested for hypothesized “clay  crystal life” of Cairns­Smith (1982), referring to randomly occurring errors in  crystal structure during crystal growth as analogous to mutations (Sec. 27.4.2).  Would a self­replicating chemical system capable of chemical transformations in  the environment be considered life? If self­replicating chemical compounds are not  life, then replication by itself is not sufficient as a defining characteristic of life.  Likewise, the ability to undergo Darwinian evolution, that is, a process that results  in heritable changes in a population, is also not sufficient to define life if we  consider minerals that are capable of reproducing errors in their crystal structure to  be equivalent to evolution. Although this property of clays may have been vital in  the origin of life and particularly in the prebiotic synthesis of organic  macromolecules and as catalysts for metabolic reactions, can the perpetuation of  “mistakes” in crystal structure result in the selection of a “more fit” crystal  structure?  It is important to emphasize that evolution is not simply reproducing  mutations (mistakes in clays), but selecting those variants that are functionally  more­fit.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

17

The canonical characteristics of life are an inherent capacity to adapt to  changing environmental conditions and to increase in complexity by multiple  mechanisms, but particularly by interactions with other living organisms (and, at  least on Earth, also with viruses).  Natural selection is the key to evolution and the  main reason why Darwinian evolution persists as a characteristic of many  definitions of life. Clays could never evolve an eye or a nose, or adapt behavioral  strategies to exclude clays with other crystal characteristics.  Hmmm  – would  Michael Crichton’s Andromeda Strain (1969), a carbon­based crystal capable of  using chemical and physical energy sources, be considered life? (Incidentally, the  Andromeda Strain could also mutate, which was probably a necessity to reach a  happy ending to the story.)  The only alternative to evolution for producing  diversity would be to have environmental conditions that continuously create  different life forms, or similar life forms with random and frequent “mistakes”  made in the synthesis of chemical templates used for replication or metabolism.  These mistakes would be equivalent to mutations and could lead to traits that gave  some selective advantage in an existing community or in exploiting new habitats.  This could lead to life forms that undergo a form of evolution without a master  information macromolecule such as DNA or RNA.  It is difficult, however, to  imagine such life forms being able to “evolve” into complex structures unless other  mechanisms such as symbiosis or cell/cell fusion are available. 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

18

10.5  Evolution and Extraterrestrial Life

We have seen that evolution is much more than mutation and natural  selection.  It is the key mechanism for heritable changes to occur in a population.  Mutation is not the only mechanism for acquiring new genes.  Lateral gene transfer  appears to be one of the most important mechanisms and clearly one of the earliest  mechanisms for creating diversity and possibly for building genomes with the  requisite information to result in free­living cells, as opposed to co­dependent  communities of “precells” with insufficient genetic information to escape  communal life (Baross and Hoffman, 1985).  Lateral gene transfer is also one of the  mechanisms to align genes from different sources into complex functional activities  such as magnetotaxis and dissimilatory sulfate reduction.  It is possible that this  mechanism was important in the evolution of metabolic and biosynthetic pathways  and other physiological traits that may have evolved only once even though they are  present in a wide diversity of organisms. The coevolution between two or more  species is also a hallmark of evolution manifested in many ways from insect/plant  interactions to the hundreds of species of bacteria involved in the nutrition of  ruminant animals. The organisms and the environment also coevolve depending on  the dominant characteristics of the environment and the availability of carbon and  energy sources.  Even some of the most extreme environments on Earth, such as  hydrothermal vent sulfide chimneys and the very acidic Rio Tinto River in Spain,  have a remarkably high diversity of organisms (Kelley at al., 2002; Zettler et al., 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

19

2003).  Diversity drops off, however, in environments with combinations of  stressors such as high temperature and high pH, or high salt and high or low  temperature (Chap. 14).  If the ability to undergo Darwinian evolution is a canonical trait of life no  matter how different that life form is from Earth life, then are there properties of  evolving extraterrestrial organisms that would be detectable as positive signs of  life?  Evolution provides organisms the opportunity to exploit new and changing  environments, and one piece of evidence for the probable cosmic ubiquity of  evolution is that on Earth life occupies all available habitats and even creates new  habitats as a consequence of its metabolisms. Another hallmark of evolution is the  ability of organisms to coevolve with other organisms and to form permanent and  obligatory associations. Also, it is highly probable that an inevitable consequence  of evolution is the elimination of radically different biochemical lineages of life  that may have formed during the earliest period of evolution of life.  Extant Earth  life is the result of either selection of the most fit lineage or homogenization of  some or all of the different lineages into a common ancestral community that  developed into the present three major lineages (domains).  All have a common  biochemistry based on presumably the most “fit” molecular information strategies  and energy yielding pathways among a potpourri of possibilities.  One caveat and  perhaps a verification of the above statement is that genetic remnants of other  lineages may still exist in some of the deeply rooted archaea as evidenced from the  unique 16S rRNA found in Nanoarchaeum equitans and novel and presently 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

20

undelineated metabolic pathways in some hyperthermophilic Crenarchaeota (Huber  et al., 2003; Hügler et al., 2003).   Thus, one of the apparent generalizations that can be made from extant Earth  life, and the explanation for the development of a “unity of biochemistry” in all  organisms, is that lateral gene transfer is both an ancient and an efficient  mechanism for rapidly creating diversity and complexity.  Lateral gene transfer is  also an efficient mechanism for selecting the genes that are most “fit” for specific  proteins and transferring them into diverse groups of organisms.  The result is both  the addition of new genes and the replacement of less­fit genes having a similar  function. Natural selection based solely on mutation is not likely an adequate  mechanism for evolving complexity.   More importantly, lateral gene transfer and  endosymbiosis are probably the most obvious mechanisms for creating complex  genomes that can lead to free­living cells and complex cellular communities in the  short geological time available from life’s origin to the establishment of microbial  communities more than 3.8 billion years ago (Sec. 12.3).  An important implication  of the existence of viruses or virus­like entities during the early evolution of  cellular organisms is that their genomes may have been the source of most genetic  innovations due to their rapid replication rates, high rates of mutation from  replication errors, and gene insertions from diverse host cells.  It is interesting that  Darwin perceived evolution as random changes in individual species that could  lead to selection of more fit traits, but he could not have known that some of these  fit traits could be transferred to species that were not only not sexually compatible 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

21

but belonged to separate domains.  It is clear that both the individual organism and its community coevolve. In a  sense, evolution is evolving, allowing cells to control their own evolution – accept  or reject changes in genotypes from newly acquired foreign genes. While this has  already been demonstrated in bacteria, the source of foreign genes and the kinds of  genes most likely to be selected for permanence are largely not known.  However, it  is clear that the evolution of a useful trait by one organism frequently means that it  is likely to be acquired by other organisms.  It appears that the field of biology is  beginning to break out of its molecular­reductionist “egg” and emerging more  focused on what Carl Woese  (2004) terms “holistic biology,” where the emphasis,  rather than just on genes, is on the cell, communities and ecosystems.  This would  also take evolution to a new level of inquiry with emphasis on coevolution, cellular  complexity, and the reexamination of the concept of ecosystems as “super­ organisms.” The new science of Evo­Devo integrates well with this new holistic  approach while offering another lesson about evolution: chance mutations or  microevolution create the panoply of gene variation, but it is key genes and  combinations of key genes that “better meet the imperatives of ecological necessity,  and they arise and are selected for repeatedly” (Carroll, 2005). Finally, what are the limits of evolution for Earth life?  This is a complex  question with many different components.  On the one hand, it involves the  different possible biochemistries from carbon chemistry that are not found in extant  Earth organisms but could be better suited for environmental conditions that exist 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

22

on other planets and moons (Chap. 27).  The technology exists to design genes and  groups of genes that could lead to novel phenotypes suited to exploit new habitats  and novel energy sources. These kinds of studies would be important and perhaps  essential in our quest to search for life elsewhere.  Another component to the  question of the limits of evolution is where we are going and what will Homo   sapiens or its successors be like if it continues to evolve for tens of thousands or  million of years?   This is an integral part of our search for advanced extraterrestrial  intelligence, which requires us to imagine our future portrait (Chap. 26).  We  cannot imagine all of the possible changes that will occur after millions of years of  evolution but based on the just the tens of thousands of years of primate evolution,  it is likely that one possible outcome will be an increasing ability to control our  environment and all that is evolving.  It is also likely that we will someday know if  we are alone in the Universe. 

10.6  Summary It is evident that cells are more than the information encoded in their  genomes. They are part of a highly integrated biological and geochemical system in  whose creation and maintenance they have participated. The unity of biochemistry  among all of Earth’s organisms emphasizes the ability of organisms to interact with  other organisms to form coevolving communities, to acquire and transmit new 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

23

genes, to use old genes in new ways, to exploit new habitats, and most important to  evolve mechanisms to help control their own evolution.  It is expected that these  characteristics are likely to be present in extraterrestrial life even if it has had a  separate origin and a very different unified biochemistry from that of Earth life.   Since evolution is an essential feature of Earth life and probably all life, the  search for life elsewhere should include a search for evidence of evolution.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

24

Figure Caption

Figure 10.1.  Charles Darwin (1809­1882), in his later years at Down House,  his combined home, office and laboratory (see App. D). (photo courtesy John van  Wyhe)

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

25

General Reading and Surfing

Desmond, A. and Moore, J. (1991). Darwin: The Life of a Tormented Evolutionist.  New York: Warner. This is an excellent and thoroughly researched biography of Darwin.  As the  title implies, Darwin struggled as to how to present the theory of evolution in a way  that was acceptable to a community shackled by Victorian mores.

Judson, H. W. (1979). The Eighth Day of Creation: The Makers of Revolution in   Biology.  New York: Simon and Schuster. This is the definitive historical study of the mid­20th­century birth of  molecular biology and a must read for anyone interested in how revolutions in  science get started. It has been reprinted with an updated preface (New York: Cold  Spring Harbor Laboratory Press, 1996).

Knoll, A. H.  (2003).  Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of   Evolution on Earth.  Princeton: Princeton Univ. Pr. This is a “tour de force” portrait of life from Earth’s beginning to the  Cambrian explosion. Knoll is masterful in blending geology, geochemistry and  biology in the context of Earth history.   

Lovelock, J. E. (1979). Gaia: A New Look at Life on Earth. Oxford: Oxford Univ. 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

26

Pr.  James Lovelock and Lynn Margulis first put forth the proposition that the  composition and temperature of the atmosphere is an evolutionary product of  interrelated activities in the biosphere, especially those of microorganisms, and that  the entire biosphere behaves as a single self­regulating organism. The Gaia  Hypothesis has been every bit as influential as it is controversial (see Sec. 10.5 for  related thinking).

www.mendelweb.org  An excellent website for learning the details of what Mendel actually did.

Conway Morris, S. (2003).  Life’s Solution: Inevitable Humans in a Lonely   Universe. Cambridge: Cambridge Univ. Pr. Conway Morris has a different perspective on evolution.  He argues for  determinism rather than contingency: Evolution has predictable and inevitable  outcomes. His metaphysical arguments are interesting and certainly thought­  provoking and somewhat reminiscent of chapter 31 in Christian de Duve’s  excellent book, Vital Dust: Life as a Cosmic Imperative (New York: Basic Books,  1995)

Ptashne, M. (1992, 2nd ed.). A Genetic Switch. Cambridge, Mass.: Blackwell  Science.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

27

This classic work describes the basic molecular reactions underlying the  regulation of gene transcription in all organisms and how the genes involved in  these reactions, when combined, produce complex regulatory circuits.  The  regulatory circuits found in bacteria are the forerunners to the evolution of the more  complex regulatory circuits involved in macroevolution and the emergence of  EvoDevo (Carroll, 2005)

Ridley, M. (ed.) (1997). Evolution. Oxford: Oxford Univ. Pr.  This is an excellent compilation of many of the classic papers on evolution.  The list of authors is the “Who’s Who” of great evolution thinkers and includes  Charles Darwin, Stephen J. Gould, Ernst Mayr, George Gaylord Simpson, Richard  Dawkins, Francis Crick and many others. The topics covered include adaptation,  macroevolution, molecular evolution, biodiversity, human evolution, and evolution  and philosophy.  

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

28

References

Baross, J. A. and Hoffman, S. (1985). Submarine hydrothermal vents and  associated gradient environments as sites for the origin and evolution of life.  Origins of Life 15, 327­45. Bushman, F.  (2001). Lateral DNA Transfer, Mechanisms and Consequences. New  York: Cold Spring harbor Laboratory Press Cairns­Smith, A. G. (1982). Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life.  Cambridge: Cambridge University Press Canchaya, C., Fournous, G., Chibani­Chennoufi, S., Dillmann, M.­L. and Brüssow,  H.  (2003). Phage as agents of lateral gene transfer.  Curr. Opin. Microbiol.  6, 417­24. Carroll, S. B. (2005).   Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo   Devo.  New York: W. W. Norton & Co. Copley, S. D., Smith, E. and Morowitz, H. J.  (2005). A mechanism for the  association of amino acids with their codons and the origin of the genetic  code.  Proceed. Natl. Acad. Sci., USA 102, 4442­47. Crichton, M.  (1969).  The Andromeda Strain.  New York: Alfred A. Knopf. Darwin, C.  (1859).  On the Origin of Species.  London: John Murray. Dobzhansky, T. (1970). Genetics of the Evolutionary Process. New York: Columbia  University Press.

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

29

Eldredge, N. and Gould, S. J. (1972). Punctuated equilibria: An alternative to  phyletic gradualism.  In T. J. M. Schopf and J. M. Thomas (eds.) Models in   Paleobiology, pp. 82­115.  San Francisco: Freeman. Faruque, S. M., and Mekalanos, J. J. (2003). Pathogenicity islands and phage in  Vibrio cholerae evolution.  TRENDS in Microbiol. 11, 505­10. Grünberg, K., Wawer, C., Tebo, B. M.  and Schüler, D. (2001).  A large gene cluster  encoding several magnetosome proteins is conserved in different species of  magnetotactic bacteria.  Appl. Environ. Microbiol. 67, 4573­82.  Gupta, R. S. (1998). Protein phylogenies and signature sequences: A reappraisal of  evolutionary relationships among Archaebacteria, Eubacteria and  Eukaryotes.  Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62, 1435­91.  Hambly, E. and Suttle, C. A. (2005). The virosphere, diversity, and genetic  exchange within phage communities.  Curr. Opin. Microbiol. 8, 444­50. Hedges, S. B. (2002). The origin and evolution of model organisms.  Nature   Reviews Genetics 3, 838­49. Hershey, A. D. and Chase, M. (1952).  Independent functions of viral protein and  nucleic acid in growth of bacteriophage.  J. Gen Physiol. 36, 39­56. Huber, H.,  Hohn, H. J., Stetter, K. O. and Rachel, R.  (2003). The phylum  Nanoarchaeota: Present knowledge and future perspectives of a unique form  of life.  Res. Microbiol. 154, 165­71. Hügler, M., Huber, H., Stetter, K. O. and Fuchs, F.  (2003).  Autotrophic CO2 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

30

fixation pathways in archaea (Crenarchaeota).  Arch. Microbiol. 179, 160­73. Jiang, S. C. and Paul, J. H. (1998). Gene transfer by transduction in the marine  environment.  Appl. Environ. Microbiol. 64, 2780­87. Kelley, D. S., Baross, J.  A. and Delaney, J. R. (2002). Volcanoes, fluids, and life at  mid­ocean ridge spreading centers.   Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 30, 385­ 491. Lamarck, J. B. (1809). Zoological Philosophy.  Translated into English by H.  Elliott, 1914.  New York: Macmillan. Margulis, L. (1993). Symbiosis in Cell Evolution, 2nd edition, New York: W. H.  Freeman. Margulis, L., Dolan, M.  F.  and Guerrero, R.  (2000). The chimeric eukaryote:  Origin of the nucleus from the Karyomastigont in amitochondriate protists.  Proceed. Natl. Acad. Sci., USA 97, 6954­59. Martin, W. and Müller, M. (1998). The hydrogen hypothesis for the first eukaryote.  Nature 392, 37­41.  Mussmann, M., Richter, M., Lombardot, T., Meyerdierks, A., Kuever, J., Kube, M.,  Glöckner, O. and Amann, R. (2005).  Clustered genes related to sulfate  respiration in uncultured prokaryotes support the theory of their concomitant  horizontal transfer.  J. Bacteriol. 187, 7126­37. Parker, A.  (2003).  In the Blink of an Eye.  Cambridge, Maryland: Perseus  Publishing. Rivera, M. C. and Lake, J. A. (2004).  The ring of life provides evidence for a 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

31

genome fusion origin of eukaryotes. Nature 431, 152­55.  Sapp, J. (2005). The bacterium’s place in nature. In J. Sapp (ed.) Microbial   Phylogeny and Evolution, pp. 3­52, New York: Oxford University Press, Inc. Sapp, J. (1994). Evolution by Association.  A History of Symbiosis.  Oxford New  York: University Press. Wakeford, T.  (2001).  Liaisons of Life. New York: John Wiley & Sons, Inc. Watson, J. D. and Crick, F. H. C.  (1953).  A structure for deoxyribose nucleic acid.  Nature 171, 737­38. Weight, B. E. (2004).  Stress­directed adaptive mutations and evolution.  Mol.   Microbiol. 52, 643­50. Woese, C. R. (2004). A new biology for a new century.  Microbiol. Mol. Biol. Rev.  68, 173­86. Woese, C. R. (2002).  On the evolution of cells.  Proc. Natl. Acad. Sci., USA 99,  8742­47. Woese, C. R. (1998).  The universal ancestor.  Proceed. Natl. Acad. Sci., USA 95,  6854­59. Woese, C. R., Kandler, O.  and Wheelis, M. L.  (1990).  Towards a natural system  of organisms: Proposal for the domains Archaea, Bacteria and Eukarya.  Proc. Natl. Acad Sci., USA 87, 4576­79. Zettler, C. A. A., Messerli, M.  A., Laatsch, A. D., Smith, P. J.  S.  and Sogin, M.  L.  (2003).  From genes to genomes: Beyond biodiversity in Spain’s Rio 

Baross – 2/3/06 – wts rev 2/6/06

32

Tinto.  Biol. Bull.  204, 205­09.

Related Documents