1918 1410, 966… Wszyscy wiemy, co się w tych latach wydarzyło. Żeby zrozumieć kontekst, przyczyny i skutki historycznych wydarzeń, nie wystarczy nam wiedza o tym, że miały miejsce. Musimy też wiedzieć kiedy. Jeśli jakieś wydarzenie jest dla nas ważne, jego data, czy choćby rok, też nie będą dla nas bez znaczenia.

Życie na Ziemi ma za sobą trzy i pół miliarda lat historii. W tym czasie z najprostszych pojedynczych komórek wyewoluowały niezliczone zastępy gatunków i gromad, wśród których dziś możemy podziwiać między innymi kwitnące dziwidła olbrzymie, imponujących rozmiarów kałamarnice kolosalne, wyraki sundajskie o przejmującym spojrzeniu, wszechobecne pałeczki okrężnicy czy w końcu tych w lustrze – ludzi rozumnych. Miliony gatunków powstawały, rosły w siłę i znikały przez ten długi czas, a „tu i teraz” nie jest pod tym względem w żaden sposób wyjątkowe.

Różnice między osobnikami, które decydują o skali ich sukcesu w obliczu selekcji naturalnej, wynikają z różnic między ich genomami. Różnice te zaś pojawiają się w wyniku błędów powstających podczas powielania materiału genetycznego, czyli tak zwanych mutacji. Błędy te zdarzają się losowo. Niekiedy powodują one tak poważne zmiany w organizmie, że nie ma on szans na przeżycie. Inne dają swoim nosicielom dużą przewagę nad innymi osobnikami, powodując na przykład sprawniejsze poruszanie się, większą wytrzymałość czy wysoką płodność. Ogromna większość mutacji natomiast ma skutki gdzieś spomiędzy tych dwóch skrajności. Wiele mutacji nie wywiera w ogóle żadnego efektu na organizm właściciela.

Fakt, że mutacje pojawiają się losowo, raz na jakiś czas, pozwala wykorzystać je jako statystyczny miernik czasu, w jakim przebiega ewolucja organizmów. Jeśli wiemy na przykład, że mutacje zdarzają się w danym odcinku genomu mniej więcej raz na milion lat, to jeśli weźmiemy dwa organizmy, które różnią się od siebie w czterech miejscach na tym odcinku genomu, możemy obliczyć, że organizmy te dzieli prawdopodobnie dwa miliony lat ewolucji. Dwa, a nie cztery (czyli tyle, ile zaobserwowanych mutacji), ponieważ statystycznie każdy z tych dwóch organizmów miał tyle samo czasu, żeby niezależnie „nazbierać” po dwie mutacje od czasu ostatniego wspólnego przodka.

Założenie, że mutacje pojawiają się w genomie losowo z jakąś obliczalną częstością, leży u podstaw hipotezy „zegara molekularnego”. Zakłada ona właśnie, że obserwując różnice genetyczne między osobnikami (z jednego czy z różnych gatunków) i znając tempo ewolucji ich genomu, możemy obliczyć, jak dawno temu organizmy te dzieliły wspólnego przodka. I odwrotnie – jeśli na przykład z zapisu kopalnego wiemy, kiedy dwa organizmy dzieliły wspólnego przodka, możemy obliczyć, jak szybko gromadzą się w ich genomach mutacje. Znajomość tempa ewolucji genomu pozwala nam na obliczenie, kiedy w historii ewolucyjnej tych organizmów miały miejsce inne wydarzenia, dla których nie mamy wystarczającego zapisu kopalnego.

Antyczny DNA

Wyliczanie tempa mutacji nie jest jednak niestety tak proste, jak mogłoby się to wydawać na pierwszy rzut oka. Różne organizmy mają różne tempa mutacji ze względu na różnice w wydajności metabolizmu, jak i skuteczności mechanizmów naprawy błędów powstających w DNA. Ponadto różne fragmenty genomu ewoluują z różną prędkością. Na przykład mutacje w ważnych dla funkcjonowania organizmu genach nie będą się zazwyczaj nagromadzały w populacji osobników zbyt szybko. Dzieje się tak dlatego, że powstające losowo zmiany w dobrze działającym genie w większości przypadków zaburzają raczej niż poprawiają działanie tego genu, a osobniki z zaburzonym działaniem ważnych genów będą miały mniejsze szanse na przetrwanie i posiadanie potomstwa. Natomiast zmiany poprawiające działanie ważnych genów, mimo że zdarzają się rzadko, będą rozprzestrzeniać się w populacji bardzo szybko, gdyż dają swoim nosicielom przewagę nad innymi osobnikami w postaci zwiększonej liczby potomków. Ponieważ trudno jest mierzyć lub przewidywać stopień działania selekcji naturalnej zarówno na pozytywne, jak i na negatywne mutacje, tempo ewolucji genomu zazwyczaj oblicza się dla regionów w genomie, w których mutacje nie wywierają wpływu na sukces ewolucyjny osobników, lub wywierają go w stopniu minimalnym.

Różnice międzygatunkowe, międzygenowe czy wpływ selekcji – to tylko niewielka część czynników, które trzeba brać pod uwagę, chcąc prawidłowo obliczyć tempo ewolucji genomu. Wiele sporów i dyskusji na konferencjach naukowych i na łamach specjalistycznych czasopism wynikło między zwolennikami i przeciwnikami poszczególnych metod i podejść do tego tematu. Należy pamiętać, że aby móc obliczyć tempo mutacji, musimy posiadać jakąś informację kotwiczącą obserwowane różnice genetyczne w czasie. Jeśli obserwujemy różnice we fragmencie genomu między dwoma organizmami, musimy skądś wiedzieć, jak wiele czasu miały te dwa organizmy na nazbieranie danej liczby zmian. Inaczej nie możemy powiedzieć, czy obserwowane mutacje pojawiały się powoli przez długi czas, czy też pojawiały się szybko, ale w krótkim okresie.

Jednym ze sposobów takiego „nastawiania” zegara molekularnego jest użycie tak zwanego antycznego DNA (lub kopalnego DNA), czyli DNA pochodzącego ze starego, nieprzeznaczonego do takich analiz materiału biologicznego. W 2014 roku minęła trzydziesta rocznica pierwszej opublikowanej tego typu analizy genetycznej. Higuchi i współautorzy przeanalizowali wówczas DNA ze stuczterdziestoletniej próbki kwaggi – wymarłego gatunku koniowatych. Pokazali tym samym, że możliwe jest uzyskanie i przeanalizowanie DNA z materiałów muzealnych i stworzyli podwaliny do analiz DNA ze szczątków kopalnych. Co prawda, nie udało się do tej pory, i niestety ze względu na degradację DNA w miarę upływu czasu prawdopodobnie nigdy się nie uda, odtworzyć DNA dinozaurów, ale od czasów pionierskich prac nad antycznym DNA z lat osiemdziesiątych poczyniono wiele niezwykle interesujących odkryć, które nie byłyby możliwe, gdyby dostępne nam były jedynie współczesne organizmy i ich genomy.

Na przykład dzięki odczytaniu genomu Neandertalczyka dowiedzieliśmy się, że nie był on naszym ewolucyjnym przodkiem, a kuzynem. Niemniej jednak, o czym też wiemy dzięki antycznemu DNA, populacje anatomicznie współczesnego człowieka (takiego jak my) na jego drodze z Afryki na podbój reszty świata mieszały się z populacjami innych gatunków z rodzaju Homo . Ponadto badaczom antycznego DNA udało się odkryć zupełnie nowy, wcześniej nieznany gatunek człowieka, mając do dyspozycji jedynie kość palca dłoni oraz dwa zęby, czyli zbyt mało, żeby można było rozpoznać nowy gatunek tradycyjnymi metodami morfologicznymi.

Antyczny DNA uzyskuje się ze starych kości i innych tkanek, ale te same kości i tkanki zawierają też informacje o swoim własnym wieku. Metody takie jak datowanie radiowęglowe umożliwiają określenie, jak dawno temu organizm, do którego dana kość czy tkanka należała, żył, konsumując związki węgla (na przykład w formie roślin czy mięsa). Antyczne próbki mogą być symultanicznie źródłem dwóch typów informacji: genetycznej i wiekowej. Jeśli więc na przykład mamy dwie antyczne próbki – jedną sprzed stu, a drugą sprzed pięćdziesięciu tysięcy lat, i obserwujemy między nimi w wybranym fragmencie genomu pewną liczbę różnic w sekwencji DNA, to wiemy, że młodszy organizm, reprezentowany przez młodszą próbkę, miał o pięćdziesiąt tysięcy lat więcej niż starszy z nich na nagromadzenie swoich mutacji od czasu ostatniego wspólnego przodka tych dwóch organizmów. Jeśli dodamy do naszego porównania kolejne antyczne próbki, będziemy mieć wystarczająco dużo danych, żeby móc z pewnym przybliżeniem powiedzieć, kiedy ów ostatni wspólny przodek tych organizmów żył oraz jakie jest tempo nagromadzania się mutacji w tym fragmencie genomu dla tej grupy organizmów.

Np. niedźwiedź jaskiniowy

Oczywiście obliczenia takie korzystają z modeli matematycznych i przyjmują wiele założeń. W moich badaniach skupiłam się na badaniu możliwości i ograniczeń używania antycznego DNA do odtwarzania ewolucyjnej skali czasowej. Sprawdzałam, jak bardzo modele, które mamy w takich analizach do dyspozycji, są odporne na łamanie założeń przez próby z prawdziwego świata. Wykazałam na przykład z moimi współpracownikami, że nie ma potrzeby wydawać pieniędzy na analizy radiowęglowe i genetyczne dużej liczby antycznych próbek, ponieważ przy odpowiednim zróżnicowaniu wiekowym i genetycznym tylko kilka próbek wystarczy, żeby precyzyjnie i miarodajnie obliczyć tempo ewolucji. Ponadto opracowaliśmy metodę włączania niewiadomych, takich jak nieprecyzyjność datowań radiowęglowych, do metod nastawiania zegara molekularnego.

Moje teoretyczne badania nad możliwościami zastosowania antycznego DNA w obliczaniu tempa ewolucji wykorzystałam w praktyce w badaniach nad wymarłym niedźwiedziem jaskiniowym. Wykorzystując DNA otrzymany z kości i zębów tego zwierzęcia, znajdowanych w jaskiniach rozrzuconych po całej Eurazji, prześledziliśmy, jak zmieniała się populacja tego gatunku przez dziesiątki tysięcy lat. Wykazaliśmy między innymi, że zasięg występowania niedźwiedzia jaskiniowego stopniowo kurczył się ze wschodu na zachód, czemu towarzyszył dramatyczny spadek różnorodności genetycznej w obrębie populacji. Wyliczona wielkość populacji zmniejszała się stopniowo przez ostatnie dwadzieścia pięć tysięcy lat przed wymarciem tego gatunku, które miało miejsce około dwudziestu ośmiu tysięcy lat temu. Dzięki zastosowaniu zegara molekularnego i posiadaniu wielu wydatowanych radiowęglowo próbek udało nam się także obliczyć wiek próbek, który był dotąd nieznany.

Nasze badania niedźwiedzi jaskiniowych to tylko jeden przykład zastosowania antycznego DNA do odtwarzania ewolucyjnej skali czasowej. Wiele gatunków zwierząt, roślin i mikroorganizmów kryje przed nami jeszcze niejedną tajemnicę, w ich odkrywaniu antyczny DNA zapewne okaże się niezwykle pomocny. Historia naszego własnego gatunku, między innymi dzięki badaniom antycznego DNA, okazuje się ciągle coraz bardziej złożona i bardziej fascynująca niż dotąd mogliśmy przypuszczać. W odkrywaniu tej historii zawsze ważne pozostanie nie tylko „co”, ale i „kiedy”. Na szczęście DNA nosi w sobie ślady z przeszłości. Choć dopiero uczymy się je odczytywać, już dziś dzięki antycznemu DNA udaje się odpowiedzieć na tak ekscytujące pytania jak: jaką drogą i kiedy odbywała się ekspansja człowieka z Afryki do najdalszych zakątków świata, kiedy i gdzie pojawił się niebieski kolor oczu, jaką karnację mieli Neandertalczycy oraz czy rolnicy w czasie tzw. rewolucji neolitycznej wypierali sukcesywnie łowców-zbieraczy czy może jedynie idea rolnictwa wypierała sukcesywnie łowiectwo i zbieractwo.