Kladogram organizmów żywych.

Kladogram (drzewo ewolucyjne) głównych organizmów żywych. Zegary molekularne pozwalają na wydatowanie momentu rozejścia się poszczególnych linii ewolucyjnych (źródło: Wikimedia).

Historię życia odtwarzamy głównie na podstawie skamieniałości. Istnieje też jednak inne źródło informacji, coraz częściej wykorzystywane – ewolucja molekularna.

Powstanie metod molekularnych związane jest z rozwojem biologii i genetyki. Dzięki niemu możliwe stało się odtworzenie historii życia poprzez badania współczesnych organizmów. Metody molekularne uzupełniają w efekcie dane paleontologiczne.

Cel badań paleontologicznych i molekularnych jest taki sam – ustalenie momentów pojawienia się głównych grup organizmów zasiedlających Ziemię. Sposoby, którymi naukowcy realizują to zadanie, różnią się jednak znacznie w zależności od metody:

  • badania paleontologiczne opierają się na poszukiwaniach skamieniałości, ustalaniu stopnia ich pokrewieństwa, a następnie wykreślaniu drzewa filogenetycznego, obrazującego działanie ewolucji w czasie,
  • metody molekularne oparte są na badaniu materiału genetycznego oraz białek budujących współczesne organizmy; analizując różnice w sekwencjach DNA oraz związkach białkowych można ustalić, ile czasu musiało upłynąć od rozdzielenia się danych linii ewolucyjnych; im więcej czasu minęło, tym więcej różnic.

Zegary molekularne

Sekwencje DNA, białka oraz inne związki chemiczne budujące organizmy żywe, wykorzystywane w badaniach molekularnych to tak zwane zegary molekularne. Zgodnie z teorią ewolucji powinny one zmieniać stopniowo swoją budowę w drodze kolejnych mutacji. I tak się rzeczywiście dzieje.

Co powoduje, że dany związek, enzym lub sekwencja może być wykorzystana w roli zegara ewolucyjnego? Powinna ona:

  • występować w jak największej liczbie grup organizmów – w przeciwnym wypadku niemożliwe będzie śledzenie różnic pomiędzy poszczególnymi gałęziami drzewa historii życia,
  • zmiany w strukturze zegara molekularnego nie mogą zachodzić zbyt szybko (w przeciwnym wypadku nie będzie on nadawał się do śledzenia linii ewolucyjnych z dalekiej przeszłości geologicznej); z drugiej strony zmiany powinny zachodzić – powoli, ale nieustannie.

Do tej pory wyodrębniono sporą liczbę białek oraz sekwencji DNA dobrze spełniających się w roli zegarów molekularnych. Efektowne drzewa filogenetyczne (ewolucyjne) można tworzyć na przykład na podstawie cytochromów c (mitochondrialnych białek) oraz hemoglobin. Białka te znajdują się w organizmach wszystkich grup zwierzęcych, a nawet w bakteriach.

Drzewo życia według Darwina.

Przykładowe drzewo ewolucyjne z pracy Darwina O powstawaniu gatunków (1859). Wydatowanie momentów rozdzielenia się poszczególnych gałęzi było wówczas możliwe tylko w ograniczonej skali; dzisiaj pozwala na to nowoczesna paleontologia oraz zegary molekularne.

Korzystanie z zegarów molekularnych wymaga oszacowania tempa, w jakim dochodziło do mutacji danego związku. Naukowcy dokonują tego w następujących krokach:

  1. kalibracja – polega ona na wyliczeniu liczby mutacji (na przykład podstawień aminokwasów), które nastąpiły dla danego zegara od momentu rozdzielenia się dwóch gatunków lub grup organizmów;
  2. wyliczenie czasu, w którym doszło do pojedynczej mutacji – w tym celu potrzebne jest datowanie momentu rozdzielenia się gałęzi ewolucyjnych wykonane z użyciem innych metod;
  3. ekstrapolacja tempa pojawiania się mutacji w przeszłość geologiczną – w tym celu zakłada się, że zmiany zachodzą w stałym tempie; tempo to jest inne dla każdego zegara molekularnego, ale stałe dla różnych grup organizmów;
  4. datowanie innych rozdzieleń linii ewolucyjnych – w tym celu wystarczy pomnożyć liczbę mutacji dzielących dwie grupy organizmów przez czas, w którym zachodzi pojedyncza zmiana ewolucyjna.

Zegary molekularne i paleontologia – co lepsze?

Porównajmy teraz rezultaty uzyskane za pomocą badań paleontologicznych oraz pomiarów z użyciem zegarów molekularnych. Obie metody mają zalety i wady.

Cytochrom c.

Cytochrom c – jeden z zegarów molekularnych (rys. Klaus Hoffmeier).

Na początku spójrzmy na najważniejsze cechy datowań wykonanych na podstawie skamieniałości:

  • czas rozdzielenia linii ewolucyjnych jest zawsze zaniżony – paleontolodzy nigdy nie znajdą bowiem pierwszego osobnika danego gatunku ani pierwszego gatunku danej grupy filogenetycznej; w zapisie kopalnym zachowuje się bowiem jedynie skromny wycinek rzeczywistej bioróżnorodności, a większość taksonów nie pozostawia żadnych skamieniałości,
  • datowania paleontologiczne nie są zawyżone – pierwsza znaleziona skamieniałość danej grupy pozwala na stwierdzenie, że w danym momencie grupa ta z pewnością istniała; owszem, niektóre skamieniałości są kontrowersyjne, a ich przynależność nie jest jasna (na przykład pierwsze ptaki); jednak skamieniałość może zostać z czasem zbadana lepiej, a ponadto różnice w datowaniach związane z niepewną przynależnością gatunku z reguły nie są znaczne,
  • budowa organizmu wpływa na szanse jego zachowania w postaci skamieniałości, a to z kolei zmienia datowania ewolucyjne – organizmy proterozoiczne (prekambryjskie) były pozbawione szkieletów; a to powoduje, że ich prawdopodobieństwo zachowania było nikłe; w efekcie datowania prekambryjskich zdarzeń ewolucyjnych metodami paleontologicznymi są drastycznie zaniżone w stosunku do danych molekularnych.

Metody polegające na wykorzystaniu zegarów molekularnych też posiadają swoje zalety i wady:

  • istnienie założeń (tempo mutacji jest stałe), które nie zawsze muszą się sprawdzać stanowi poważne zagrożenie; problemem jest także konieczność ekstrapolacji w bardzo odległą przeszłość (niekiedy dalszą niż 1 mld lat) datowań uzyskanych na późniejszych organizmach;
  • zegary molekularne mogą zarówno zaniżać, jak i zawyżać datowania; pod tym względem są gorsze od metod paleontologicznych, które wprawdzie też są obarczone błędem, ale charakter tego błędu jest możliwy do określenia;
  • zegary molekularne nie są zależne od szans danego organizmu na zachowanie się w zapisie kopalnym – a zatem zdarzenia ewolucyjne, które stały się udziałem prekambryjskich, bezszkieletowych skamieniałości mogą być wydatowane równie dobrze, jak rozdzielenie się grup świetnie zachowujących się w skałach; to najważniejsza zaleta metod molekularnych w porównaniu z paleontologią.

Podsumowanie

Obie opisane metody mają swoje zalety i wady. Mimo ich zdecydowanie różnego charakteru często dają one zbliżone rezultaty.

Różnice pomiędzy datowaniami uzyskanymi dzięki paleontologii a danym z zegarów molekularnych rosną wraz z oddalaniem się od współczesności. W przypadku najstarszych, prekambryjskich (liczących sobie więcej niż 550 mln lat) śladów życia rozbieżności pomiędzy obiema metodami są już znaczne i mogą sięgać nawet kilkaset milionów lat.

Możemy przypuszczać, że w przyszłości te różnice będą się zmniejszały. Paleontolodzy wciąż odnajdują nowe ślady pierwszych organizmów żywych. Z kolei biolodzy opracowują kolejne zegary molekularne i dokładniej kalibrują już istniejące. Niebawem doczekamy się zapewne o wiele lepszych i pewniejszych datowań historii życia na Ziemi.

Warto przeczytać:

Aleksandra Kubicz. Tajemnice ewolucji molekularnej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa – Wrocław, 1999, 113 stron.