Zegar molekularny

Pełna infor­ma­cja każdej komórki o jej budo­wie i możli­wo­ściach funk­cjo­nal­nych prze­cho­wy­wana jest w jej mate­riale gene­tycz­nym, tzw. geno­mie, w postaci kwasu rybo­nu­kle­ino­wego (RNA, czyli kwasu rybo­nu­kle­ino­wego) lub dezok­sy­ry­bo­nu­kle­ino­wego (DNA). W tych kwasach nukle­ino­wych wyżej wymie­nione nukle­otydy są zorga­ni­zo­wane w sposób podobny do łańcu­cha, a ich kolej­ność w tym łańcu­chu koduje infor­ma­cję. Kiedy komórki się rozmna­żają, musi być utwo­rzona iden­tyczna kopia komórki, zanim komórka będzie mogła się podzie­lić. Chociaż proces kopio­wa­nia odbywa się z dużą dokład­no­ścią, w zasa­dzie jest niemoż­liwe, aby zawsze prze­bie­gał bez żadnych błędów. Te błędy kopio­wa­nia nazy­wane są muta­cjami. Jeśli infor­ma­cja gene­tyczna zosta­nie prze­kształ­cona w syntezę białek, muta­cja prowa­dzi do zmiany produ­ko­wa­nych cząste­czek białka, co z kolei powo­duje zmiany we właści­wo­ściach komórki. To z kolei stanowi podsta­wowy wymóg ewolu­cji.

Jednak ma znacze­nie, gdzie w geno­mie wystę­pują muta­cje. Infor­ma­cje w geno­mie dzielą się na geny struk­tu­ralne i geny regu­la­to­rowe. Geny struk­tu­ralne to geny kodu­jące białka, takie jak enzymy lub substan­cje maga­zy­nu­jące. Zmiany spowo­do­wane muta­cjami w tych genach są znane jako ewolu­cja mole­ku­larna. Geny regu­la­to­rowe okre­ślają, w jaki sposób i w jakim kontek­ście odczy­ty­wane są geny struk­tu­ralne, czyli jak wytwa­rzane są białka. Zmiany wyni­ka­jące z muta­cji w tych genach nazy­wane są ewolu­cją morfo­lo­giczną. Nie ma związku między szyb­ko­ścią ewolu­cji mole­ku­lar­nej a szyb­ko­ścią ewolu­cji morfo­lo­gicz­nej. Podczas gdy muta­cja w genach struk­tu­ral­nych wystę­puje ze stosun­kowo stałymi wskaź­ni­kami muta­cji, muta­cja w sekwen­cjach regu­la­to­ro­wych genów wystę­puje raczej nieregularnie.

W przy­padku muta­cji, które wystę­pują regu­lar­nie, metoda ta może posłu­żyć do okre­śle­nia, wyko­rzy­stu­jąc zmiany w biał­kach marke­ro­wych, np. poja­wie­nia się współ­cze­snego czło­wieka, czyli jego oddzie­le­nia od przod­ków, oddzie­le­nia czło­wieka od małp człe­ko­kształt­nych, a nawet czas tzw. promie­nio­wa­nia kambryj­skiego, w czasie którego w bardzo krót­kim czasie rozwi­nęły się podsta­wowe plany ciała prawie wszyst­kich dziś jesz­cze istnie­ją­cych typów zwierząt.

Jak już wspo­mniano, warun­kiem tego jest w miarę stały współ­czyn­nik muta­cji mate­riału gene­tycz­nego. Aby to usta­lić, tj. „skali­bro­wać” zegar, konieczne są inne metody dato­wa­nia, takie jak dato­wa­nie radio­me­tryczne lub stra­ty­gra­ficzne najwcze­śniej­szych skamie­nia­ło­ści gatun­ków lub szcze­pów, które mają być porównywane.

Jak wyka­zały poprzed­nie bada­nia, częstość muta­cji niestety nie zawsze jest stała. Kolejna trud­ność wynika z faktu, że muta­cje w geno­mie nie wszę­dzie są jedna­kowo częste i praw­do­po­dobne. Dlatego „stały wskaź­nik muta­cji” zawsze doty­czy tylko okre­ślo­nego regionu genomu. Jednak gdy już to zosta­nie usta­lone, moment, w którym dwa gatunki oddzie­liły się od ich ostat­niego wspól­nego przodka, można okre­ślić stosun­kowo dokładnie.

Główne problemy przy obli­cza­niu czasu za pomocą zegara mole­ku­lar­nego doty­czą zatem tego, czy i jak stały jest wskaź­nik wykry­tych muta­cji oraz czy ten wskaź­nik muta­cji zmie­nił się znacząco na prze­strzeni milio­nów lat.

Metoda zegara mole­ku­lar­nego jest szcze­gól­nie przy­datna w przy­padku bakte­rii lub wiru­sów, których genom składa się z linio­wej nici DNA i których współ­czyn­nik muta­cji jest mniej więcej taki sam w całym geno­mie. Ale nawet jeśli tak nie jest, związki między różnymi szcze­pami bakte­rii lub wiru­sów można opisać za pomocą obli­cze­nia praw­do­po­do­bieństw warun­ko­wych (twier­dze­nie Bayesa).

Stoso­wa­nie zegara mole­ku­lar­nego jest bardziej skom­pli­ko­wane w bardziej rozwi­nię­tych orga­ni­zmach z geno­mem podzie­lo­nym na chro­mo­somy. [KHB]