Zegar molekularny

Zegar mole­ku­larny to metoda wykor­zys­tu­jąca liczbę mutacji w geno­mie dwóch blisko spokrew­nionych gatun­ków, aby okreś­lić czas, w którym te dwa gatunki oddziel­iły się od siebie w drze­wie genealogicznym.

Podsta­wo­wym warun­kiem tej koncep­cji jest założe­nie, że życie na ziemi jest mono­file­ty­czne, tj. że całe życie na ziemi pochodzi od tej samej pier­wot­nej żywej istoty. Oznacza to, że dla dowol­nych dwóch żywych istot zawsze istnieje wspólny przo­dek, z którego te żywe istoty się rozwinęły.

Drzewo genea­lo­giczne życia: począwszy od wspól­n­ego przodka dla wszyst­kich żywych istot, wszyst­kie żyjące istoty rozwinęły się dzieląc się na dwie gałę­zie, które z kolei podziel­iły się na dalsze dwie gałę­zie i tak dalej. (Źródło: opentreeoflife.org).

To założe­nie jest poparte faktem, że wszyst­kie żywe istoty używają tych samych cegiełek do życia. Należy do nich pięć nukleo­ty­dów: adenina, cyto­zyna, guanina, uracyl i tymina, które tworzą jednostki infor­ma­cy­jne kwasów nukle­in­owych wszyst­kich żywych orga­niz­mów. Skła­dają się one również z około 20 takich samych L‑aminokwasów jako elementy budul­cowe białek i z kodu gene­ty­cz­n­ego, który jest iden­ty­czny dla wszyst­kich żywych istot i który przy­pi­suje okreś­l­ony aminok­was do sekwen­cji trzech nukleotydów.

Wiedza, kiedy gatunki oddziel­iły się od siebie, jest ważna z kilku powo­dów. Z jednej strony, moment w czasie dost­ar­cza wska­zó­wek, czy gatunki, które są obec­nie uważane za bezpoś­red­nio spokrew­nione, rzec­zy­wiście są. Po drugie, podziały mogą być powią­zane ze zdar­zeniami środo­wis­ko­wymi, które mogły je wywołać lub wspomagać.

Mutacje i współc­zyn­nik mutacji

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.

Możliwe zasto­so­wa­nia zegara molekularnego

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]

Komentowanie jest wyłączone.