Marzenie Darwina

Dlaczego więc ludzkości zajęło tak dużo czasu odkrycie tych zasad? Po prostu dlatego, że ewolucja dokonuje się wolno, bardzo wolno.

Ewolucja jest tak powolna, że nie można jej zaobserwować podczas życia jednostki. Dla nas gatunki wydają się być ustalone raz na zawsze. Konsekwencje zmian są widoczne dla wszystkich, ale rozwój wydarzeń wzdłuż czasowej osi ewolucyjnej pozostawał ukryty do czasów Darwina. Początkowy opór wobec jego odkryć był zaciekły… jakże musiał marzyć o pokazaniu ewolucji w działaniu! Jednak nawet dzisiaj, choć widzimy wiele wymierających gatunków, niewielu z nas "widziało" kiedykolwiek nowe gatunki powstające na bazie starych. Wciąż nie możemy uchwycić ewolucji w działaniu.

W ciągu ostatnich 15 lat naukowcy zdołali odczytać sekwencję DNA z genomów - tak jest, ze wszystkich genomów - z tak różnych żyjących gatunków jak winorośl i żaba, kurczak i morski zawilec, mucha i człowiek, nie mówiąc już o setkach odmian bakterii. Wszystkie te gatunki są połączone ewolucyjnie, ponieważ w pewnym momencie miały wspólnego przodka. Dla przykładu ludzie, myszy i psy mają pewnego prymitywnego ssaka jako ostatniego wspólnego przodka, a jeszcze dawniej temu cała ta trójka miała pewnego prymitywnego kręgowca za wspólnego przodka z rybami.

Idealny eksperyment, taki który pokazywałby całą przestrzeń naukową wraz z nowymi wnioskami, obejmowałby porównanie sekwencji genomu jednego z takich pradawnych gatunków z ich współczesnymi potomkami. To jak porównanie siebie z fotografią pradziadków: podobieństwa i różnice stają się natychmiast widoczne, charakterystyczna sygnatura wspólnego rodowodu wraz z przypadkowymi zmianami. Gdyby, dla przykładu, było możliwe przeanalizowanie sekwencji genomu pradawnego ssaka - naszego wspólnego przodka z psami i myszami - taki eksperyment umożliwiłby bezpośrednie wskazanie zmian, które zaszły w rodowodzie prowadzącym do powstania ludzi.

Jeszcze bardziej fascynujące byłoby porównanie serii znacznie starszych, pradawnych genomów, które doprowadziły do powstania współczesnych gatunków. Gdybyśmy mogli zobaczyć zmiany, które zaszły od pradawnego kręgowca do pradawnego ssaka, a potem do dawnego naczelnego i wreszcie do współczesnego człowieka, otrzymalibyśmy wyjątkowe szczegóły kaskady ewolucji, która kiedyś miała miejsce. Ewolucja w działaniu! Stopniowa zmiana zachodząca w genomie i dająca początek nowych gatunków objawiłaby się przed naszymi oczami i marzenie Darwina wreszcie by się spełniło

Niestety, ta wizja na zawsze pozostaje utopijna, ponieważ DNA każdego organizmu degraduje się w ciągu najwyżej kilku tysięcy lat, a pradawne genomy istniały miliony lat temu. Jedynym sposobem na przeanalizowanie zmian w konkretnej sekwencji genów jest porównanie genomów istniejących par gatunków: człowieka do myszy, myszy do psa, szympansa do makaka i tak dalej, zauważając podobieństwa i różnice pomiędzy nimi. Bez zdjęcia naszych pradziadków cechy które odziedziczyliśmy możemy wywnioskować jedynie porównując się z naszym rodzeństwem i kuzynami. Jeżeli wykorzystamy to podejście przy analizie genomu, będzie to mozolna praca, nie pozwalająca na natychmiastowe rozpoznanie zmian zachodzących pomiędzy poszczególnymi liniami.

By zaradzić tej sytuacji nasz zespół z Ecole Normale Supérieure w Paryżu opracował unikalny zestaw programów komputerowych pozwalający na zrekonstruowanie genomów pradawnych gatunków przy pomocy wersji pobranych od ich potomków. Naszym pierwszym celem jest zbudowanie pradawnego porządku genów. Jak możemy wnioskować, że dwa geny, A i B, w ludzkim genomie były rzeczywiście sąsiadami u pradawnego ssaka? Nasze rozumowanie zasadza się na strategii która uprzywilejowuje najmniej skomplikowane rozwiązania problemu. Jeżeli więc dwie współczesne wersje genów są sąsiadami w, powiedzmy, genomie myszy i człowieka, to zakładamy, że oba zostały odziedziczone po ostatnim wspólnym przodku, a nie że A i B zostały sąsiadami niezależnie w linii człowieka i myszy. To rozumowanie jest uprawnione, ponieważ działania ewolucyjne, które przestawiają porządek genów w genomie są rzadkie, zdarzają się średnio od jednego do dziesięciu razów na milion lat ewolucji kręgowców. Zbudowaliśmy metodę, która generalizuje to "skąpe" podejście i obecnie rekonstruujemy porządek genów w 15 pradawnych genomach, które wyewoluowały z pierwszego kręgowca. Intensywne symulacje komputerowe potwierdziły dokładność i solidność naszych wyników.

Przebieg ewolucji, zachodzącej w realnym życiu od ponad 400 milionów lat, można obecnie studiować na bieżąco, co wcześniej nie było możliwe. Dzięki spektakularnemu rozwojowi nauki, dwieście lat po jego urodzeniu urzeczywistnienie wizji Darwina, by zobaczyć ewolucję na żywo jest o krok bliżej… w komputerze.

Hugues Roest Crollius, Ecole Normale Supérieure - CNRS www.atomiumculture.eu