Το Evolution τρέχει πιο γρήγορα σε σύντομα χρονικά διαστήματα

Στη δεκαετία του 1950, ο Φινλανδός βιολόγος Björn Kurtén παρατήρησε κάτι ασυνήθιστο στα απολιθωμένα άλογα που μελετούσε. Όταν συνέκρινε τα σχήματα των οστών των ειδών που χωρίζονται από λίγες μόνο γενιές, μπόρεσε να εντοπίσει πολλές μικρές αλλά σημαντικές αλλαγές. Ωστόσο, τα είδη αλόγων που χωρίστηκαν κατά εκατομμύρια χρόνια παρουσίασαν πολύ λιγότερες διαφορές στη μορφολογία τους. Μεταγενέστερες μελέτες κατά τον επόμενο μισό αιώνα βρήκαν παρόμοια αποτελέσματα - οι οργανισμοί φάνηκε να εξελίσσονται πιο γρήγορα όταν οι βιολόγοι τους παρακολούθησαν σε μικρότερα χρονικά διαστήματα.

Στη συνέχεια, στα μέσα της δεκαετίας του 2000, ο Simon Ho, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ, αντιμετώπισε ένα παρόμοιο φαινόμενο στα γονιδιώματα που ανέλυε. Όταν υπολόγισε πόσο γρήγορα συσσωρεύτηκαν μεταλλάξεις DNA σε πτηνά και πρωτεύοντα θηλαστικά μέσα σε λίγες μόνο χιλιάδες χρόνια, ο Χο βρήκε ότι τα γονιδιώματα ήταν γεμάτα από μικρές μεταλλάξεις. Αυτό έδειξε ένα γρήγορο εξελικτικό ρολόι. Αλλά όταν έκανε σμίκρυνση και συνέκρινε αλληλουχίες DNA που χωρίζονταν κατά εκατομμύρια χρόνια, βρήκε κάτι πολύ διαφορετικό. Το εξελικτικό ρολόι είχε επιβραδυνθεί μέχρι να σέρνεται.

Μπερδεμένος από τα αποτελέσματά του, ο Χο άρχισε να δουλεύει προσπαθώντας να καταλάβει τι συνέβαινε. Σκόνταψε στο έργο του Kurtén το 1959 και συνειδητοποίησε ότι οι διαφορές στους ρυθμούς φυσικής αλλαγής που είδε ο Kurtén εμφανίζονταν επίσης σε γενετικές αλληλουχίες.

Το ένστικτό του ως εξελικτικός βιολόγος του έλεγε ότι τα ποσοστά μετάλλαξης που έβλεπε βραχυπρόθεσμα ήταν τα σωστά. Τα γονιδιώματα διέφεραν σε λίγες μόνο τοποθεσίες και κάθε αλλαγή ήταν τόσο εμφανής όσο ένα παφλασμό χρώματος σε έναν λευκό τοίχο.

Αλλά αν εμφανιστούν περισσότερες πιτσιλιές χρώματος σε έναν τοίχο, θα κρύψουν σταδιακά κάποιο από το αρχικό χρώμα κάτω από νέα στρώματα. Ομοίως, η εξέλιξη και η φυσική επιλογή καταγράφουν τις αρχικές μεταλλάξεις που εμφανίζονται σε σύντομες χρονικές κλίμακες. Για εκατομμύρια χρόνια, ένα Α στο DNA μπορεί να γίνει Τ, αλλά στο μεσοδιάστημα μπορεί να είναι ένα C ή ένα G για λίγο. Ο Χο πιστεύει ότι αυτός ο κορεσμός μετάλλαξης είναι μια κύρια αιτία αυτού που αποκαλεί το φαινόμενο του χρονοεξαρτώμενου ρυθμού.

«Σκεφτείτε το σαν το χρηματιστήριο», είπε. Κοιτάξτε τις ωριαίες ή ημερήσιες διακυμάνσεις του δείκτη Standard &Poor's 500 και θα φαίνεται εξαιρετικά ασταθής, ταλαντευόμενος από την άλλη πλευρά. Σμίκρυνση, ωστόσο, και η αγορά εμφανίζεται πολύ πιο σταθερή καθώς οι ημερήσιες βάρδιες αρχίζουν να μειώνονται κατά μέσο όρο. Με τον ίδιο τρόπο, οι δυνάμεις της φυσικής επιλογής εξαλείφουν τις λιγότερο συμφέρουσες και πιο επιβλαβείς μεταλλάξεις με την πάροδο του χρόνου.

Η ανακάλυψη του φαινομένου του χρονοεξαρτώμενου ρυθμού στο γονιδίωμα από τον Χο είχε σημαντικές επιπτώσεις για τους βιολόγους. Αυτό σήμαινε ότι πολλές από τις ημερομηνίες που χρησιμοποιούσαν ως σελιδοδείκτες όταν διάβαζαν το έπος της ζωής - τα πάντα από τον πρώτο διαχωρισμό μεταξύ ευκαρυωτών και προκαρυωτών πριν από δισεκατομμύρια χρόνια έως την επανεμφάνιση του ιού Έμπολα το 2014 - θα μπορούσαν να είναι λάθος. «Όταν βγήκε αυτό το έργο, όλοι είπαν «Ω. Ω, αγαπητέ», είπε ο Rob Lanfear, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας στην Καμπέρα.

Το φαινόμενο του χρονοεξαρτώμενου ρυθμού δεν εκτιμήθηκε πλήρως στην αρχή. Πρώτον, είναι μια τόσο μεγάλη και συνεπακόλουθη έννοια που οι βιολόγοι χρειάζονταν χρόνο για να τυλίξουν το κεφάλι τους γύρω από αυτήν. Αλλά υπάρχει ένα μεγαλύτερο εμπόδιο:Η ιδέα ήταν σχεδόν αδύνατο να χρησιμοποιηθεί. Οι βιολόγοι δεν ήταν σε θέση να ποσοτικοποιήσουν ακριβώς πόσο θα έπρεπε να αλλάξουν τις εκτιμήσεις τους για το πότε συνέβησαν τα πράγματα κατά τη διάρκεια της εξελικτικής ιστορίας. Χωρίς έναν συγκεκριμένο τρόπο υπολογισμού των μετατοπίσεων των εξελικτικών ρυθμών με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να συγκρίνουν τις ημερομηνίες.

Πρόσφατα, ο Άρης Κατζουράκης, παλαιοϊολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, πήρε το φαινόμενο του χρονοεξαρτώμενου ρυθμού και το εφάρμοσε στην εξέλιξη των ιών. Με αυτόν τον τρόπο, όχι μόνο απώθησε την προέλευση ορισμένων κατηγοριών ρετροϊών πριν από περίπου μισό δισεκατομμύριο χρόνια - πολύ πριν τα πρώτα ζώα μετακινηθούν από τις θάλασσες στη γη - έχει επίσης αναπτύξει ένα μαθηματικό μοντέλο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εξηγούν το φαινόμενο του χρονοεξαρτώμενου ρυθμού, παρέχοντας στους βιολόγους πολύ πιο ακριβείς ημερομηνίες για εξελικτικά γεγονότα.

Άλλοι επιστήμονες είναι ενθουσιασμένοι με την προοπτική. «Είναι σαν τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, αλλά για τους ιούς», δήλωσε ο Sebastián Duchêne, υπολογιστικός εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης. Το φαινόμενο του χρονοεξαρτώμενου ρυθμού λέει ότι η ταχύτητα της εξέλιξης ενός οργανισμού θα εξαρτηθεί από το χρονικό πλαίσιο στο οποίο ο παρατηρητής τον κοιτάζει. Και όπως συμβαίνει με τη σχετικότητα, οι ερευνητές μπορούν τώρα να υπολογίσουν κατά πόσο.

Κυνήγι ιικών απολιθωμάτων

Ο Κατζουράκης πέρασε την καριέρα του προσπαθώντας να εντοπίσει την προέλευση του HIV και άλλων αποκαλούμενων «ρετροϊών», οι οποίοι αποτελούνται από μεμονωμένες σειρές RNA.

Όταν εξέτασε τα ποσοστά μετάλλαξης του HIV, διαπίστωσε ότι είναι ένας από τους ταχύτερα εξελισσόμενους ιούς που έχουν μελετηθεί ποτέ. Ο γρήγορος ρυθμός μετάλλαξης είναι λογικός:Τα δίκλωνα μόρια όπως το DNA έχουν μοριακούς διορθωτές που μπορούν συχνά να διορθώσουν σφάλματα που έγιναν κατά την αντιγραφή, αλλά ο HIV και άλλοι ιοί μονόκλωνου RNA δεν το κάνουν. Τα ορθογραφικά λάθη εμφανίζονται πάνω από τα ορθογραφικά λάθη.

Εξαιτίας αυτού, οι ιολόγοι μπορούν να μελετήσουν απευθείας μόνο το πρόσφατο ιστορικό ιών σαν αυτόν. Τα παλαιότερα δείγματα έχουν φτάσει σε κορεσμό μετάλλαξης, με τόσα πολλά συσσωρευμένα ορθογραφικά λάθη που οι επιστήμονες δεν μπορούν να τα υπολογίσουν όλα. Η ανάληψη της ιστορίας των ρετροϊών χιλιάδες ή εκατομμύρια χρόνια πίσω θα απαιτούσε έναν διαφορετικό τρόπο μέτρησης των ποσοστών μετάλλαξης.

Ο Κατζουράκης στράφηκε σε άλλη τεχνική. Έψαξε για κάτι παρόμοιο με ιικά απολιθώματα μέσα στο DNA των ξενιστών τους. Οι ρετροϊοί συχνά εισάγουν αντίγραφα του γενετικού τους υλικού στα κύτταρα του ξενιστή τους. Τις περισσότερες φορές, οι πληροφορίες πεθαίνουν με τον οικοδεσπότη. Σε σπάνιες περιπτώσεις, ωστόσο, ένας ρετροϊός χτυπά το εξελικτικό τζάκποτ και γλιστράει μέσα στο γονιδίωμα ενός σπέρματος ή ενός ωαρίου. Φωλιασμένος με ασφάλεια στο DNA του ξενιστή του, ο ιός μεταδίδεται μέσω των γενεών.

Ο Κατζουράκης χρησιμοποίησε αυτά τα ιογενή λείψανα για να μελετήσει την αρχαία προέλευση των ρετροϊών. Όταν όμως το έκανε, του ήρθε μια μεγάλη έκπληξη. Ο ρυθμός εξέλιξης αυτών των ρετροϊών για μεγάλα χρονικά διαστήματα φάνηκε να επιβραδύνεται δραματικά, σχεδόν ταυτιζόμενος με αυτόν των ανθρώπων και άλλων πολύπλοκων ζωών — οργανισμών που διαθέτουν μηχανισμό διορθωτή και επομένως θα πρέπει να αλλάζουν με πολύ πιο αργό ρυθμό.

Εάν οι ιοί εξελίσσονταν πολύ πιο αργά από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες, θα μπορούσε να σημαίνει ότι οι ιοί ήταν επίσης πολύ μεγαλύτεροι από το αναμενόμενο. Σε τελική ανάλυση, ένας αργά εξελισσόμενος ιός θα χρειαστεί περισσότερο χρόνο για να αλλάξει κατά τον ίδιο βαθμό όπως ένας ιός που εξελίσσεται γρήγορα.

Έτσι, ξεκίνησε να βρει μια ακριβή ημερομηνία για την προέλευση των ρετροϊών. Για να το κάνει αυτό, στράφηκε σε μια ομάδα από τους πιο αρχαίους ρετροϊούς, τους λεγόμενους αφρούς ιούς, οι οποίοι μολύνουν τα πάντα, από πιθήκους μέχρι αγελάδες. Αυτή η ασυδοσία επέτρεψε στον Κατζουράκη να βαθμονομήσει το εξελικτικό του ρολόι για να προσδιορίσει ακριβώς πότε εμφανίστηκαν αφρώδεις ιοί. Εάν δύο είδη μοιράζονταν μια αλληλουχία αφρώδους ιού, ο ιός πρέπει να έχει μολύνει τον κοινό τους πρόγονο, πριν τα δύο είδη αποκλίνουν.

«Μας δίνει έναν τρόπο να χρονολογούμε γεγονότα στη βαθιά εξελικτική ιστορία που είναι ανεξάρτητα από τις ίδιες τις ακολουθίες», είπε ο Κατζουράκης.

Ερευνητές σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο είχαν μειώσει αργά την ημερομηνία προέλευσης των αφρωδών ιών πριν από 100 εκατομμύρια χρόνια. Όμως ο Κατζουράκης βρήκε ενδείξεις ότι ο ιός είχε μολύνει ερπετά, αμφίβια και ακόμη και ψάρια πολύ νωρίτερα από 100 εκατομμύρια χρόνια πριν. Ωστόσο, για να δείξει οριστικά ότι οι ρετροϊοί ήταν παλαιότεροι από την αποδεκτή ημερομηνία των 100 εκατομμυρίων ετών, ο Κατζουράκης θα έπρεπε να χρονολογήσει τον ίδιο τον ιό.

Βούτηξε στις εργασίες του Ho σχετικά με το φαινόμενο του ρυθμού που εξαρτάται από τον χρόνο, ελπίζοντας να καταλάβει πώς να το εφαρμόσει σε ιούς. Ήθελε επίσης να δημιουργήσει ένα γενικό μοντέλο που θα επέτρεπε στους ερευνητές να εισαγάγουν το χρονοδιάγραμμα που παρατηρούσαν και να λάβουν πίσω λεπτομέρειες σχετικά με τον εξελικτικό ρυθμό του οργανισμού.

Ο Κατζουράκης και ο μαθητής του Pakorn Aiewsakun δοκίμασαν τέσσερις διαφορετικούς τρόπους για να ποσοτικοποιήσουν πόσο γρήγορα φαινόταν να αλλάζει ο εξελικτικός ρυθμός με βάση το χρονοδιάγραμμα. Βρήκαν ότι ένα μοντέλο ρυθμού αποσύνθεσης νόμου ισχύος ταιριάζει καλύτερα στα δεδομένα τους και έδειξαν ότι οι εξελικτικοί ρυθμοί μειώνονται εκθετικά καθώς αυξάνεται η χρονική κλίμακα. Μια μεταγενέστερη μελέτη 396 διαφορετικών ιών αποκάλυψε ότι ο εξελικτικός ρυθμός επιβραδύνεται με τον ίδιο ρυθμό σε όλους σχεδόν τους τύπους γονιδιώματος και τις στρατηγικές αντιγραφής. Τα υπάρχοντα εξελικτικά ρολόγια, τα οποία αποτυγχάνουν να λάβουν υπόψη το φαινόμενο του ρυθμού που εξαρτάται από τον χρόνο, χρονολογούν εσφαλμένα τους αρχαίους ιούς ως πολύ νεότερους από ό,τι στην πραγματικότητα.

Στη συνέχεια, ο Κατζουράκης και ο Aiewsakun χρησιμοποίησαν το νέο μαθηματικό πλαίσιο για να υπολογίσουν εκ νέου την εμφάνιση αφριστικών ιών. Χρησιμοποιώντας το πρόσφατα αναπτυγμένο μοντέλο τους, οι επιστήμονες έδειξαν σε ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε τον Ιανουάριο ότι οι αφρώδες ιοί εμφανίστηκαν κάπου μεταξύ 460 και 550 εκατομμυρίων ετών πριν. Ανεξάρτητη εργασία από τον ιολόγο Michael Worobey του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, που δημοσιεύτηκε στο Virus Evolution σχεδόν ταυτόχρονα, πρότεινε επίσης ότι αυτοί οι ιοί προήλθαν νωρίτερα από το αναμενόμενο. Αυτές οι μελέτες καθιέρωσαν την παλαιότερη ημερομηνία για οποιαδήποτε γνωστή ομάδα ιών, αν και ο Κατζουράκης πιστεύει ότι άλλες ιογενείς ομάδες μπορεί να είναι ακόμη πιο αρχαίες.

Τα ευρήματα έχουν επιπτώσεις πολύ πέρα ​​από την απόκτηση ενός τροπαίου για τον παλαιότερο ιό. Μια σύγκλιση στην ίδια ημερομηνία προέλευσης για τους αφρούς ιούς παρέχει ενδείξεις ότι το φαινόμενο του ρυθμού που εξαρτάται από τον χρόνο δεν είναι απλώς ένα λείψανο στατιστικών ή των μεθόδων που χρησιμοποιούν οι ερευνητές για την ημερομηνία ειδών. Το μοντέλο του Κατζουράκη δίνει επίσης στους ερευνητές ένα εργαλείο για την ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων του φαινομένου του χρονοεξαρτώμενου ρυθμού, το οποίο θα αποδειχθεί βασικό για την κατανόηση των παραγόντων που οδηγούν αυτό το φαινόμενο.

Γενικότερα, το έργο των Κατζουράκη και Χο αμφισβητεί την ιδέα ενός εξελικτικού ρολογιού που χτυπά σταθερά. «Αυτό αλλάζει τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τη μοριακή εξέλιξη», είπε ο Duchêne. «Δείχνει ότι δεν υπάρχει παγκόσμιος ρυθμός εξέλιξης. Ακόμη και οι ίδιοι οργανισμοί έχουν ποσοστά που ποικίλλουν με την πάροδο του χρόνου.»

Σημαίνει επίσης ότι οι επιστήμονες μπορεί να χρειαστεί να αναθεωρήσουν τις ημερομηνίες των εξελικτικών γεγονότων στο βαθύ παρελθόν, καθώς πιθανότατα υποτίμησαν πόσο καιρό πριν συνέβησαν πραγματικά, είπε ο Κατζουράκης. Προσπαθεί να καταλάβει εάν το κλάδεμα των μεταλλάξεων από τη φυσική επιλογή και τον κορεσμό των μεταλλάξεων είναι ο μοναδικός παράγοντας που συνεισφέρει στο φαινόμενο του εξαρτώμενου από τον χρόνο ή εάν άλλοι παράγοντες παίζουν ρόλο στο πώς και γιατί εμφανίζεται το φαινόμενο.

«Είναι περιορισμός των εργαλείων μας ή υπάρχει κάτι που έχουμε παραβλέψει; Εάν μπορούμε να κατανοήσουμε αυτή τη διαδικασία, θα μας δώσει μερικές μεγάλες εξελικτικές γνώσεις», είπε ο Κατζουράκης.