Ewolucja nie jest przypadkowa? Naukowcy odkrywają genetyczne „autostrady” zwierząt

Czy ewolucja może mieć swoje ograniczenia i określone kierunki? Największe jak dotąd porównanie genomów zwierząt sugeruje, że zmiany w organizacji chromosomów nie zachodzą całkowicie przypadkowo. Naukowcy przeanalizowali ponad 5800 genomów należących do 4454 gatunków i odkryli ślady procesów, które przez ponad 600 milionów lat kierowały ewolucją zwierzęcych chromosomów.

Ewolucja zapisana w chromosomach

Ewolucja kojarzy się przede wszystkim z mutacjami, doborem naturalnym i stopniowym przystosowywaniem organizmów do zmieniającego się środowiska. Jednak historia ewolucji jest zapisana nie tylko w pojedynczych genach.

Jej ślady można znaleźć również w budowie chromosomów – struktur, w których przechowywany jest materiał genetyczny.

Chromosomy mogą w toku ewolucji łączyć się, rozdzielać i zmieniać swoją organizację. Przez setki milionów lat takie wydarzenia pozostawiały trwały ślad w genomach kolejnych pokoleń.

Naukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego wraz z międzynarodowym zespołem badaczy postanowili sprawdzić, czy te zmiany rzeczywiście mogą następować w dowolnych kierunkach.

Okazało się, że nie.

Rekordowa analiza tysięcy genomów

Badacze porównali 5821 genomów zwierząt o jakości pozwalającej na analizę ich organizacji chromosomowej. Materiał obejmował 4454 gatunki należące do 19 dużych grup zwierząt.

To największe tego rodzaju porównanie przeprowadzone dotychczas w skali całego drzewa życia zwierząt.

Tak ogromny zbiór danych pozwolił naukowcom spojrzeć na ewolucję chromosomów z zupełnie innej perspektywy.

Zamiast analizować wyłącznie podobieństwa poszczególnych genów, badacze przyjrzeli się architekturze całych genomów.

I właśnie tutaj pojawił się niezwykły wzorzec.

Genetyczne „autostrady” ewolucji

Autorzy badania opisują odkryty mechanizm jako swego rodzaju „ewolucyjne autostrady”.

Nie oznacza to oczywiście, że ewolucja porusza się po wyznaczonej trasie. To metafora opisująca fakt, że zmiany w organizacji chromosomów mogą podążać ograniczonym zestawem możliwych, w dużej mierze nieodwracalnych ścieżek.

Kluczową rolę odgrywają tutaj między innymi fuzje i podziały chromosomów.

Jeżeli dwa chromosomy połączą się i dojdzie przy tym do wymieszania ich materiału, późniejsze odtworzenie dokładnie wcześniejszego układu może być niemożliwe. W rezultacie dana linia ewolucyjna zaczyna podążać inną drogą niż jej przodkowie lub blisko spokrewnione grupy.

Można to porównać do rozwidlenia drogi.

Raz wybrana trasa może sprawić, że powrót do poprzedniego układu nie będzie już możliwy.

Co wydarzyło się ponad 600 milionów lat temu?

Wszystkie współczesne zwierzęta mają wspólnego przodka żyjącego ponad 600 milionów lat temu.

Od tego czasu poszczególne linie zwierząt ewoluowały w bardzo różnych kierunkach. Powstały organizmy tak odmienne jak człowiek, ośmiornica, owady, koralowce czy gąbki.

A jednak w ich chromosomach wciąż można odnaleźć fragmenty organizacji genomu odziedziczonej po bardzo odległym przodku.

To właśnie pozwoliło naukowcom odtworzyć część historii zmian zachodzących w genomach przez setki milionów lat.

Co ciekawe, badanie pokazuje, że wszystkie możliwe kombinacje nie zostały jeszcze wykorzystane. Analiza wykazała, że spośród 406 możliwych par połączeń 29 ancestralnych grup chromosomowych wszystkie zostały już zaobserwowane w różnorodności genomów zwierząt, ale pełna kombinatoryczna różnorodność organizacji wewnątrz chromosomów pozostaje daleka od wyczerpania.

Genom jako mapa ewolucji

Naukowcy stworzyli rodzaj mapy architektury genomów zwierząt.

Każdy analizowany genom można umieścić w przestrzeni opisującej jego organizację chromosomową. Gatunki o podobnej historii ewolucyjnej znajdują się bliżej siebie, podczas gdy bardziej odległe linie zajmują inne obszary tej przestrzeni.

Dzięki temu badacze mogą nie tylko analizować przeszłość.

Powstaje również możliwość zadawania pytania:

dokąd może zmierzać ewolucja genomów w przyszłości?

Czy ewolucja rzeczywiście „wie”, dokąd zmierza?

Nie.

To najważniejsze zastrzeżenie.

Odkrycie nie oznacza, że ewolucja posiada plan albo że organizmy „wiedzą”, w jakim kierunku powinny się zmieniać.

Ewolucja nadal jest procesem wynikającym z mutacji, rekombinacji, doboru naturalnego, dryfu genetycznego i innych mechanizmów.

„Autostrady” są raczej konsekwencją ograniczeń fizycznych i historycznych, które wynikają z wcześniejszych zmian w genomie.

Kiedy określona konfiguracja chromosomów już powstanie, kolejne zmiany zachodzą w jej kontekście.

Historia pozostawia więc ślad, który wpływa na możliwości przyszłości.

Dlaczego to ważne?

Badanie może mieć znaczenie znacznie wykraczające poza samo poznanie historii ewolucji.

Mapa organizacji genomów może pomóc naukowcom wskazywać linie zwierząt szczególnie wyjątkowe pod względem ewolucyjnym. To z kolei może być przydatne w ustalaniu priorytetów dotyczących badań i ochrony różnorodności biologicznej.

Niektóre grupy zwierząt zajmują na stworzonej mapie bardzo odległe, charakterystyczne obszary. Należą do nich między innymi niektóre linie komarów, gąbek szklanych czy dżdżownic.

Ich wyjątkowość genomowa może być dodatkową informacją pomagającą określić, które linie ewolucyjne zasługują na szczególną uwagę.

Chromosomy pamiętają więcej, niż sądziliśmy

Najciekawszy wniosek z badania jest być może prostszy.

Genom nie jest wyłącznie instrukcją budowy organizmu. Jest również zapisem jego historii.

W chromosomach współczesnych zwierząt można znaleźć ślady procesów, które rozpoczęły się setki milionów lat temu.

Człowiek, ośmiornica czy koralowiec wyglądają zupełnie inaczej, ale ich DNA i organizacja chromosomów nadal przechowują fragmenty wspólnej historii.

Nowe badanie pokazuje, że tę historię można dziś odczytywać na niespotykaną wcześniej skalę.

Ewolucja nie podąża jedną drogą

Nie ma jednej „mapy”, według której rozwijają się wszystkie organizmy. Są jednak ograniczenia, rozwidlenia i historyczne ślady, które wpływają na to, jakie zmiany stają się możliwe.

Być może właśnie dlatego ewolucja jest tak fascynująca.

Nieustannie tworzy różnorodność, ale robi to w świecie, w którym przeszłość pozostawia ślad w przyszłości.

I wygląda na to, że część tych śladów możemy odczytać nawet po ponad 600 milionach lat.