Dzięki potężnym łopatom do kopania kret europejski może z łatwością przekopywać się przez glebę. To samo dotyczy australijskiego kreta torbacza. Chociaż te dwa gatunki zwierząt żyją daleko od siebie, w toku ewolucji wykształciły podobne narządy — w ich przypadku kończyny idealnie przystosowane do kopania w ziemi.

Nauka mówi o „zbieżnej ewolucji” w takich przypadkach, gdy gatunki zwierząt, ale także roślin, niezależnie rozwijają cechy, które mają ten sam kształt i funkcję. Jest na to wiele przykładów: na przykład ryby mają płetwy, podobnie jak wieloryby, chociaż są ssakami. Ptaki i nietoperze mają skrzydła, a jeśli chodzi o używanie trujących substancji do obrony przed napastnikami, wiele stworzeń, od meduz, przez skorpiony, po owady, wyewoluowało ten sam instrument: jadowite żądło.

Identyczne cechy pomimo braku pokrewieństwa

Oczywiste jest, że naukowcy na całym świecie są zainteresowani tym, jakie zmiany w materiale genetycznym poszczególnych gatunków odpowiadają za to, że wyewoluowały u nich identyczne cechy, mimo że nie ma między nimi żadnego związku.

Poszukiwanie tego okazuje się trudne: „Takie cechy – mówimy o fenotypach – są oczywiście zawsze zakodowane w sekwencjach genomu” – mówi fizjolog roślin, dr Kenji Fukushima z Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Mutacje — zmiany w materiale genetycznym — mogą być wyzwalaczami rozwoju nowych cech.

Jednak zmiany genetyczne rzadko prowadzą do ewolucji fenotypowej, ponieważ podstawowe mutacje są w dużej mierze przypadkowe i neutralne. Tak więc ogromna liczba mutacji gromadzi się w ekstremalnej skali czasowej, w której zachodzą procesy ewolucyjne, co sprawia, że ​​wykrycie fenotypowo ważnych zmian jest niezwykle trudne.

Nowatorska metryka ewolucji molekularnej.

Teraz Fukushimie i jego współpracownikowi Davidowi D. Pollockowi z University of Colorado (USA) udało się opracować metodę, która w poszukiwaniu genetycznego podłoża cech fenotypowych osiąga znacznie lepsze wyniki niż dotychczas stosowane. Swoje podejście prezentują w bieżącym numerze czasopisma Ekologia przyrody i ewolucja.

„Opracowaliśmy nową metrykę ewolucji molekularnej, która może dokładnie odzwierciedlać tempo zbieżnej ewolucji w sekwencjach DNA kodujących białka” – mówi Fukushima, opisując główny wynik opublikowanej obecnie pracy. Mówi, że ta nowa metoda może ujawnić, jakie zmiany genetyczne są związane z fenotypami organizmów w ewolucyjnej skali czasu wynoszącej setki milionów lat. Daje to zatem możliwość poszerzenia naszej wiedzy o tym, jak zmiany w DNA prowadzą do innowacji fenotypowych, które dają początek wielkiej różnorodności gatunków.

Ogromna skarbnica danych jako podstawa

Podstawą prac Fukushimy i Pollocka jest kluczowy postęp w naukach przyrodniczych: fakt, że w ostatnich latach coraz więcej sekwencji genomów wielu żywych organizmów z różnych gatunków zostało odkodowanych iw ten sposób udostępnionych do analizy. „Umożliwiło to badanie wzajemnych powiązań genotypów i fenotypów na dużą skalę na poziomie makroewolucyjnym” – mówi Fukushima.

Ponieważ jednak wiele zmian molekularnych jest prawie neutralnych i nie wpływa na żadne cechy, często istnieje ryzyko „fałszywie dodatniej konwergencji” podczas interpretacji danych — to znaczy wynik przewiduje korelację między mutacją a określoną cechą, która nie właściwie nie istnieją. Ponadto błędy metodologiczne mogą być również odpowiedzialne za takie fałszywie dodatnie zbieżności.

Korelacje na przestrzeni milionów lat

„Aby przezwyciężyć ten problem, rozszerzyliśmy ramy i opracowaliśmy nową miarę, która mierzy współczynnik zbieżności ewolucji białek skorygowany o błędy” – wyjaśnia Fukushima. To, jak mówi, umożliwia odróżnienie doboru naturalnego od szumu genetycznego i błędów filogenetycznych w symulacjach i rzeczywistych przykładach. Podejście to, wzbogacone o algorytm heurystyczny, umożliwia dwukierunkowe wyszukiwanie powiązań genotyp-fenotyp, nawet w liniach, które rozeszły się na przestrzeni setek milionów lat, mówi.

Dwaj naukowcy przeanalizowali ponad 20 milionów kombinacji gałęzi w genach kręgowców, aby sprawdzić, jak dobrze działa opracowana przez nich miara. W kolejnym kroku planują zastosować tę metodę do roślin mięsożernych. Celem jest rozszyfrowanie podłoża genetycznego, które jest częściowo odpowiedzialne za zdolność tych roślin do przyciągania, chwytania i trawienia zdobyczy.