Ewolucja przyspiesza. Jak zmieni się nasza budowa? Oto mutacje na nowe czasy

Przestaliśmy ewoluować, odkąd udaje nam się odchować 93–95 proc. przychodzących na świat dzieci. Selekcja naturalna nie dotyczy już ludzkości – twierdzi sir David Attenborough, przyrodnik i znany na całym świecie popularyzator nauki. Ma rację?
Ewolucja przyspiesza. Jak zmieni się nasza budowa? Oto mutacje na nowe czasy

Nasz gatunek przyjął osiadły tryb życia i zapełnił całą Ziemię. W takich warunkach nowe cechy nie będą się pojawiać – mówi dr Ian Tattersal, antropolog z American Museum of Natural History. – Czeka nas raczej coraz większe „wymieszanie” wszystkich grup etnicznych. Podobnego zdania jest znany fizyk i wizjoner prof. Michio Kaku. Przypomina, że medycyna pozwala nam nie tylko ratować noworodki obarczone ciężkimi wadami, ale też leczyć bezpłodność i wydłużać życie ludziom przewlekle chorym. Dodajmy do tego lepsze odżywianie i mieszkania chroniące nas przed żywiołami, a otrzymamy gatunek żyjący w biologicznej stagnacji.

Błąd! – odpowiadają biolodzy. „Choć nie kształtuje nas już dobór naturalny, ewolucja wciąż działa. Odnosi się ona po prostu do wszelkich zmian genetycznych,
jakich wraz z upływem czasu doświadczamy. Dobór naturalny, zjawisko, które wskazuje zwycięzców i przegranych poprzez ich przetrwanie i reprodukcję, jest tylko jednym ze sposobów ewolucji gatunku” – przypomina prof. Nathan Lents z uniwersytetu w Nowym Jorku, autor książki „Człowiek i błędy ewolucji”. Genetycy analizujący to, co się dzieje z naszym DNA, uważają, że ewolucja nie tylko się nie zatrzymała, ale wręcz przyspiesza! I spory wpływ na to ma właśnie
rozwój naszej cywilizacji. – Bardzo szybkie zmiany zachodzą w co najmniej 7 proc. naszego genomu, a część analiz wskazuje nawet na 10 proc. To zadziwiająco dużo – mówi prof. John Hawks, paleoantropolog z Uniwersytetu Wisconsin-Madison.

Takie wnioski płyną z badań, które prowadził z nieżyjącym już prof. Henrym Harpendingiem z Uniwersytetu Utah. W miarę jak liczba ludzi na świecie rośnie, zwiększa się liczba zachodzących w ich DNA mutacji. Jednocześnie fakt, że nie podlegamy tak ścisłej selekcji naturalnej jak inne organizmy, sprawia, że mutacje
te są przekazywane bez przeszkód kolejnym pokoleniom. W przyszłości zróżnicowanie genetyczne Homo sapiens powinno się więc zwiększać. W ten sposób nasze organizmy próbują się dostosować do zmieniających się warunków życia oraz realiów środowiskowych w nowych miejscach zamieszkania.

MUTACJE NA NOWE CZASY

Wbrew temu, co twierdzi David Attenborough, ewolucja nie dotyczy tylko samego przetrwania, ale przede wszystkim dostosowania do środowiska i sukcesu reprodukcyjnego. Możemy mieć najlepsze geny na świecie, ale jeśli nie przekażemy ich kolejnym pokoleniom, przepadną na zawsze. Dlatego nasze DNA pochodzi od tych przedstawicieli Homo sapiens, którzy nie tylko przeżyli, ale doczekali się też dzieci, wnuków i prawnuków. Ta zasada obowiązuje także dziś – ewolucja naszego gatunku jest ściśle związana z prokreacją. Przez wiele milionów lat największy wpływ na losy naszych praprzodków miały zmiany klimatyczne. – Narodziny wszystkich głównych gałęzi naszej rodziny – australopiteków, parantropusów i rodzaju Homo – zbiegają się w czasie z długimi okresami zróżnicowanego klimatu – wyjaśnia dr Rick Potts z Instytutu Smithsonian w Waszyngtonie.

 

Z jego badań wynika, że niestabilny klimat miał wpływ na niektóre kluczowe momenty historii, jak np. emigrację z Afryki, ponieważ sprzyjał wykształceniu się u ludzi zdolności do szybkiej adaptacji do nowych warunków. Takie istoty bez problemu mogły żyć zarówno w ciepłym, jak i w zimnym klimacie, nic więc dziwnego, że opuszczały swoje dotychczasowe siedziby i ruszały na podbój świata. 10 tys. lat temu klimat ustabilizował się na tyle, by ludzkość mogła wynaleźć rolnictwo i związany z nim osiadły tryb życia. To wydarzenie zmieniło kierunki naszej ewolucji. – Przez miliony lat żyliśmy na sawannach i nad brzegami morskimi, a potem nagle przestawiamy się na zupełnie inną dietę. Gwałtownie spadła różnorodność źródeł pożywienia: z około stu w przypadku łowców-zbieraczy do zaledwie dziesięciu w społecznościach rolniczych.

Jednocześnie zaczynamy żyć w coraz większym zagęszczeniu, co sprzyja m.in. chorobom zakaźnym – wyjaśnia dr Spencer Wells, który przez wiele lat kierował projektem Genographic. Zdaniem prof. Hawksa ewolucja do dziś próbuje nadążyć za tymi zmianami i to właśnie pokazują analizy genetyczne. Trudniej natomiast określić, jakie cechy są obecnie przez nią faworyzowane. Niedawne badania przeprowadzone przez uczonych z uniwersytetu w Zurychu wykazały, że może to dotyczyć genów związanych z metabolizmem węglowodanów, które stanowią dziś główne źródło kalorii w diecie.
 

PRZYSZŁOŚĆ KIERUNKI EWOLUCJI – JAK ZMIENI SIĘ NASZA BUDOWA?

Możemy próbować to przewidzieć, analizując zmiany, jakie zaszły na przestrzeni ostatnich stuleci i tysiącleci

Naukowcy wciąż badają me chanizmy rządzące zmianami – budowy ciała Homo sapiens w ciągu jego ewolucji. Te naturalne trendy wskazują, w jakim kierunku
zmierza nasza anatomia. Jeśli nie zaczniemy celowo wprowadzać zmian w DNA, nasi potomkowie mogą mieć taki zestaw cech:

SMUKLEJSZA BUDOWA CIAŁA

– w porównaniu z naszymi odległymi praprzodkami mamy znacznie mniej masywne kości i mięśnie. Jeśli zaś zestawimy naszą sylwetkę z małpami człekokształtnymi, najbardziej przypominamy ich młode. Taki trend zwany jest gracylizacją. Może on ulec nasileniu w niskiej grawitacji, a więc np. u ludzi urodzonych na stacjach kosmicznych albo na planetach innych niż Ziemia.

WYŻSZY WZROST

– trend obserwowany od dawna w wielu krajach. Dzieci coraz rzadziej zapadają na ciężkie choroby i są coraz lepiej odżywione, co sprawia, że osiągają górne limity wzrostu zapisanego w ich genach.

 

BRAK NAJMNIEJSZEGO PALCA U STOPY

– z punktu widzenia stabilności chodu nie jest nam potrzebny (w odróżnieniu od palucha), natomiast skrajne położenie naraża go na urazy i ucisk przez obuwie. Możliwe więc, że palec ten ulegnie znacznemu zmniejszeniu lub w ogóle zaniknie.

MNIEJSZE ZĘBY

– zmniejszenie wielkości naszych szczęk (element procesu gracylizacji) sprawiło, że zęby mają coraz mniej miejsca. Zmniejsza się też ich rola przy żuciu,
ponieważ współczesne pokarmy są coraz miększe.Dlatego czeka nas zmniejszenie rozmiarów zębów, a możliwe, że nawet trwała utrata np. ósemek (ostatnich trzonowców, czyli tzw. zębów mądrości), które u części ludzi już w ogóle się nie wyrzynają.

KRÓTSZY PRZEWÓD POKARMOWY

– ponieważ nasza dieta jest też coraz łatwiejsza do strawienia i „naładowana” kaloriami (w porównaniu z tym, co jedli nasi przodkowie), w dalszej perspektywie czasowej może dojść do zmian np. w budowie i długości jelit.

MNIEJ WŁOSÓW

– nasi odlegli przodkowie byli znacznie bardziej włochaci niż my, a na dodatek współcześni mężczyźni coraz wcześniej zaczynają łysieć. Jeśli dodamy do tego rosnącą długość życia i pominiemy zabiegi z dziedziny medycyny estetycznej, możemy spodziewać się, że w przyszłości brak włosów na głowie stanie się normą,
przynajmniej u panów

Szybko ewoluuje też nasz układ odpornościowy, który musi stawić czoła nowym zagrożeniom, takim jak epidemie wywoływane przez wirusy. Jednak mutacje genetyczne potrzebują dużo czasu, by stały się powszechne. Klasyczny przykład to zmiana ułatwiająca dorosłym trawienie mlecznego cukru zwanego laktozą. Cecha ta występuje znacznie częściej w Europie niż w Afryce, nie mówiąc już o Azji, gdzie dorośli niemal w ogóle nie spożywają mleka. Pierwsze mutacje odpowiedzialne za nią pojawiły się już 8 tys. lat temu, kiedy udomowiliśmy bydło, ale dopiero przed 3 tys. lat zaczęły się rozprzestrzeniać na dużą skalę. Dziś ma je w swoim DNA ok. 90 proc. Europejczyków.

CENZURA W DNA

Co ciekawe, proces rozprzestrzeniania się tej mutacji wciąż trwa. Takie zjawisko odkryto niedawno u ludzi zamieszkujących region Coquimbo w Chile, gdzie
zwierzęta dające mleko pojawiły się dopiero kilkaset lat temu.

 

W zachodniej Afryce ewolucja „promuje” geny związane z odpornością na wirusa lassa wywołującego śmiertelnie niebezpieczną gorączkę krwotoczną. Średniowieczna epidemia „czarnej śmierci” w Europie pozostawiła po sobie wariant genetyczny CCR5, który – zrządzeniem ewolucyjnego losu – daje dziś niemal całkowitą odporność na zakażenie wirusem HIV.

Jednak wiemy już, że ewolucja nie dotyczy wyłącznie genów. Ważną rolę odgrywają także tzw. czynniki epigenetyczne – chemiczne modyfikacje DNA powstające pod wpływem środowiska, w którym komórka żyje. Gdybyśmy porównali nasz genom do wielkiej księgi z „przepisem na życie”, te modyfikacje byłyby swoistą cenzurą jej treści. Aby dana komórka pełniła swoją rolę np. w wątrobie, musi zostać odczytana tylko ściśle określona część zawartych w niej genów, a reszta ma pozostać nieaktywna. Decydują o tym właśnie czynniki epigenetyczne zmieniające się m.in. pod wpływem naszej diety, aktywności fizycznej, nałogów czy zanieczyszczeń środowiska, w którym żyjemy.

Tak jak zbiór wszystkich naszych genów nazywamy genomem, tak wszyscy „przyklejeni” do naszego DNA cenzorzy tworzą epigenom. Nie jest on stały – zmienia się w ciągu całego życia, inaczej wygląda w tkankach zdrowych, a inaczej w chorych. Ważne jest to, że epigenom też podlega dziedziczeniu. Mamy więc dwa uzupełniające się mechanizmy ewolucji. Ta oparta na DNA działa powoli, na przestrzeni wielu pokoleń i setek czy tysięcy lat. Procesy epigenetyczne zachodzą szybciej, pozwalając nam na elastyczne dostosowanie się do zmian zachodzących w środowisku.

Badania nad epigenomem są wciąż we wczesnej fazie. Wiadomo już jednak, że odpowiada on zarówno za nasze przystosowania do nowych warunków, jak i za choroby. – Jeśli nasi dziadkowie w młodym wieku palili papierosy, mamy znacznie zwiększone ryzyko zachorowania na raka płuc, nawet jeśli sami nigdy nie
paliliśmy i nie byliśmy nawet biernymi palaczami. Popularnością tytoniu dwa pokolenia temu tłumaczy się wysoki współczynnik zachorowań na nowotwór płuc
wśród młodych niepalących osób. Są jednak i plusy. Np. ci z nas, którzy odziedziczyli geny otyłości – przede wszystkim gen FTO – mogą je wyłączyć dzięki
regularnym ćwiczeniom fizycznym – wyjaśnia prof. Tim Spector z King’s College London.

CIAŁO MOŻNA FORMOWAĆ

Na epigenom możemy wpływać, zmieniając nasz tryb życia albo przeprowadzając się w zdrowszą okolicę. To pokazuje, że mamy większy wpływ na działanie naszych genów niż do niedawna sądzono.

 

Przybywa też dowodów na to, że nasze ciało potrafi reagować na nowe warunki, szybko przebudowując niektóre tkanki nawet wtedy, gdy materiał genetyczny nie zostaje zmieniony. Jeden z takich trendów jest widoczny na pierwszy rzut oka.

FIZJOLOGIA CO WPŁYNĘŁO NA ZMIANY NASZEGO WYGLĄDU – DLACZEGO MAMY JAŚNIEJSZĄ SKÓRĘ NIŻ NASI PRAPRZODKOWIE?

Gdy ponad 100 tys. lat temu człowiek współczesny opuścił Afrykę, czarna skóra stała się niepotrzebnym balastem. Zmiana jej koloru to jedno z przystosowań ewolucyjnych

Prof. Nina Jablonski z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii uważa, że to „wybielenie” było kompromisem między ochroną przed szkodliwym promieniowaniem
ultrafioletowym a sukcesem rozrodczym. Skóra nie może być zbyt ciemna, ponieważ spada wówczas tempo syntezy witaminy D. Nie może też jednak być zbyt jasna, ponieważ promieniowanie UV-A niszczy kwas foliowy, bez którego nie może prawidłowo przebiegać ani produkcja plemników, ani rozwój embrionu –
pisze uczona w książce „Skin”. Gdy nasi praprzodkowie trafili z Afryki do strefy klimatu umiarkowanego, mieli kłopoty z wytwarzaniem witaminy D, dlatego ich skóra stawała się coraz jaśniejsza.

 

Teoria prof. Jablonski tłumaczy także fakt, że kobiety mają jaśniejszą skórę niż mężczyźni żyjący na tej samej szerokości geograficznej. Tę regułę zaobserwowano we wszystkich badanych populacjach – nawet w tych, u których różnice w pigmentacji są niedostrzegalne gołym okiem.

Ciemniejsza karnacja zapewnia mężczyźnie dostatek kwasu foliowego niezbędnego do produkcji spermy. Z kolei kobieta w wieku reprodukcyjnym potrzebuje dużo witaminy D, sterującej wchłanianiem i obiegiem wapnia w organizmie. Ten pierwiastek będzie też potrzebny jej dziecku podczas ciąży i karmienia piersią

W porównaniu z naszymi praprzodkami jesteśmy słabiej umięśnieni, bo coraz rzadziej musimy używać siły fizycznej. Nasze kości, które nie muszą utrzymywać już pokaźnej masy mięśniowej, stały się patykowate, cieńsze i bardziej podatne na złamania.

Badania dr. Christophera Ruffa z Uniwersytetu Johns Hopkins wykazały, że w okresie od 2 mln do 5 tys. lat temu przeciętna wytrzymałość kości spadła o 15 proc. W ciągu kolejnych 4 tys. lat doszło do redukcji o kolejne 15 proc. Co ciekawe, ten proces prawdopodobnie nie ma związku z naszymi genami. Porównując obrazy rentgenowskie naukowcy z zespołu dr. Ruffa obliczyli, że kość barkowa ręki zagrywającej u zawodowego tenisisty jest o ponad 40 proc. mocniejsza od kości drugiej ręki. U osób nieuprawiających sportu różnice nie przekraczają 5–10 proc. – To pozwala sądzić, że gdybyśmy powrócili do warunków panujących w neolicie, zaczęli pokonywać pieszo większe dystanse i nosić cięższe rzeczy, prawdopodobnie nasz szkielet stałby się mocniejszy – spekuluje dr Ruff.

Podobne zjawisko może dotyczyć również naszych stóp. Według prof. Erika Trinkausa z Uniwersytetu Washington stałe noszenie obuwia ze sztywną podeszwą spowodowało w nich nieodwracalne zmiany anatomiczne. Nasi przodkowie, którzy całe życie chodzili na bosaka, mieli dość grube duże palce u stóp – ciężar ciała spoczywał na ich kościach, a to wymagało wzmocnienia konstrukcji. Po założeniu butów ciężar ciała inaczej się rozkładał. Paluchy zaczęły się zmniejszać. Według prof. Trinkausa stało się to mniej więcej 40 tys. lat temu. Gdybyśmy dziś chodzili od urodzenia na bosaka, te zmiany mogłyby się szybko cofnąć. Na nasze ciało wpływają także czynniki takie jak życie rodzinne. Matki w społecznościach zbieracko-łowieckich rodziły z reguły 6–7 dzieci. Przez większą część dorosłego życia były w ciąży albo karmiły piersią, a jedno i drugie mocno ogranicza poziom estrogenów. W kulturze Zachodu mamy mniejsze rodziny, a kobiety rzadko kiedy karmią piersią dłużej niż kilka miesięcy. Poziom estrogenów w ich ciałach rośnie także pod wpływem czynników takich jak nadwaga, niska aktywność fizyczna i stosowanie leków hormonalnych. Efekt? Kobiety mają dziś inne, bardziej atrakcyjne sylwetki, ale też częściej chorują na śmiertelnie niebezpiecznego raka piersi.

GENETYKA JAK EWOLUUJĄ GENY – PO CO NAM „ŚMIECIOWE” DNA?

Z 3,2 mld „liter” naszego materiału genetycznego zaledwie 2 proc. koduje geny. Jednak cała reszta również jest potrzebna

Tylko niewielka część naszego materiału genetycznego przechowuje informacje mające znaczenie dla funkcjonowania organizmu. Reszta to tzw. śmieciowe DNA, które wydaje się zbędne. Jak się jednak okazuje, te „śmieci” pełnią kilka ważnych ról. Ponieważ oddzielają od siebie działające geny, zapobiegają
nieprawidłowościom przy ich odczytywaniu. Są więc trochę jak puste strony w książce oddzielające od siebie poszczególne rozdziały.

Mogą też zapobiegać groźnym dla nas mutacjom. Z drugiej strony są one dla organizmu czymś w rodzaju brudnopisu. Ewolucja testuje w nim nowe pomysły, które czasem okazują się dobrymi rozwiązaniami i są włączane do głównej treści „księgi życia”. Bez takich eksperymentów zapewne nie bylibyśmy dziś tacy, jacy jesteśmy – przy czym chodzi tu zarówno o zadziwiające przystosowania naszego ciała, jak i jego liczne wady.

EWOLUCJA W NASZYCH RĘKACH?

Wszystkie wymienione wcześniej mechanizmy – zmiany genetyczne, epigenetyczne i „plastyczność” naszych organizmów – sprawdzały się do niedawna całkiem dobrze. Jednak poczynając od XX wieku rozwój cywilizacji przyśpieszył, a wraz z nim pojawiły się nowe zagrożenia. – Ewolucja biologiczna na nic nam się nie zda w obliczu nadciągającej katastrofy klimatycznej albo załamania produkcji rolnej. Los naszej cywilizacji może rozstrzygnąć się w ciągu najbliższych pięciu pokoleń. To zbyt krótko, by zadziałały np. mechanizmy genetyczne – twierdzi prof. Paul R. Ehrlich z Uniwersytetu Stanforda, autor głośnej książki „The Population Bomb”. Poznanie mechanizmów ewolucji sprawiło jednak, że zaczynamy próby wpływania na jej bieg. Możemy już wybrać komórkę jajową i plemnik, by „stworzyć” dziecko o konkretnych cechach.

 

Nowa technologia, która zrewolucjonizowała inżynierię genetyczną, pozwala m.in. na wymianę lub wyciszenie genu w DNA komórki. CRISPR może pozwolić nam na sterowanie własną ewolucją Kluczową rolę odgrywa tu bakterii Escherichia coli. Jego wykorzystanie w inżynierii enzym Cas9, odkryty w komórkach genetycznej zawdzięczamy pracy zespołów Jennifer Doudny z Uniwersytetu Berkeley w USA oraz Emmanuelle Charpentier z Uniwersytetu Umea w Szwecji.

 

Od wielu lat lekarze powołują do życia kilka czy kilkanaście zarodków metodą in vitro, sprawdzają ich DNA i wszczepiają do macicy przyszłej matki ten, który nie jest obciążony genami jakiejś choroby. Taki zabieg to diagnostyka preimplantacyjna (PGD), stosowana także w Polsce. Jest jednak trudna i mało precyzyjna.
Znacznie większe możliwości daje nowa metoda inżynierii genetycznej zwana CRISPR. Jest tania, łatwa do zastosowania i zarazem bardzo precyzyjna. Dzięki niej naukowcy mogą edytować zapis DNA podobnie jak dokument w komputerze: wyszukiwać konkretne fragmenty, wycinać je, zastępować innymi, powielać itd. Jej zastosowanie u ludzi wydawało się odległe, ale już w zeszłym roku He Jiankui z Południowego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Shenzen poddał takim modyfikacjom ludzkie zarodki, chcąc uodpornić je na wirusa HIV. Z zarodków tych rozwinęły się dzieci, które przyszły na świat.

 

Działania chińskiego naukowca spotkały się z potępieniem ze strony naukowców, a sam uczony został zwolniony z pracy i czeka go proces. Jednak prace nad zastosowaniem CRISPR do modyfikacji genetycznych trwają np. w USA – tyle że uczeni ingerują w DNA ludzkich komórek płciowych. „Pary chcące mieć dziecko będą kiedyś mogły nie tylko przeanalizować swoje plemniki i komórki jajowe, lecz również je naprawić przed zapłodnieniem. Metodą CRISPR będzie można wyciąć wersję genu powodującą chorobę, wstawić w jej miejsce zdrową wersję i voilà! Technologia na to pozwalająca już istnieje i niewątpliwe już niedługo będzie testowana w klinikach leczenia niepłodności” – pisze prof. Nathan Lents. – Na pewno dojdzie do przyśpieszenia zastosowania tej technologii i u zarodków, i u ludzi dorosłych. Modyfikując geny można nie tylko zapobiec chorobom, ale też poprawić człowieka, wpływając np. na kolor jego oczu lub wzrost. Ktoś, kto opracuje technologię umożliwiającą robienie tego na masową skalę, zarobi mnóstwo pieniędzy – mówi Grzegorz Lindenberg, autor książki „Ludzkość poprawiona”.

Co więcej, badania prowadzone przez dr. Atsushiego Iriki z japońskiego Instytutu Badań nad Mózgiem RIKEN wykazały, że na naszą ewolucję wpływa też to, jakich narzędzi używamy. Kamienne pięściaki i drewniane włócznie ukształtowały mózgi przodków Homo sapiens. Teraz mogą go zmienić nowe „metafizyczne”
narzędzia, takie jak komputery i internet. Czy już wkrótce sprawią, że przejdziemy na kolejny, wyższy poziom świadomości? – Umysł zrodził się w naszych mózgach. Jestem bardzo ciekaw, co powstanie w nich w następnej kolejności – mówi dr Iriki. Pozostaje nam mieć nadzieję, że cokolwiek to będzie, pomoże nam
przetrwać zmiany, jakie sami wprowadzamy w swym otoczeniu.

Jan Stradowski – szef działu nauki „Focusa” z wykształcenia lekarz, z zamiłowania biolog i przyrodnik. W radiu TOK FM prowadzi audycję „Człowiek 2.0”.
współpraca: Ewa Nieckuła, Anna Piotrowska, Marek Glazer,
Monika Maciejewska
 

Więcej:ewolucja