Před tisíci lety se lidé poprvé přestěhovali na tibetskou náhorní plošinu, rozlehlou stepní oblast, která se tyčí asi 14 000 metrů nad mořem. Přestože tito průkopníci měli výhodu, že vstoupili do nového ekosystému bez konkurence s ostatními lidmi, nízká hladina kyslíku v této nadmořské výšce představovala pro organismus velkou zátěž, která vedla k chronické výškové nemoci a vysoké dětské úmrtnosti. Před dvěma lety byla v rámci genetických studií zjištěna varianta genu, která je běžná u Tibeťanů, ale vzácná u jiných populací. Tato varianta, která upravuje tvorbu červených krvinek u Tibeťanů, pomáhá vysvětlit, jak se tato skupina přizpůsobila těmto drsným podmínkám. Tento objev, který se dostal na titulní stránky novin po celém světě, poskytl dramatický příklad toho, jak lidé v nedávné minulosti prošli rychlou biologickou adaptací na nové podmínky prostředí. Jedna studie odhaduje, že se prospěšná varianta rozšířila na vysokou frekvenci během posledních 3 000 let – z evolučního hlediska pouhý okamžik.
Nálezy z Tibetu jako by podporovaly názor, že náš druh prošel značnou biologickou adaptací tohoto druhu od doby, kdy poprvé opustil Afriku možná před 60 000 lety (odhady se pohybují mezi 50 000 a 100 000 lety). Přechod do vysoké nadmořské výšky je jen jednou z mnoha environmentálních výzev, s nimiž se Homo sapiens setkal, když migroval z horkých pastvin a křovinatých oblastí východní Afriky do mrazivých tundr, parných deštných pralesů a sluncem spalovaných pouští – prakticky do všech suchozemských ekosystémů a klimatických pásem na planetě. Jistě, většina lidských adaptací byla technologická – například v boji proti chladu jsme si vyrobili oblečení. Samotná prehistorická technologie však nemohla stačit k překonání řídkého horského vzduchu, ničivých infekčních chorob a dalších environmentálních překážek. Za těchto okolností by k adaptaci muselo dojít spíše genetickou evolucí než technologickými řešeními. Bylo tedy rozumné očekávat, že průzkumy našich genomů odhalí značné důkazy o nových genetických mutacích, které se nedávno rozšířily v různých populacích přirozeným výběrem – to znamená, že ti, kteří jsou nositeli těchto mutací, mají více zdravých dětí, které se dožijí reprodukce, než ti, kteří je nemají.
Před osmi lety jsme se s kolegy pustili do hledání otisků těchto hlubokých výzev prostředí v lidském genomu. Chtěli jsme zjistit, jak se lidé vyvíjeli od doby, kdy se naši předchůdci vydali na svou relativně nedávnou globální cestu. Do jaké míry se populace v různých částech světa geneticky liší, protože je přírodní výběr nedávno přizpůsobil různým tlakům prostředí, jako v případě Tibeťanů? Jaký podíl na těchto genetických rozdílech mají naopak jiné vlivy? Díky pokroku v technologiích pro studium genetické variability jsme mohli začít tyto otázky řešit.
Práce stále probíhá, ale předběžné výsledky nás překvapily. Ukázalo se, že genom ve skutečnosti obsahuje jen málo příkladů velmi silného a rychlého přírodního výběru. Místo toho se zdá, že většina přirozeného výběru viditelného v genomu probíhala v průběhu desítek tisíc let. Zdá se, že v mnoha případech došlo k tomu, že se v populaci kdysi dávno rozšířila prospěšná mutace v reakci na místní tlak prostředí a poté byla přenesena do vzdálených lokalit, když se populace rozšířila na nová území. Například některé varianty genů, které se podílejí na určování světlé barvy kůže, což je adaptace na snížené sluneční záření, jsou rozšířeny spíše podle dávných migračních tras než jen podle zeměpisné šířky. To, že tyto dávné selekční signály přetrvaly po tisíciletí, aniž by je přepsaly nové environmentální tlaky, naznačuje, že přírodní výběr často funguje mnohem pomaleji, než si vědci představovali. Zdá se, že rychlý vývoj jednoho z hlavních genů u Tibeťanů není typický.
Jako evoluční biolog jsem často dotazován, zda se lidé vyvíjejí i dnes. Určitě se vyvíjíme. Ale odpověď na otázku, jak se měníme, je mnohem složitější. Naše data naznačují, že klasický scénář přírodního výběru, kdy se jediná prospěšná mutace šíří populací jako požár, se ve skutečnosti u lidí za posledních 60 000 let vyskytoval poměrně zřídka. Zdá se, že tento mechanismus evolučních změn obvykle vyžaduje spíše soustavné tlaky prostředí po dobu desítek tisíc let – což je neobvyklá situace poté, co naši předkové začali cestovat po světě a tempo technologických inovací se začalo zrychlovat.
Už nyní tato zjištění pomáhají zpřesnit naše chápání nejen nedávné lidské evoluce, ale také toho, co by mohla přinést naše společná budoucnost. V případě řady problémů, kterým náš druh v současnosti čelí – například globální změny klimatu a mnoha infekčních chorob – probíhá přirozený výběr pravděpodobně příliš pomalu na to, aby nám výrazně pomohl. Místo toho se budeme muset spolehnout na kulturu a technologie.
Hledání stop
Ještě před deseti lety bylo pro vědce nesmírně obtížné vysledovat genetické reakce našeho druhu na prostředí; potřebné nástroje prostě neexistovaly. Vše se změnilo s dokončením sekvence lidského genomu a následnou katalogizací genetické variability. Abychom pochopili, co přesně jsme udělali, je dobré vědět něco o tom, jak je DNA strukturovaná a jak mohou malé změny ovlivnit její funkci. Sekvence lidského genomu se skládá z přibližně tří miliard párů nukleotidů DNA neboli „písmen“, které slouží jako návod, jak sestavit lidský . Nyní je známo, že tento návod obsahuje seznam součástek asi 20 000 genů – řetězců písmen DNA, které hláskují informace potřebné ke stavbě bílkovin. (Proteiny, mezi něž patří enzymy, vykonávají v buňkách většinu práce.) Asi 2 % lidského genomu kódují proteiny a o něco větší část se podílí na genové regulaci. Většina zbytku genomu nemá žádnou známou úlohu.
Genomy dvou lidí jsou si celkově velmi podobné, liší se jen asi v jednom z každých 1000 párů nukleotidů. Místa, kde jeden pár nukleotidů nahrazuje jiný, se označují jako jednonukleotidové polymorfismy neboli SNP (vyslovuje se „snips“) a alternativní verze DNA v každém SNP se nazývají alely. Protože většina genomu nekóduje proteiny ani nereguluje geny, většina SNP pravděpodobně nemá na jedince žádný měřitelný vliv. Pokud se však SNP vyskytuje v oblasti genomu, která má kódující nebo regulační funkci, může ovlivnit strukturu nebo funkci proteinu nebo to, kde a v jakém množství se protein vytváří. Tímto způsobem mohou SNP představitelně modifikovat téměř jakýkoli znak, ať už jde o výšku, barvu očí, schopnost trávit mléko nebo náchylnost k nemocem, jako je cukrovka, schizofrenie, malárie a HIV.
Pokud přírodní výběr silně zvýhodňuje určitou alelu, stává se v populaci s každou generací častější, zatímco znevýhodněná alela se stává méně častou. Nakonec, pokud prostředí zůstane stabilní, se výhodná alela bude šířit tak dlouho, dokud ji nebudou nosit všichni v populaci, a v tu chvíli se v dané skupině zafixuje. Tento proces obvykle trvá mnoho generací. Pokud člověk se dvěma kopiemi výhodné alely zplodí o 10 % více dětí a někdo s jednou kopií zplodí v průměru o 5 % více dětí než člověk bez výhodné alely, pak bude trvat přibližně 200 generací, tedy zhruba 5 000 let, než se frekvence této alely zvýší z 1 % populace na 99 %. Teoreticky by se užitečná alela mohla zafixovat již za několik set let, pokud by poskytovala mimořádně velkou výhodu. Naopak méně výhodné alele by mohlo trvat mnoho tisíc let, než by se rozšířila.
Bylo by skvělé, kdybychom ve snaze pochopit nedávnou evoluci člověka mohli získat vzorky DNA z dávných ostatků a skutečně sledovat změny zvýhodněných alel v čase. DNA ve starověkých vzorcích však obvykle rychle degraduje, což tomuto přístupu brání. Moje výzkumná skupina a řada dalších po celém světě proto vyvinula metody zkoumání genetické variability u současných lidí s cílem najít známky přirozeného výběru, k němuž došlo v minulosti.
Jednou z takových taktik je pročesávání dat DNA od mnoha různých lidí a hledání úseků, které vykazují malé rozdíly v alelách SNP v rámci populace. Když se nová prospěšná mutace v důsledku přírodního výběru rychle rozšíří ve skupině, vezme s sebou okolní kus chromozomu v procesu zvaném genetický autostop. Jak se v průběhu času zvyšuje frekvence prospěšné alely ve skupině, zvyšuje se i frekvence okolních „neutrálních“ a téměř neutrálních alel, které nemají výrazný vliv na strukturu nebo množství bílkovin, ale vezou se spolu s vybranou alelou. Výsledné snížení nebo eliminace variability SNP v oblasti genomu obsahující prospěšnou alelu se označuje jako selekční zásah. Šíření vybraných alel přírodním výběrem může v datech SNP zanechat i jiné výrazné vzorce: pokud se existující alela náhle ukáže jako obzvláště užitečná, když se populace ocitne v nových podmínkách, může tato alela dosáhnout vysoké frekvence (zatímco v jiných populacích zůstává vzácná), aniž by nutně vytvářela signál autostopu.
V posledních několika letech identifikovalo několik studií, včetně jedné, kterou jsme s kolegy publikovali v roce 2006, několik stovek genomových signálů zjevného přírodního výběru, k nimž došlo během posledních přibližně 60 000 let – tedy od doby, kdy H. sapiens opustil Afriku. V několika z těchto případů mají vědci docela dobrou představu o selekčních tlacích a adaptivním přínosu zvýhodněné alely. Například u populací chovatelů mléka v Evropě, na Středním východě a ve východní Africe vykazuje oblast genomu, v níž se nachází gen pro enzym laktázu, který tráví laktózu (cukr v mléce), jasné známky toho, že byla cílem silné selekce. Ve většině populací se děti rodí se schopností trávit laktózu, ale po odstavení se gen pro laktázu vypne, takže lidé v dospělosti nejsou schopni laktózu trávit. Tým z Massachusettského technologického institutu v roce 2004 v časopise American Journal of Human Genetics odhadl, že varianty genu pro laktázu, které zůstávají aktivní i v dospělosti, dosáhly vysoké frekvence u evropských skupin chovatelů mléka za pouhých 5 000 až 10 000 let. V roce 2006 skupina vedená Sarah Tishkoffovou, která nyní působí na Pensylvánské univerzitě, uvedla v časopise Nature Genetics, že zjistila rychlou evoluci genu pro laktázu u východoafrických populací chovatelů dojnic. Tyto změny byly jistě adaptivní reakcí na nový způsob obživy.
Výzkumníci také našli výrazné signály selekce u nejméně půl tuctu genů podílejících se na určování barvy kůže, vlasů a očí u neafrických obyvatel. I zde je selekční tlak a adaptivní přínos zřejmý. Jak se lidé stěhovali ze své tropické domoviny, snižovalo se na ně ultrafialové sluneční záření. Tělo potřebuje UV záření k syntéze vitaminu D, základní živiny. V tropech je UV záření dostatečně silné na to, aby proniklo tmavou kůží v množství potřebném pro syntézu vitaminu D. Ne tak ve vyšších zeměpisných šířkách. Potřeba absorbovat dostatečné množství vitaminu D téměř jistě vedla k evoluci světlejší barvy kůže v těchto lokalitách a změny v těchto genech, které nesou signály silného výběru, umožnily tento adaptivní posun.
Signály výběru se projevují také v řadě genů, které propůjčují odolnost vůči infekčním chorobám. Například Pardis Sabetiová z Harvardovy univerzity a její kolegové objevili mutaci v takzvaném genu LARGE, která se nedávno rozšířila do vysoké frekvence u Jorubů v Nigérii a je pravděpodobně reakcí na relativně nedávný výskyt horečky Lassa v této oblasti.
Smíšené signály
Tyto příklady a malý počet dalších případů poskytují silný důkaz o rychlém působení přírodního výběru na podporu užitečných alel. U většiny z ostatních stovek kandidátních signálů však zatím nevíme, které faktory prostředí podpořily šíření vybrané alely, ani nevíme, jaký účinek má alela na lidi, kteří jsou jejími nositeli. Donedávna jsme my i ostatní tyto kandidátské signály interpretovali tak, že v několika studovaných lidských populacích došlo během posledních 15 000 let k nejméně několika stovkám velmi rychlých selekčních zásahů. V novější práci jsme však s kolegy našli důkazy, které naznačují, že místo toho většina těchto signálů ve skutečnosti vůbec není výsledkem velmi nedávné, rychlé adaptace na místní podmínky.
Ve spolupráci se spolupracovníky ze Stanfordovy univerzity jsme studovali rozsáhlý soubor dat SNP vytvořený ze vzorků DNA získaných od přibližně 1 000 jedinců z celého světa. Když jsme se podívali na geografické rozložení vybraných alel, zjistili jsme, že nejvýraznější signály mají tendenci spadat do jednoho z pouhých tří geografických vzorců. Zaprvé jsou to tzv. mimoafrické výskyty, kdy se zvýhodněná alela a její stopky vyskytují s vysokou frekvencí ve všech mimoafrických populacích . Tento vzorec naznačuje, že adaptivní alela se objevila a začala se šířit velmi krátce poté, co lidé opustili Afriku, ale ještě v době, kdy byli omezeni na Blízký východ – tedy možná před 60 000 lety – a následně byla přenášena po celém světě při migraci lidí na sever a východ. Pak existují dva další, více omezené geografické vzorce: západoevropský sweep, kdy se zvýhodněná alela vyskytuje s vysokou frekvencí ve všech populacích Evropy, Blízkého východu a střední a jižní Asie, ale ne jinde; a východoasijský sweep, kdy je zvýhodněná alela nejčastější u východních Asiatů a obvykle také u původních obyvatel Ameriky, Melanésanů a Papuánců. Tyto dva vzorce pravděpodobně představují sweepy, které se rozběhly krátce poté, co se západní Eurasie a východní Asie oddělily a vydaly se svou cestou. (Není přesně známo, kdy k tomu došlo, ale pravděpodobně asi před 20 000 až 30 000 lety.)
Tyto sweep vzorce odhalují něco velmi zajímavého: dávné pohyby populací silně ovlivnily distribuci favorizovaných alel po celém světě a přírodní výběr udělal jen málo pro to, aby tuto distribuci doladil tak, aby odpovídala moderním tlakům prostředí. Například jedním z nejdůležitějších hráčů v adaptaci na světlejší barvu pleti je varianta takzvaného genu SLC24A5. Protože se jedná o adaptaci na snížené sluneční záření, lze očekávat, že jeho výskyt v populaci se bude zvyšovat se zeměpisnou šířkou a jeho rozšíření bude podobné u lidí ze severní Asie a severní Evropy. Místo toho vidíme západoeuroasijský rozptyl: varianta genu a s ní putující stopová DNA jsou běžné od Pákistánu po Francii, ale v podstatě chybí ve východní Asii – dokonce i v severních zeměpisných šířkách. Toto rozložení naznačuje, že prospěšná varianta vznikla u předků západoeuroasijské populace – poté, co se oddělili od předků východních Asiatů -, kteří ji přenesli do celé této oblasti. Přírodní výběr tedy způsobil, že prospěšná alela SLC24A5 dosáhla vysoké frekvence již brzy, ale dávná historie populace pomohla určit, které populace ji dnes mají a které ne. (Za světlou kůži u východních Asiatů mohou jiné geny.)
Bližší pohled na selekční signály v těchto a dalších datech odhaluje další zvláštní vzorec. Většina alel s nejextrémnějšími rozdíly ve frekvenci mezi populacemi – například ty, které se vyskytují téměř u všech Asiatů, ale u žádných Afričanů – nevykazuje silné stopové signály, které bychom očekávali, pokud by přírodní výběr rychle vytlačil tyto nové alely na vysokou frekvenci. Místo toho se zdá, že se tyto alely šířily postupně během zhruba 60 000 let od doby, kdy náš druh opustil Afriku. Ve světle těchto pozorování se nyní se svými spolupracovníky domníváme, že k učebnicovým selekčním zásahům – kdy přírodní výběr rychle vyžene výhodnou novou mutaci k fixaci – docházelo v době od počátku diaspory H. sapiens poměrně zřídka. Domníváme se, že přírodní výběr obvykle působí na jednotlivé alely relativně slabě, a tak je podporuje velmi pomalu. V důsledku toho může většina alel, které zažívají selekční tlak, dosáhnout vysoké frekvence až tehdy, když tento tlak přetrvává desítky tisíc let.
Jedna vlastnost, mnoho genů
Naše závěry se mohou zdát paradoxní: pokud obvykle trvalo 50 000, nikoliv 5 000 let, než se užitečná alela rozšířila v populaci, jak by se lidé vůbec dokázali rychle přizpůsobit novým podmínkám? Ačkoli nejlépe pochopené adaptace vznikají na základě změn v jediném genu, je možné, že většina adaptací nevzniká tímto způsobem, ale spíše pochází z genetických variant, které mají mírný vliv na stovky nebo tisíce příslušných genů z celého genomu – což znamená, že jsou polygenní. Například práce publikovaná v roce 2010 identifikovala více než 180 různých genů, které ovlivňují lidskou výšku, a jistě jich zbývá najít mnohem více. U každého z nich jedna alela zvyšuje průměrnou výšku jen asi o jeden až pět milimetrů ve srovnání s jinou alelou.
Když se přírodní výběr zaměří na lidskou výšku – jako tomu bylo u pygmejských populací, které žijí v prostředí deštných pralesů v Africe, jihovýchodní Asii a Jižní Americe, kde malá tělesná velikost může být adaptací na omezenou výživu dostupnou v těchto prostředích – může z velké části fungovat tak, že upravuje frekvence alel stovek různých genů. Pokud by se „krátká“ verze každého genu pro výšku stala jen o 10 procent častější, pak by většina lidí v populaci měla větší počet „krátkých“ alel a populace by byla celkově nižší. I kdyby byl celkový znak pod silnou selekcí, síla selekce na každý jednotlivý gen výšky by byla stále slabá. Protože selekce působící na každý jednotlivý gen je slabá, polygenní adaptace by se ve studiích genomu neprojevily jako klasický signál selekce. Je tedy možné, že lidské genomy prošly v poslední době většími adaptačními změnami, než jsou vědci zatím schopni identifikovat při zkoumání genomu obvyklým způsobem.
Stále se vyvíjí?
Pokud jde o to, zda se lidé stále vyvíjejí, je obtížné zachytit přírodní výběr při utváření současných populací. Je však snadné představit si znaky, které by mohly být ovlivněny. Infekční nemoci, jako je malárie a HIV, nadále působí v rozvojovém světě silnými selekčními silami. Hrstka známých variant genů, které poskytují určitou ochranu proti těmto pohromám, je pravděpodobně pod silným selekčním tlakem, protože lidé, kteří jsou jejich nositeli, mají větší pravděpodobnost, že přežijí a dožijí se mnohem více dětí než ti, kteří je nemají. Varianta, která chrání nositele před vivaxní formou malárie, se stala všudypřítomnou v mnoha populacích v subsaharské Africe. Varianty, které chrání před virem HIV, by se mezitím mohly během stovek let rozšířit po celé subsaharské Africe, pokud by virus přetrval a byl nadále mařen tímto genem rezistence. Ale vzhledem k tomu, že se HIV vyvíjí rychleji než lidé, je pravděpodobnější, že tento problém překonáme pomocí technologií (například v podobě vakcíny) než pomocí přírodního výběru.
V rozvinutém světě umírá mezi narozením a dospělostí relativně málo lidí, takže jedny z nejsilnějších selekčních sil jsou pravděpodobně ty, které působí na geny ovlivňující počet dětí, které každý člověk zplodí. V podstatě jakýkoli aspekt plodnosti nebo reprodukčního chování, který ovlivňuje genetická variabilita, by mohl být cílem přírodního výběru. Stephen C. Stearns z Yaleovy univerzity a jeho kolegové v roce 2009 v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences USA informovali o výsledcích studie, která identifikovala šest různých znaků u žen, které jsou spojeny s vyšším počtem dětí během života a které všechny vykazují střední až vysokou dědičnost. Tým zjistil, že ženy s větším počtem dětí mají tendenci být o něco nižší a statnější než průměr a mají pozdější věk v menopauze. Pokud tedy prostředí zůstane neměnné, tyto vlastnosti se pravděpodobně časem stanou běžnějšími v důsledku přírodního výběru: autoři odhadují, že průměrný věk v menopauze se během příštích 10 generací, tedy za 200 let, zvýší přibližně o jeden rok. (Spekulativněji řečeno, je pravděpodobné, že genetická variabilita ovlivňující sexuální chování – nebo užívání antikoncepce – bude podléhat silnému výběru, ačkoli to, jak silně geny ovlivňují komplexní chování, jako je toto, zůstává nejasné.)
Přesto je rychlost změn většiny znaků ledově pomalá ve srovnání s rychlostí, jakou měníme naši kulturu a technologie a samozřejmě naše globální životní prostředí. A velké adaptační změny vyžadují stabilní podmínky po celá tisíciletí. Za 5000 let bude tedy lidské prostředí nepochybně velmi odlišné. Ale vzhledem k absenci rozsáhlého genomového inženýrství budou lidé sami pravděpodobně do značné míry stejní.