Cu mii de ani în urmă, oamenii s-au mutat pentru prima dată pe platoul tibetan, o întindere vastă de stepă care se înalță la aproximativ 4.000 de metri deasupra nivelului mării. Deși acești deschizători de drumuri ar fi avut avantajul de a intra într-un ecosistem nou, lipsit de competiția cu alți oameni, nivelurile scăzute de oxigen de la acea altitudine ar fi exercitat presiuni severe asupra organismului, ducând la boala cronică de altitudine și la o mortalitate infantilă ridicată. În urmă cu doi ani, o avalanșă de studii genetice a identificat o variantă genetică care este comună la tibetani, dar rară la alte populații. Această variantă, care ajustează producția de globule roșii la tibetani, ajută la explicarea modului în care acest grup s-a adaptat la acele condiții dure. Descoperirea, care a ținut prima pagină a ziarelor din întreaga lume, a oferit un exemplu dramatic al modului în care oamenii au suferit o adaptare biologică rapidă la noile condiții de mediu în trecutul recent. Un studiu a estimat că varianta benefică s-a răspândit la o frecvență ridicată în ultimii 3.000 de ani – o simplă clipă în termeni evolutivi.
Dezvăluirile din Tibet par să întărească ideea că specia noastră a suferit o adaptare biologică considerabilă de acest fel de când a părăsit Africa, probabil acum 60.000 de ani (estimările variază între 50.000 și 100.000 de ani). Tranziția la altitudine ridicată este doar una dintre numeroasele provocări de mediu pe care Homo sapiens le-a întâlnit în timp ce a migrat de la pășunile și arbuștii fierbinți din Africa de Est la tundrele friguroase, pădurile tropicale cu aburi și deșerturile coapte de soare – practic fiecare ecosistem terestru și zonă climatică de pe planetă. Cu siguranță, o mare parte din adaptarea umană a fost tehnologică – pentru a combate frigul, de exemplu, am creat îmbrăcăminte. Dar numai tehnologia preistorică nu ar fi putut fi suficientă pentru a depăși aerul rarefiat din munți, ravagiile bolilor infecțioase și alte obstacole de mediu. În aceste circumstanțe, adaptarea ar fi trebuit să aibă loc mai degrabă prin evoluție genetică decât prin soluții tehnologice. Era rezonabil să ne așteptăm, așadar, ca studiile genomurilor noastre să dezvăluie dovezi considerabile ale unor mutații genetice noi care s-au răspândit recent în diferite populații prin selecție naturală – adică, pentru că cei care poartă mutațiile au mai mulți copii sănătoși care supraviețuiesc pentru a se reproduce decât cei care nu le poartă.
În urmă cu opt ani, eu și colegii mei ne-am propus să căutăm amprentele acestor provocări profunde ale mediului în genomul uman. Am vrut să ne dăm seama cum au evoluat oamenii de când predecesorii noștri au pornit în călătoria lor globală relativ recentă. În ce măsură diferă din punct de vedere genetic populațiile din părți disparate ale lumii pentru că selecția naturală le-a adaptat recent la presiuni de mediu diferite, ca în cazul tibetanilor? Ce proporție din aceste diferențe genetice provine, în schimb, din alte influențe? Datorită progreselor înregistrate în tehnologiile de studiere a variației genetice, am putut începe să abordăm aceste întrebări.
Lucrările sunt încă în curs de desfășurare, dar rezultatele preliminare ne-au surprins. Se pare că genomul conține de fapt puține exemple de selecție naturală foarte puternică și rapidă. În schimb, cea mai mare parte a selecției naturale vizibile în genom pare să fi avut loc de-a lungul a zeci de mii de ani. Ceea ce pare să se fi întâmplat în multe cazuri este că o mutație benefică s-a răspândit într-o populație cu mult timp în urmă ca răspuns la o presiune locală de mediu și apoi a fost transportată în localități îndepărtate pe măsură ce populația s-a extins în noi teritorii. De exemplu, unele variante genetice implicate în determinarea culorii deschise a pielii, o adaptare la lumina redusă a soarelui, sunt distribuite în funcție de rutele vechi de migrație, mai degrabă decât doar de latitudine. Faptul că aceste semnale de selecție străvechi au persistat de-a lungul mileniilor, fără ca noi presiuni de mediu să le suprascrie, indică faptul că selecția naturală operează adesea într-un ritm mult mai lent decât își închipuiau oamenii de știință. Se pare că evoluția rapidă a unei gene majore la tibetani nu este tipică.
În calitate de biolog evoluționist, sunt adesea întrebat dacă oamenii evoluează și astăzi. Cu siguranță că da. Dar răspunsul la întrebarea cum ne schimbăm este mult mai complicat. Datele noastre sugerează că scenariul clasic al selecției naturale, în care o singură mutație benefică se răspândește ca un foc de paie într-o populație, a avut loc de fapt relativ rar la oameni în ultimii 60.000 de ani. Mai degrabă, acest mecanism de schimbare evolutivă pare să necesite, de obicei, presiuni de mediu constante pe parcursul a zeci de mii de ani – o situație neobișnuită odată ce strămoșii noștri au început să călătorească pe glob și ritmul de inovare tehnologică a început să se accelereze.
Încă aceste descoperiri ne ajută să ne perfecționăm înțelegerea nu numai a evoluției umane recente, ci și a ceea ce ne-ar putea rezerva viitorul nostru colectiv. Pentru o serie de provocări cu care se confruntă în prezent specia noastră – schimbările climatice globale și multe boli infecțioase, de exemplu – selecția naturală se produce probabil prea lent pentru a ne ajuta prea mult. În schimb, va trebui să ne bazăm pe cultură și tehnologie.
Găsirea urmelor
Cu doar un deceniu în urmă, era extrem de dificil pentru oamenii de știință să urmărească răspunsurile genetice ale speciei noastre la mediul înconjurător; instrumentele necesare pur și simplu nu existau. Toate acestea s-au schimbat odată cu finalizarea secvenței genomului uman și cu catalogarea ulterioară a variației genetice. Pentru a înțelege exact ce am făcut, este util să știm câte ceva despre modul în care este structurat ADN-ul și despre modul în care mici modificări îi pot afecta funcția. Secvența genomului uman este formată din aproximativ trei miliarde de perechi de nucleotide de ADN, sau „litere”, care servesc drept manual de instrucțiuni pentru a asambla un om . În prezent se știe că manualul conține o listă de piese de aproximativ 20.000 de gene – șiruri de litere de ADN care descriu în mod explicit informațiile necesare pentru a construi proteine. (Proteinele, care includ enzimele, fac o mare parte din munca în celule.) Aproximativ 2 la sută din genomul uman codifică proteine, iar o fracțiune ceva mai mare este implicată în reglarea genelor. Cea mai mare parte a restului genomului nu are niciun rol cunoscut.
În general, genomurile oricăror doi oameni sunt extrem de asemănătoare, diferind doar în aproximativ una din fiecare 1.000 de perechi de nucleotide. Locurile în care o pereche de nucleotide înlocuiește o altă pereche de nucleotide sunt denumite polimorfisme mononucleotidice sau SNP (pronunțat „snips”), iar versiunile alternative ale ADN-ului la fiecare SNP se numesc alele. Deoarece cea mai mare parte a genomului nu codifică proteine sau nu reglează genele, majoritatea SNP-urilor nu au probabil niciun efect măsurabil asupra individului. Dar dacă un SNP apare într-o regiune a genomului care are o funcție de codificare sau de reglare, acesta poate afecta structura sau funcția unei proteine sau unde și cât de mult este produsă proteina. În acest fel, SNP-urile pot modifica în mod conceptibil aproape orice trăsătură, fie că este vorba de înălțime, culoarea ochilor, capacitatea de a digera laptele sau susceptibilitatea la boli precum diabetul, schizofrenia, malaria și HIV.
Când selecția naturală favorizează puternic o anumită alelă, aceasta devine mai frecventă în populație cu fiecare generație, în timp ce alela defavorizată devine mai puțin frecventă. În cele din urmă, dacă mediul rămâne stabil, alela benefică se va răspândi până când toată lumea din populație o va purta, moment în care aceasta a devenit fixă în acel grup. Acest proces durează de obicei mai multe generații. Dacă o persoană cu două copii ale alelei benefice produce cu 10% mai mulți copii, iar o persoană cu o singură copie produce cu 5% mai mulți copii, în medie, decât o persoană fără alela benefică, atunci va fi nevoie de aproximativ 200 de generații, sau aproximativ 5.000 de ani, pentru ca această alelă să crească în frecvență de la 1% din populație la 99% din aceasta. Teoretic, o alelă utilă ar putea deveni fixă în doar câteva sute de ani dacă ar conferi un avantaj extraordinar de mare. În schimb, o alelă mai puțin avantajoasă ar putea avea nevoie de multe mii de ani pentru a se răspândi.
Ar fi grozav dacă, în eforturile noastre de a înțelege evoluția umană recentă, am putea obține mostre de ADN din rămășițe străvechi și să urmărim efectiv schimbările alelelor favorizate de-a lungul timpului. Dar, de obicei, ADN-ul se degradează rapid în probele antice, împiedicând astfel această abordare. Astfel, grupul meu de cercetare și o serie de alții din întreaga lume au dezvoltat metode de examinare a variației genetice la oamenii din zilele noastre pentru a găsi semne ale selecției naturale care a avut loc în trecut.
O astfel de tactică este de a analiza datele ADN de la mai multe persoane diferite pentru a găsi porțiuni care prezintă puține diferențe în alelele SNP în cadrul unei populații. Atunci când o nouă mutație benefică se propagă rapid într-un grup din cauza selecției naturale, aceasta ia cu ea o bucată de cromozom din jur, într-un proces numit autostop genetic. Pe măsură ce frecvența alelei benefice crește în grup de-a lungul timpului, cresc și frecvențele alelelor „neutre” și aproape neutre din apropiere, care nu afectează în mod semnificativ structura sau cantitatea de proteine, dar care merg împreună cu alela selectată. Reducerea sau eliminarea rezultată a variației SNP în regiunea genomului care conține o alelă benefică se numește sweep selectiv. Răspândirea alelelor selectate prin selecție naturală poate lăsa și alte modele distinctive în datele SNP: dacă o alelă existentă se dovedește brusc deosebit de utilă atunci când o populație se află în circumstanțe noi, acea alelă poate ajunge la o frecvență ridicată (în timp ce rămâne rară în alte populații) fără a genera neapărat un semnal de autostop.
În ultimii ani, mai multe studii, inclusiv unul pe care colegii mei și cu mine l-am publicat în 2006, au identificat câteva sute de semnale în genom de selecție naturală aparentă care au avut loc în ultimii 60.000 de ani sau cam așa ceva – adică de când H. sapiens a părăsit Africa. În câteva dintre aceste cazuri, oamenii de știință au o înțelegere destul de bună a presiunilor selective și a beneficiilor adaptative ale alelei favorizate. De exemplu, în rândul populațiilor producătoare de lapte din Europa, Orientul Mijlociu și Africa de Est, regiunea genomului care găzduiește gena enzimei lactază care digeră lactoza (zahărul din lapte) prezintă semne clare că a fost ținta unei selecții puternice. În majoritatea populațiilor, bebelușii se nasc cu capacitatea de a digera lactoza, dar gena lactazei se dezactivează după înțărcare, lăsând oamenii incapabili să digere lactoza la vârsta adultă. Scriind în American Journal of Human Genetics în 2004, o echipă de la Massachusetts Institute of Technology a estimat că variantele genei lactazei care rămân active la vârsta adultă au ajuns la o frecvență ridicată în grupurile europene de crescători de lapte în doar 5.000-10.000 de ani. În 2006, un grup condus de Sarah Tishkoff, în prezent de la Universitatea din Pennsylvania, a raportat în Nature Genetics că a descoperit o evoluție rapidă a genei lactazei în populațiile de crescători de lapte din Africa de Est. Aceste modificări au fost cu siguranță un răspuns adaptativ la o nouă practică de subzistență.
Cercetătorii au găsit, de asemenea, semnale pronunțate de selecție în cel puțin o jumătate de duzină de gene implicate în determinarea culorii pielii, părului și ochilor la non-africani. Și aici, presiunea selectivă și beneficiul adaptativ sunt clare. Pe măsură ce oamenii s-au mutat din patria lor tropicală, au primit radiații ultraviolete reduse de la soare. Organismul are nevoie de radiații UV pentru a sintetiza vitamina D, un nutrient esențial. La tropice, radiațiile UV sunt suficient de puternice pentru a pătrunde în pielea închisă la culoare în cantitățile necesare pentru sinteza vitaminei D. Nu același lucru se întâmplă la latitudini mai mari. Nevoia de a absorbi cantități adecvate de vitamina D a condus aproape sigur la evoluția culorii mai deschise a pielii în aceste locuri, iar modificările acestor gene care poartă semnale de selecție puternică au permis această schimbare adaptativă.
Semnele de selecție apar, de asemenea, într-o varietate de gene care conferă rezistență la boli infecțioase. De exemplu, Pardis Sabeti de la Universitatea Harvard și colegii săi au descoperit o mutație în așa-numita genă LARGE care s-a răspândit recent la o frecvență ridicată la populația Yoruba din Nigeria și este probabil un răspuns la apariția relativ recentă a febrei Lassa în această regiune.
Semnale mixte
Aceste exemple și un număr mic de alte cazuri oferă dovezi puternice ale selecției naturale care acționează rapid pentru a promova alele utile. Cu toate acestea, pentru majoritatea celorlalte sute de semnale candidate, nu știm încă ce factori de mediu au favorizat răspândirea alelei selectate și nici nu știm ce efect exercită alela asupra persoanelor care o adăpostesc. Până de curând, noi și alții am interpretat aceste semnale candidate ca însemnând că, în ultimii 15.000 de ani, în mai multe populații umane studiate, au avut loc cel puțin câteva sute de mături selective foarte rapide în ultimii 15.000 de ani. Dar, în lucrări mai noi, eu și colegii mei am găsit dovezi care sugerează că, în schimb, majoritatea acestor semnale nu sunt de fapt deloc rezultatul unei adaptări foarte recente și rapide la condițiile locale.
Lucrând cu colaboratori de la Universitatea Stanford, am studiat un set masiv de date SNP generate din probe de ADN obținute de la aproximativ 1.000 de indivizi din întreaga lume. Când am analizat distribuțiile geografice ale alelelor selectate, am descoperit că cele mai pronunțate semnale tind să se încadreze într-unul din doar trei modele geografice. În primul rând, există așa-numitele „out-of-Africa sweeps”, în care alela favorizată și autostopiștii săi există la o frecvență ridicată în toate populațiile non-africane . Acest model sugerează că alela adaptivă a apărut și a început să se răspândească la foarte scurt timp după ce oamenii au părăsit Africa, dar în timp ce erau încă restrânși în Orientul Mijlociu – deci probabil în urmă cu aproximativ 60.000 de ani – și a fost ulterior transportată în jurul globului pe măsură ce oamenii au migrat spre nord și est. Apoi, există alte două modele geografice mai restrânse: „sweeps” vest-eurasiatice, în care o alelă favorizată apare la o frecvență ridicată în toate populațiile din Europa, Orientul Mijlociu și Asia Centrală și de Sud, dar nu și în alte părți; și „sweeps” est-asiatice, în care alela favorizată este cea mai frecventă în Asia de Est, precum și, de obicei, la amerindieni, melanezieni și papuași. Aceste două tipare reprezintă, probabil, mutații care au început la scurt timp după ce eurasiaticii de vest și asiaticii de est s-au despărțit și au plecat pe drumuri separate. (Nu se știe cu exactitate când a avut loc acest lucru, dar probabil că în urmă cu aproximativ 20.000-30.000 de ani.)
Aceste tipare de măturare dezvăluie ceva foarte interesant: mișcările străvechi de populație au influențat puternic distribuția alelelor favorizate pe glob, iar selecția naturală a făcut puțin pentru a ajusta aceste distribuții pentru a se potrivi cu presiunile moderne ale mediului. De exemplu, unul dintre cei mai importanți jucători în adaptarea la culoarea mai deschisă a pielii este o variantă a așa-numitei gene SLC24A5. Deoarece este o adaptare la lumina redusă a soarelui, ne-am putea aștepta ca frecvența sa în populație să crească odată cu latitudinea și ca distribuția sa să fie similară la persoanele din Asia de Nord și din Europa de Nord. În schimb, asistăm la o măturare vest-eurasiatică: varianta genetică și ADN-ul autostopist care călătorește cu ea sunt comune din Pakistan până în Franța, dar în esență absente în Asia de Est – chiar și la latitudini nordice. Această distribuție indică faptul că varianta benefică a apărut în populația ancestrală a eurasiaticilor de vest – după ce aceștia au deviat de la strămoșii asiaticilor de est – care au purtat-o în toată regiunea respectivă. Astfel, selecția naturală a dus la o frecvență ridicată a alelei SLC24A5 benefice încă de timpuriu, dar istoria străveche a populației a contribuit la determinarea populațiilor care o au astăzi și care nu o au. (Alte gene sunt responsabile pentru pielea deschisă la asiaticii de est.)
O privire mai atentă la semnalele de selecție din aceste date și din alte date dezvăluie un alt model curios. Cele mai multe dintre alelele cu cele mai extreme diferențe de frecvență între populații – cele care apar la aproape toți asiaticii, dar nu și la africani, de exemplu – nu prezintă semnalele puternice de autostop pe care ne-am aștepta să le vedem dacă selecția naturală a condus rapid aceste noi alele la o frecvență ridicată. În schimb, aceste alele par să se fi propagat treptat pe parcursul a aproximativ 60.000 de ani de când specia noastră a plecat din Africa. Având în vedere aceste observații, colaboratorii mei și cu mine credem acum că, de fapt, mutațiile selective ca la carte – în care selecția naturală conduce rapid o nouă mutație avantajoasă spre fixare – au avut loc destul de rar în perioada de când a început diaspora H. sapiens. Bănuim că selecția naturală acționează de obicei relativ slab asupra alelelor individuale, promovându-le astfel foarte lent. Ca urmare, majoritatea alelelor care se confruntă cu presiunea de selecție pot ajunge la o frecvență ridicată doar atunci când presiunea persistă timp de zeci de mii de ani.
O trăsătură, multe gene
Concluziile noastre pot părea paradoxale: dacă, de obicei, a fost nevoie de 50.000, nu de 5.000 de ani pentru ca o alelă utilă să se răspândească într-o populație, cum ar putea oamenii să reușească vreodată să se adapteze rapid la noile condiții? Deși cele mai bine înțelese adaptări apar în urma modificărilor unei singure gene, s-ar putea ca majoritatea adaptărilor să nu apară în acest mod, ci mai degrabă să provină din variante genetice care au efecte ușoare asupra a sute sau mii de gene relevante din întregul genom – ceea ce înseamnă că sunt poligenice. O lucrare publicată în 2010, de exemplu, a identificat peste 180 de gene diferite care influențează înălțimea umană și, cu siguranță, rămân multe altele de descoperit. Pentru fiecare dintre acestea, o alelă crește înălțimea medie cu doar aproximativ unu până la cinci milimetri în comparație cu o altă alelă.
Când selecția naturală vizează înălțimea umană – așa cum s-a întâmplat în cazul populațiilor pigmee care trăiesc în habitatele din pădurile tropicale din Africa, Asia de Sud-Est și America de Sud, unde dimensiunea corporală mică poate fi o adaptare la nutriția limitată disponibilă în aceste medii – poate acționa în mare parte prin modificarea frecvențelor alelelor a sute de gene diferite. Dacă versiunea „scurtă” a fiecărei gene a înălțimii ar deveni cu doar 10 procente mai frecventă, atunci majoritatea oamenilor din populație ar avea un număr mai mare de alele „scurte”, iar populația ar fi mai scundă în general. Chiar dacă trăsătura generală ar fi supusă unei selecții puternice, intensitatea selecției pe fiecare genă individuală a înălțimii ar fi în continuare slabă. Deoarece selecția care acționează asupra unei singure gene este slabă, adaptările poligenice nu ar apărea în studiile genomice ca un semnal clasic de selecție. Astfel, este posibil ca genomul uman să fi suferit recent mai multe schimbări adaptative decât pot identifica încă oamenii de știință prin examinarea genomului în mod obișnuit.
Încă mai evoluează?
În ceea ce privește întrebarea dacă oamenii încă evoluează, este dificil de surprins selecția naturală în actul de modelare a populațiilor actuale. Cu toate acestea, este ușor de imaginat trăsături care ar putea fi afectate. Bolile infecțioase, cum ar fi malaria și HIV, continuă să exercite puternice forțe de selecție în țările în curs de dezvoltare. Cele câteva variante genetice cunoscute care oferă o anumită măsură de protecție împotriva acestor flageluri sunt probabil supuse unei puternice presiuni selective, deoarece persoanele care le poartă au mai multe șanse de a supraviețui și de a avea mai mulți copii decât cele care nu le poartă. O variantă care îi protejează pe purtători de forma vivax a malariei a devenit omniprezentă în multe populații din Africa subsahariană. Între timp, variantele care protejează împotriva HIV s-ar putea răspândi în toată Africa subsahariană în sute de ani, dacă virusul ar persista și ar continua să fie zădărnicit de acea genă de rezistență. Dar, având în vedere că HIV evoluează mai repede decât oamenii, este mai probabil să depășim această problemă cu ajutorul tehnologiei (sub forma unui vaccin, de exemplu) decât cu ajutorul selecției naturale.
În lumea dezvoltată, relativ puțini oameni mor între naștere și vârsta adultă, astfel încât unele dintre cele mai puternice forțe de selecție sunt probabil cele care acționează asupra genelor care afectează numărul de copii pe care fiecare persoană îl produce. În principiu, orice aspect al fertilității sau al comportamentului reproductiv pe care variația genetică îl afectează ar putea fi ținta selecției naturale. Scriind în Proceedings of the National Academy of Sciences USA în 2009, Stephen C. Stearns de la Universitatea Yale și colegii săi au raportat rezultatele unui studiu care a identificat șase trăsături diferite la femei care sunt asociate cu un număr mai mare de copii pe parcursul vieții și care prezintă toate o moștenire intermediară sau ridicată. Echipa a constatat că femeile cu un număr mai mare de copii au tendința de a fi puțin mai scunde și mai robuste decât media și de a avea o vârstă mai târzie la menopauză. Prin urmare, dacă mediul rămâne constant, se presupune că aceste trăsături vor deveni mai comune în timp, din cauza selecției naturale: autorii estimează că vârsta medie la menopauză va crește cu aproximativ un an în următoarele 10 generații, sau 200 de ani. (În mod mai speculativ, este plauzibil ca variația genetică care influențează comportamentul sexual – sau utilizarea contraceptivelor – să fie supusă unei selecții puternice, deși cât de puternic afectează genele comportamente complexe precum acestea rămâne neclar.)
Cu toate acestea, rata de schimbare a majorității trăsăturilor este glacial de lentă în comparație cu rata cu care ne schimbăm cultura și tehnologia și, bineînțeles, mediul nostru global. Iar schimbările adaptative majore necesită condiții stabile de-a lungul mileniilor. Astfel, peste 5.000 de ani, mediul uman va fi, fără îndoială, foarte diferit. Dar, în absența ingineriei genomice pe scară largă, oamenii înșiși vor fi probabil în mare parte aceiași.
.