För tusentals år sedan flyttade människorna för första gången in på den tibetanska platån, en vidsträckt stäppmark som tornar upp sig cirka 14 000 fot över havet. Även om dessa pionjärer skulle ha haft fördelen av att komma in i ett nytt ekosystem utan konkurrens med andra människor, skulle de låga syrehalterna på den höjden ha utsatt kroppen för svåra påfrestningar, vilket resulterade i kronisk höjdsjuka och hög spädbarnsdödlighet. För två år sedan identifierades i ett antal genetiska studier en genvariant som är vanlig hos tibetaner men sällsynt hos andra befolkningsgrupper. Denna variant, som justerar produktionen av röda blodkroppar hos tibetaner, bidrar till att förklara hur denna grupp anpassade sig till dessa hårda förhållanden. Upptäckten, som skapade rubriker världen över, var ett dramatiskt exempel på hur människor har genomgått en snabb biologisk anpassning till nya miljöförhållanden under den senaste tiden. En studie uppskattade att den fördelaktiga varianten spreds till hög frekvens inom de senaste 3 000 åren – ett ögonblick i evolutionära termer.
Fyndet i Tibet tycktes stärka uppfattningen att vår art har genomgått betydande biologiska anpassningar av detta slag sedan den först lämnade Afrika för kanske 60 000 år sedan (uppskattningarna varierar från 50 000 till 100 000 år sedan). Övergången till hög höjd är bara en av många miljömässiga utmaningar som Homo sapiens mötte när den vandrade från de varma gräs- och buskmarkerna i Östafrika till iskalla tundror, ångande regnskogar och solbrända öknar – praktiskt taget alla terrestra ekosystem och klimatzoner på planeten. Mycket av människans anpassning var förvisso teknisk – för att bekämpa kylan tillverkade vi till exempel kläder. Men den förhistoriska tekniken kunde inte ensamt ha räckt till för att övervinna tunn bergsluft, smittsamma sjukdomars härjningar och andra miljömässiga hinder. Under dessa omständigheter måste anpassningen ske genom genetisk evolution snarare än genom tekniska lösningar. Det var därför rimligt att förvänta sig att undersökningar av våra genom skulle avslöja avsevärda bevis för nya genetiska mutationer som nyligen har spridits i olika populationer genom naturligt urval – det vill säga för att de som bär på mutationerna får fler friska barn som överlever för att fortplanta sig än de som inte gör det.
För åtta år sedan gav mina kolleger och jag oss i kast med att leta efter avtrycken av dessa djupgående miljöutmaningar i människans arvsmassa. Vi ville ta reda på hur människan har utvecklats sedan våra föregångare gav sig ut på sin relativt nya globala resa. I vilken utsträckning skiljer sig populationer i olika delar av världen genetiskt åt på grund av att det naturliga urvalet nyligen har anpassat dem till olika miljöpåfrestningar, som i fallet med tibetanerna? Hur stor andel av dessa genetiska skillnader beror i stället på andra influenser? Tack vare framsteg inom tekniken för att studera genetisk variation kunde vi börja ta itu med dessa frågor.
Arbetet pågår fortfarande, men de preliminära resultaten har överraskat oss. Det visar sig att genomet faktiskt innehåller få exempel på mycket starkt, snabbt naturligt urval. Istället verkar det mesta av det naturliga urvalet som är synligt i genomet ha skett under tiotusentals år. Vad som verkar ha hänt i många fall är att en fördelaktig mutation spreds i en population för länge sedan som svar på ett lokalt miljötryck och sedan fördes vidare till avlägsna platser när populationen expanderade till nya områden. Vissa genvarianter som är inblandade i bestämningen av ljus hudfärg, en anpassning till minskat solljus, är till exempel fördelade i enlighet med gamla migrationsvägar, snarare än bara latitud. Att dessa uråldriga urvalssignaler har bestått under årtusenden utan att nya miljöpåtryckningar har överskuggat dem tyder på att det naturliga urvalet ofta verkar i en mycket lugnare takt än vad forskarna hade föreställt sig. Den snabba utvecklingen av en viktig gen hos tibetanerna verkar inte vara typisk.
Som evolutionsbiolog får jag ofta frågan om människan fortfarande utvecklas i dag. Det gör vi definitivt. Men svaret på frågan om hur vi förändras är mycket mer komplicerat. Våra data tyder på att det klassiska scenariot för naturligt urval, där en enda fördelaktig mutation sprider sig som en löpeld genom en population, faktiskt har inträffat relativt sällan hos människor under de senaste 60 000 åren. Denna mekanism för evolutionär förändring verkar snarare kräva konsekventa miljöpåtryckningar under tiotusentals år – en ovanlig situation när våra förfäder började resa runt jorden och den tekniska innovationstakten började accelerera.
Dessa fynd bidrar redan nu till att förfina vår förståelse, inte bara av den senaste människans utveckling, utan också av vad vår kollektiva framtid kan komma att innehålla. För ett antal av de utmaningar som vår art för närvarande står inför – t.ex. globala klimatförändringar och många smittsamma sjukdomar – sker det naturliga urvalet förmodligen för långsamt för att hjälpa oss särskilt mycket. I stället måste vi förlita oss på kultur och teknik.
Att hitta fotspåren
För bara ett decennium sedan var det extremt svårt för forskare att spåra vår arts genetiska reaktioner på vår miljö; de nödvändiga verktygen fanns helt enkelt inte. Allt detta förändrades i och med slutförandet av den mänskliga genomsekvensen och den efterföljande katalogiseringen av den genetiska variationen. För att förstå exakt vad vi gjorde hjälper det att veta lite om hur DNA är uppbyggt och hur små förändringar kan påverka dess funktion. Den mänskliga genomsekvensen består av cirka tre miljarder par DNA-nukleotider, eller ”bokstäver”, som fungerar som en instruktionsbok för hur man sätter ihop en mänsklig . Man vet nu att handboken innehåller en reservdelslista med cirka 20 000 gener – strängar av DNA-bokstäver som anger den information som krävs för att bygga proteiner. (Proteiner, som inkluderar enzymer, utför en stor del av arbetet i cellerna.) Ungefär 2 procent av den mänskliga arvsmassan kodar för proteiner, och en något större del är involverad i genreglering. Större delen av resten av genomet har ingen känd roll.
Totalt sett är genomet hos två människor extremt likt och skiljer sig endast i ungefär ett av 1 000 nukleotidpar. Platser där ett nukleotidpar ersätter ett annat kallas single-nucleotide polymorphisms, eller SNP (uttalas ”snips”), och de alternativa versionerna av DNA vid varje SNP kallas alleler. Eftersom större delen av arvsmassan inte kodar för proteiner eller reglerar gener har de flesta SNPs förmodligen ingen mätbar effekt på individen. Men om en SNP förekommer i en region av genomet som har en kodande eller reglerande funktion kan den påverka strukturen eller funktionen hos ett protein eller var och hur mycket av proteinet tillverkas. På detta sätt kan SNP:er tänkas ändra nästan alla egenskaper, oavsett om det gäller längd, ögonfärg, förmåga att smälta mjölk eller känslighet för sjukdomar som diabetes, schizofreni, malaria och hiv.
När det naturliga urvalet starkt gynnar en viss allel blir den vanligare i populationen med varje generation, medan den missgynnade allelen blir mindre vanlig. Så småningom, om miljön förblir stabil, kommer den gynnsamma allelen att spridas tills alla i populationen bär den, och då har den blivit fixerad i den gruppen. Denna process tar vanligtvis många generationer. Om en person med två kopior av den fördelaktiga allelen producerar 10 procent fler barn och en person med en kopia producerar i genomsnitt 5 procent fler barn än en person utan den fördelaktiga allelen, kommer det att ta ungefär 200 generationer, eller ungefär 5 000 år, för den allelen att öka i frekvens från 1 procent av befolkningen till 99 procent av den. I teorin skulle en nyttig allel kunna fixeras på så lite som några hundra år om den ger en extraordinärt stor fördel. Omvänt skulle en mindre fördelaktig allel kunna ta många tusen år att sprida sig.
Det skulle vara fantastiskt om vi i våra försök att förstå den senaste människans utveckling kunde få DNA-prover från forntida kvarlevor och faktiskt spåra förändringarna av gynnade alleler över tiden. Men DNA bryts vanligtvis snabbt ned i antika prover, vilket försvårar detta tillvägagångssätt. Därför har min forskargrupp och ett antal andra runt om i världen utvecklat metoder för att undersöka den genetiska variationen hos dagens människor för att hitta tecken på naturligt urval som har skett i det förflutna.
En sådan taktik är att kamma DNA-data från många olika människor för att hitta sträckor som visar få skillnader i SNP-alleler inom en population. När en ny fördelaktig mutation sprider sig snabbt i en grupp på grund av naturligt urval tar den med sig en omgivande del av kromosomen i en process som kallas genetisk lifting. När frekvensen av den fördelaktiga allelen ökar i gruppen med tiden, ökar också frekvensen av närliggande ”neutrala” och nästan neutrala alleler som inte påverkar proteinets struktur eller mängd nämnvärt utan följer med den utvalda allelen. Den resulterande minskningen eller elimineringen av SNP-variationen i den del av genomet som innehåller en fördelaktig allel kallas för en selektiv svepning. Spridningen av utvalda alleler genom naturligt urval kan också lämna andra distinkta mönster i SNP-data: om en befintlig allel plötsligt visar sig vara särskilt användbar när en population befinner sig i nya omständigheter, kan den allelen nå hög frekvens (samtidigt som den förblir sällsynt i andra populationer) utan att nödvändigtvis generera en hittepå-signal.
Under de senaste åren har flera studier, bland annat en som mina kollegor och jag publicerade 2006, identifierat flera hundra genomsignaler av uppenbart naturligt urval som inträffat under de senaste 60 000 åren eller så – det vill säga sedan H. sapiens lämnade Afrika. I några av dessa fall har forskarna ett ganska bra grepp om det selektiva trycket och den adaptiva fördelen med den gynnade allelen. Bland mjölkproducerande befolkningar i Europa, Mellanöstern och Östafrika visar till exempel den del av arvsmassan som innehåller genen för laktasenzymet som smälter laktos (sockret i mjölk) tydliga tecken på att ha varit föremål för ett starkt urval. I de flesta populationer föds barn med förmågan att smälta laktos, men laktasgenen stängs av efter avvänjning, vilket gör att människor inte kan smälta laktos som vuxna. I en artikel i American Journal of Human Genetics 2004 uppskattade en grupp vid Massachusetts Institute of Technology att varianter av laktasgenen som förblir aktiva i vuxen ålder uppnådde hög frekvens i europeiska mjölkproducerande grupper på bara 5 000 till 10 000 år. År 2006 rapporterade en grupp ledd av Sarah Tishkoff, nu vid University of Pennsylvania, i Nature Genetics att de hade funnit en snabb utveckling av laktasgenen i östafrikanska mjölkproducerande populationer. Dessa förändringar var säkert ett adaptivt svar på en ny livsstil.
Forskare har också funnit uttalade signaler om selektion i minst ett halvt dussin gener som är involverade i att bestämma hud-, hår- och ögonfärg hos icke-afrikaner. Även här är det selektiva trycket och den adaptiva nyttan tydliga. När människorna flyttade ut ur sitt tropiska hemland fick de mindre ultraviolett strålning från solen. Kroppen behöver UV-strålning för att syntetisera D-vitamin, ett viktigt näringsämne. I tropikerna är UV-strålningen tillräckligt stark för att tränga igenom mörk hud i de mängder som behövs för syntesen av D-vitamin. Så är inte fallet på de högre breddgraderna. Behovet av att absorbera tillräckliga mängder D-vitamin drev med största sannolikhet utvecklingen av ljusare hudfärg på dessa platser, och förändringar i dessa gener som bär signaler om starkt urval möjliggjorde denna adaptiva förändring.
Selektionssignaler dyker också upp i en rad olika gener som ger resistens mot infektionssjukdomar. Pardis Sabeti vid Harvard University och hennes kollegor har till exempel hittat en mutation i den så kallade LARGE-genen som nyligen har spridits till hög frekvens hos Yorubafolket i Nigeria och som troligen är ett svar på den relativt nya uppkomsten av Lassafeber i denna region.
Mixade signaler
Dessa exempel och ett fåtal andra fall ger starka bevis för att det naturliga urvalet agerar snabbt för att främja hjälpsamma alleler. För de flesta av resten av de hundratals möjliga signalerna vet vi dock ännu inte vilka miljöfaktorer som gynnade spridningen av den utvalda allelen, och vi vet inte heller vilken effekt allelen har på de människor som bär på den. Fram till nyligen tolkade vi och andra dessa kandidatsignaler som att det har skett åtminstone några hundra mycket snabba selektiva svepningar under de senaste 15 000 åren i flera mänskliga populationer som har studerats. Men i nyare arbeten har mina kollegor och jag funnit bevis som tyder på att de flesta av dessa signaler i stället faktiskt inte alls är resultatet av en mycket nyligen genomförd, snabb anpassning till lokala förhållanden.
I samarbete med medarbetare vid Stanford University studerade vi ett massivt SNP-datamaterial som genererats från DNA-prover som tagits från cirka 1 000 individer från hela världen. När vi tittade på den geografiska fördelningen av utvalda alleler fann vi att de mest uttalade signalerna tenderar att falla in i ett av bara tre geografiska mönster. För det första finns de så kallade out-of-Africa sweeps, där den gynnade allelen och dess medföljare förekommer med hög frekvens i alla icke-afrikanska populationer . Detta mönster tyder på att den adaptiva allelen dök upp och började spridas mycket kort efter att människorna lämnat Afrika, men medan de fortfarande var begränsade till Mellanöstern – alltså kanske för cirka 60 000 år sedan – och att den sedan fördes runt om i världen när människorna migrerade norrut och österut. Sedan finns det två andra, mer begränsade, geografiska mönster: de västeurasiska svepningarna, där en gynnad allel förekommer i hög frekvens hos alla befolkningar i Europa, Mellanöstern, Central- och Sydasien, men inte någon annanstans, och de östasiatiska svepningarna, där den gynnade allelen är vanligast hos östasiater samt vanligen även hos infödda amerikaner, melanesier och papuaner. Dessa två mönster representerar troligen svepningar som inleddes kort efter att västeurasierna och östasiaterna splittrades och gick skilda vägar. (Man vet inte exakt när detta inträffade, men troligen för omkring 20 000 till 30 000 år sedan.)
Dessa svepmönster avslöjar något mycket intressant: forntida befolkningsrörelser har i hög grad påverkat fördelningen av gynnade alleler över hela världen, och det naturliga urvalet har inte gjort mycket för att finjustera dessa fördelningar för att matcha moderna miljöpåfrestningar. En av de viktigaste aktörerna i anpassningen till ljusare hudfärg är till exempel en variant av den så kallade SLC24A5-genen. Eftersom det är en anpassning till minskat solljus kan man förvänta sig att dess frekvens i befolkningen ökar med breddgraden och att dess utbredning är likartad hos människor från Nordasien och norra Europa. Istället ser vi en västeurasisk svepning: genvarianten och det hittegodsdna som följer med den är vanliga från Pakistan till Frankrike men i stort sett obefintliga i Östasien – till och med på de nordliga breddgraderna. Denna fördelning tyder på att den fördelaktiga varianten uppstod i västeurasiaternas förfäder – efter att de skiljde sig från östasiaternas förfäder – som förde med sig den i hela den regionen. Det naturliga urvalet drev alltså den fördelaktiga SLC24A5-allelen till hög frekvens tidigt, men den gamla befolkningshistorien bidrog till att bestämma vilka populationer som i dag har den och vilka som inte har den. (Andra gener står för ljus hud hos östasiater.)
En närmare granskning av selektionssignalerna i dessa och andra data avslöjar ett annat märkligt mönster. De flesta av de alleler med de mest extrema frekvensskillnaderna mellan populationer – de som förekommer hos nästan alla asiater men inga afrikaner, till exempel – uppvisar inte de starka liftsignaler man skulle förvänta sig att se om det naturliga urvalet snabbt drev dessa nya alleler till hög frekvens. I stället verkar dessa alleler ha spridits gradvis under de cirka 60 000 år som gått sedan vår art lämnade Afrika. Mot bakgrund av dessa observationer tror mina medarbetare och jag nu att selektiva svep enligt läroboken – där det naturliga urvalet snabbt driver en fördelaktig ny mutation till fixering – faktiskt har inträffat ganska sällan under den tid som gått sedan H. sapiens diaspora började. Vi misstänker att det naturliga urvalet vanligtvis verkar relativt svagt på enskilda alleler och därmed främjar dem mycket långsamt. Som ett resultat av detta kan de flesta alleler som utsätts för selektionstryck nå hög frekvens först när trycket består i tiotusentals år.
En egenskap, många gener
Våra slutsatser kan tyckas paradoxala: om det vanligtvis har tagit 50 000, och inte 5 000, år för en nyttig allel att spridas i en population, hur skulle då människan någonsin kunna klara av att snabbt anpassa sig till nya förhållanden? Även om de bäst förstådda anpassningarna uppstår genom förändringar i en enda gen, kan det vara så att de flesta anpassningar inte uppstår på det sättet utan snarare härrör från genetiska varianter som har milda effekter på hundratals eller tusentals relevanta gener från hela genomet – vilket innebär att de är polygena. I en artikel som publicerades 2010 identifierades till exempel mer än 180 olika gener som påverkar människans längd, och det återstår säkert att hitta många fler. För var och en av dessa ökar en allel den genomsnittliga längden med endast en till fem millimeter jämfört med en annan allel.
När det naturliga urvalet riktar in sig på människans längd – vilket har skett i pygmépopulationer som lever i regnskogsmiljöer i Afrika, Sydostasien och Sydamerika, där en liten kroppsstorlek kan vara en anpassning till den begränsade näring som finns tillgänglig i dessa miljöer – kan detta till stor del ske genom att man ändrar på allelfrekvenserna för hundratals olika gener. Om den ”korta” versionen av varje längdgen blev bara 10 procent vanligare, skulle de flesta människor i befolkningen ha ett större antal ”korta” alleler, och befolkningen skulle bli kortare överlag. Även om den övergripande egenskapen skulle vara föremål för ett starkt urval, skulle styrkan i urvalet för varje enskild längdgen fortfarande vara svag. Eftersom det urval som verkar på en enskild gen är svagt skulle polygena anpassningar inte synas i genomstudier som en klassisk signal om urval. Det är alltså möjligt att människans genom har genomgått fler adaptiva förändringar på senare tid än vad forskarna ännu kan identifiera genom att undersöka genomet på det vanliga sättet.
Evolutionerar människan fortfarande?
För att svara på om människan fortfarande utvecklas är det svårt att fånga det naturliga urvalet när det är i färd med att forma dagens populationer. Det är dock lätt att föreställa sig egenskaper som kan påverkas. Smittsamma sjukdomar som malaria och hiv fortsätter att utöva starka urvalskrafter i utvecklingsländerna. Den handfull kända genvarianter som ger ett visst skydd mot dessa gissel utsätts troligen för ett starkt selektivt tryck eftersom människor som bär på dem har större sannolikhet att överleva och leva för att få många fler barn än de som inte bär på dem. En variant som skyddar bärare mot vivaxformen av malaria har blivit allestädes närvarande i många populationer i Afrika söder om Sahara. De varianter som skyddar mot hiv skulle däremot kunna spridas över hela Afrika söder om Sahara inom hundratals år om viruset skulle bestå och fortsätta att motarbetas av denna resistensgen. Men med tanke på att hiv utvecklas snabbare än människan är det troligare att vi övervinner det problemet med teknik (i form av ett vaccin till exempel) än med naturligt urval.
I den utvecklade världen är det relativt få människor som dör mellan födelse och vuxenliv, så några av de starkaste selektionskrafterna är troligen de som verkar på gener som påverkar hur många barn varje person föder. I princip skulle varje aspekt av fertilitet eller reproduktivt beteende som påverkas av genetisk variation kunna vara målet för det naturliga urvalet. I Proceedings of the National Academy of Sciences USA 2009 rapporterade Stephen C. Stearns från Yale University och hans kollegor om resultaten av en studie som identifierade sex olika egenskaper hos kvinnor som är förknippade med ett högre antal barn under hela livet och som alla uppvisar en medelhög till hög arvbarhet. Kvinnor med ett större antal barn, konstaterade gruppen, tenderar att vara något kortare och kraftigare än genomsnittet och att ha en senare ålder vid klimakteriet. Om miljön förblir konstant kommer dessa egenskaper förmodligen att bli vanligare med tiden på grund av det naturliga urvalet: författarna uppskattar att den genomsnittliga åldern vid klimakteriet kommer att öka med ungefär ett år under de kommande 10 generationerna, eller 200 år. (Mer spekulativt är det rimligt att genetisk variation som påverkar sexuellt beteende – eller användning av preventivmedel – skulle vara föremål för starkt urval, även om det fortfarande är oklart hur starkt generna påverkar komplexa beteenden som dessa.)
Förändringstakten för de flesta egenskaper är ändå isande långsam jämfört med den hastighet med vilken vi förändrar vår kultur och teknik och naturligtvis vår globala miljö. Och stora adaptiva förändringar kräver stabila förhållanden över årtusenden. Därför kommer den mänskliga miljön om 5 000 år utan tvekan att vara mycket annorlunda. Men i avsaknad av storskalig genomisk ingenjörskonst kommer människorna själva förmodligen att vara i stort sett desamma.