Távcső a kövületek előtti korba

Az újonnan kifejlesztett eszköz egy olyan jelenséget - a horizontális géntranszfert - használ időmérésre, amit az élet fáját rekonstruálni kívánó evolúciókutatók eddig inkább akadálynak tartottak. Most az évmilliárdos történet feltérképezésére párhuzamosan két kutatócsoport is olyan eszközt fejlesztett ki, ami épp a horizontális géntranszfer révén tisztázza az evolúciós elágazási időpontokat. A kutatásokról beszámoló mindkét tanulmány a Nature Ecology & Evolution című szaklap áprilisi számában jelent meg, az egyik munka vezető szerzője magyar kutató, Szöllősi Gergely, az ELTE evolúcióbiológusa (Adrián Davín és munkatársai: Gene transfers can date the tree of life, illetve Joanna Wolfe és Gregory Fournier: Horizontal gene transfer constrains the timing of methanogen evolution).

Eddig az élet 3,8 milliárd éves történetének mindössze legutóbbi fél milliárd évéről tudtunk viszonylag pontos adatokat szerezni, mivel addig – a növények majd állatok megjelenéséig – a mikroorganizmusok uralták a Földet, és a mikroorganizmusok nem hagynak fosszíliákat, megkövesedett maradványokat maguk után, jegyzi meg az új időmérő eszköz kifejlesztéséről beszámoló írásában Jordana Cepelewicz tudományos újságíró (Chronological Clues to Life’s Early History Lurk in Gene Transfers; Quantamagazine).

Tradicionálisan a kutatók fosszíliákat és a mutációs rátát elemző molekuláris órákat használnak annak felmérésére, hogy két rokon faj mikor válhatott szét az evolúció során: mivel a mutációs ráta különbözik a leszármazási vonalak között (pl. gyorsabb a molekuláris óra a rágcsálóknál, mint az emlősök esetén), annak kalibrálásához szükség van fosszíliák vizsgálatára is. Fosszíliák hiányában eddig az élet első 3,3 milliárd évéről nehéz volt információt szerezni, ráadásul a meglévő adatok értelmezését is nehezítette a horizontális géntranszfer, az a folyamat, amelynek során a mikroorganizmusok nem vertikálisan, azaz szüleiktől örökölnek géneket, hanem azokat távoli fajok képviselőitől kapják és építik be genomjukba. A horizontális géntranszfer az évmilliárdok során olyan domináns evolúciós erő volt, írja Cepelewicz, hogy napjainkban számos kutató már nem is az élet fája metafórát használja a fajok leszármazására, hanem inkább a hálózatot.

Vincent Daubin, Szöllősi társszerzője a Quantamagazine-nak adott nyilatkozatában kifejti: ha megfelelően használjuk a horizontális géntranszfer által nyújtott információt, kiszámolhatjuk, milyen rokonságban vannak egymással bizonyos fajok, mikor éltek adott fajok, illetve milyen más fajokkal álltak ökológiai kapcsolatban. Daubin és Szöllősi már 2012-ben kifejlesztette azt a valószínűségi algoritmust, ami többek között arra is képes, hogy két faj DNS-szekvenciáinak összehasonlításával megmondja, mi annak az esélye, hogy a két faj közötti különbség géntranszfer, génduplikáció vagy géndeléció eredménye. A géntranszfer feltérképezése különösen hasznos, mondja Daubin, mivel ezáltal logikailag rekonstruálhatók a lehetséges rokonsági viszonyok: bármely transzfer esetén a géndonor őse idősebb kell legyen a gént átvevő utódainál – sok ilyen transzfer elemzésével pedig rekonstruálhatóvá válik a fajok kialakulása.

Friss munkájukban Daubin, Szöllősi és munkatársaik algoritmusuk segítségével 40 oxigéntermelő, fotoszintetizáló cyanobaktérium-faj, 60 egysejtű archea-faj és 60 gomba-faj DNS-ét elemezve megállapították a fajok szétválásának relatív időpontját, majd a kalibrációt a fosszíliát és mutációs rátát elemző molekuláris órát alkalmazó tradicionális módszer segítségével végezték el, így a fajok szétválásának aktuális időpontjait is képesek voltak megmondani.

A két módszer kombinálása révén tehát az eddiginél jóval pontosabban írható le az evolúció története, és az evolúcióbiológusok számos régi kérdésre is választ kaphatnak, így pl. arra is, hogy 3,8 milliárd évvel ezelőtt, amikor a Nap még nem adott annyi meleget, hogy felelős lehessen a Földön folyékony halmazállapotban lévő vízért, honnan származott a bolygónkat melegen tartó légköri metángáz. Mivel metántermelő mikroorganizmusok fosszíliái nem maradtak fent, eddig az is elképzelhető volt, hogy a metán nem biológiai reakciókból származott. A Nature Ecology & Evolution másik tanulmánya metántermelő archea-fajokból származó géntranszfer elemzésével bizonyította, hogy ezek a mikroorganizmusok már több mint 3,5 milliárd évvel ezelőtt jelen voltak a Földön, és ettől független algoritmusuk segítségével Szöllősiék is azonos eredményre jutottak.

A két független módszer segítségével kalibrált új evolúciós óra segítségével a továbbiakban számos fontos kérdés megválaszolható lesz, írja a két tanulmány mellett megjelent elemzésében Mario dos Reis evolúcióbiológus (Fossil-free dating), így pl. feltárható a humán mikrobiom vagy a HIV-hez hasonló, ősi retrovírusfajok kialakulásának története is.