El ADN contiene la historia de nuestros ancestros: cómo nos relacionamos con las caras familiares en las reuniones familiares, así como en asuntos más antiguos: cómo nos relacionamos con nuestros parientes no humanos más cercanos, los chimpancés; cómo el Homo sapiens se apareó con los neandertales; y cómo las personas emigraron de África, adaptándose a nuevos entornos y estilos de vida en el camino. Y nuestro ADN también contiene pistas sobre el momento de estos eventos clave en la evolución humana.

Cuando los científicos dicen que los humanos modernos surgieron en África hace unos 200.000 años y comenzaron su propagación global hace unos 60.000 años, ¿cómo se les ocurren esas fechas? Tradicionalmente, los investigadores construyeron líneas de tiempo de la prehistoria humana basadas en fósiles y artefactos, que pueden datarse directamente con métodos como la datación por radiocarbono y la datación por potasio y argón. Sin embargo, estos métodos requieren que los restos antiguos tengan ciertos elementos o condiciones de conservación, y no siempre es el caso. Además, no se han descubierto fósiles o artefactos relevantes para todos los hitos de la evolución humana.

El análisis del ADN a partir de genomas antiguos y actuales proporciona un enfoque complementario para la datación de eventos evolutivos. Debido a que ciertos cambios genéticos ocurren a un ritmo constante por generación, proporcionan una estimación del tiempo transcurrido. Estos cambios se acumulan como las garrapatas de un cronómetro, proporcionando un «reloj molecular».»Al comparar secuencias de ADN, los genetistas no solo pueden reconstruir las relaciones entre diferentes poblaciones o especies, sino también inferir la historia evolutiva a lo largo de escalas de tiempo profundas.

Los relojes moleculares son cada vez más sofisticados, gracias a una mejor secuenciación del ADN, herramientas analíticas y una mejor comprensión de los procesos biológicos detrás de los cambios genéticos. Al aplicar estos métodos a la creciente base de datos de ADN de diversas poblaciones (tanto actuales como antiguas), los genetistas están ayudando a construir una línea de tiempo más refinada de la evolución humana.

Cómo el ADN acumula cambios

Los relojes moleculares se basan en dos procesos biológicos clave que son la fuente de toda variación heredable: mutación y recombinación.

Las mutaciones son cambios en las letras del código genético del ADN, por ejemplo, un nucleótido Guanina (G) se convierte en Timina (T). Estos cambios serán heredados por generaciones futuras si ocurren en óvulos, espermatozoides o sus precursores celulares (la línea germinal). La mayoría son el resultado de errores cuando el ADN se copia a sí mismo durante la división celular, aunque otros tipos de mutaciones ocurren espontáneamente o por exposición a peligros como la radiación y los productos químicos.

En un solo genoma humano, hay alrededor de 70 cambios de nucleótidos por generación, minúsculos en un genoma compuesto de seis mil millones de letras. Pero en conjunto, a lo largo de muchas generaciones, estos cambios conducen a una variación evolutiva sustancial.

Los científicos pueden usar mutaciones para estimar el tiempo de las ramas en nuestro árbol evolutivo. Primero comparan las secuencias de ADN de dos individuos o especies, contando las diferencias neutras que no alteran las posibilidades de supervivencia y reproducción. Luego, conociendo la tasa de estos cambios, pueden calcular el tiempo necesario para acumular tantas diferencias. Esto les dice cuánto tiempo ha pasado desde que los individuos compartieron antepasados.

La comparación del ADN entre tú y tu hermano mostraría relativamente pocas diferencias mutacionales porque compartes antepasados-mamá y papá-hace solo una generación. Sin embargo, hay millones de diferencias entre los humanos y los chimpancés; nuestro último ancestro común vivió hace más de seis millones de años.

La recombinación, también conocida como cruce, es la otra forma principal en que el ADN acumula cambios con el tiempo. Conduce al barajamiento de las dos copias del genoma (una de cada padre), que se agrupan en cromosomas. Durante la recombinación, los cromosomas correspondientes (homólogos) se alinean e intercambian segmentos, de modo que el genoma que transmite a sus hijos es un mosaico del ADN de sus padres.

En humanos, se producen alrededor de 36 eventos de recombinación por generación, uno o dos por cromosoma. A medida que esto sucede en cada generación, los segmentos heredados de un individuo en particular se rompen en trozos cada vez más pequeños. Basado en el tamaño de estos trozos y la frecuencia de cruces, los genetistas pueden estimar cuánto tiempo hace que ese individuo fue su antepasado.

Construir líneas de tiempo basadas en cambios

Los cambios genéticos de mutación y recombinación proporcionan dos relojes distintos, cada uno adecuado para fechar diferentes eventos evolutivos y escalas de tiempo.

Debido a que las mutaciones se acumulan tan lentamente, este reloj funciona mejor para eventos muy antiguos, como divisiones evolutivas entre especies. El reloj de recombinación, por otro lado, marca un ritmo apropiado para las fechas de los últimos 100.000 años. Estos eventos «recientes» (en tiempo evolutivo) incluyen el flujo de genes entre distintas poblaciones humanas, el aumento de adaptaciones beneficiosas o la aparición de enfermedades genéticas.

El caso de los neandertales ilustra cómo los relojes de mutación y recombinación se pueden usar juntos para ayudarnos a desenredar complicadas relaciones ancestrales. Los genetistas estiman que hay entre 1,5 y 2 millones de diferencias mutacionales entre los neandertales y los humanos modernos. La aplicación del reloj de mutación a este recuento sugiere que los grupos inicialmente se dividieron entre 750.000 y 550.000 años atrás.

En ese momento, una población-los antepasados comunes de ambos grupos humanos-se separaba geográfica y genéticamente. Algunos individuos del grupo emigraron a Eurasia y con el tiempo se convirtieron en neandertales. Los que se quedaron en África se convirtieron en humanos anatómicamente modernos.

Sin embargo, sus interacciones no terminaron: Los humanos modernos finalmente se propagaron a Eurasia y se aparearon con neandertales. Aplicando el reloj de recombinación al ADN de Neandertal retenido en los humanos de hoy en día, los investigadores estiman que los grupos se cruzaron entre 54,000 y 40,000 años atrás. Cuando los científicos analizaron un fósil de Homo sapiens, conocido como Oase 1, que vivió hace alrededor de 40,000 años, encontraron grandes regiones de ascendencia neandertal incrustadas en el genoma de Oase, lo que sugiere que Oase tenía un ancestro Neandertal hace solo cuatro a seis generaciones. En otras palabras, el tatarabuelo de Oase era un neandertal.

Los desafíos de los relojes inestables

Los relojes moleculares son un pilar de los cálculos evolutivos, no solo para los seres humanos, sino para todas las formas de organismos vivos. Pero hay algunos factores que lo complican.

El principal desafío surge del hecho de que las tasas de mutación y recombinación no se han mantenido constantes a lo largo de la evolución humana. Las tasas en sí están evolucionando, por lo que varían con el tiempo y pueden diferir entre especies e incluso entre poblaciones humanas, aunque con bastante lentitud. Es como tratar de medir el tiempo con un reloj que marca a diferentes velocidades en diferentes condiciones.

Un problema se relaciona con un gen llamado Prdm9, que determina la ubicación de esos eventos de cruce de ADN. Se ha demostrado que la variación de este gen en humanos, chimpancés y ratones altera los puntos calientes de recombinación, regiones cortas de altas tasas de recombinación. Debido a la evolución de Prdm9 y hotspots, las tasas de recombinación a escala fina difieren entre humanos y chimpancés, y posiblemente también entre africanos y europeos. Esto implica que en diferentes escalas de tiempo y entre poblaciones, el reloj de recombinación marca a velocidades ligeramente diferentes a medida que evolucionan los puntos críticos.

Otro problema es que las tasas de mutación varían según el sexo y la edad. A medida que los padres crecen, transmiten un par de mutaciones adicionales a sus hijos por año. El esperma de padres mayores ha sufrido más rondas de división celular, por lo que hay más oportunidades de mutaciones. Las madres, por otro lado, transmiten menos mutaciones (alrededor de 0,25 por año), ya que los óvulos de una hembra se forman en su mayoría al mismo tiempo, antes de su propio nacimiento. Las tasas de mutación también dependen de factores como el inicio de la pubertad, la edad en el momento de la reproducción y la tasa de producción de espermatozoides. Estos rasgos de la historia de vida varían entre los primates vivos y probablemente también diferían entre las especies extintas de antepasados humanos.

En consecuencia, a lo largo de la evolución humana, la tasa media de mutación parece haber disminuido significativamente. La tasa promedio a lo largo de millones de años desde la división de humanos y chimpancés se ha estimado en alrededor de 1×10 mutaciones por sitio por año, o aproximadamente seis letras de ADN alteradas por año. Esta tasa se determina dividiendo el número de diferencias de nucleótidos entre los humanos y otros simios por la fecha de sus escisiones evolutivas, como se infiere de los fósiles. Es como calcular la velocidad de conducción dividiendo la distancia recorrida por el tiempo transcurrido. Pero cuando los genetistas miden directamente las diferencias de nucleótidos entre padres e hijos vivos (utilizando pedigríes humanos), la tasa de mutación es la mitad de la otra estimación: aproximadamente 0, 5×10⁻⁹ por sitio y año, o solo alrededor de tres mutaciones por año.

Para la divergencia entre los neandertales y los humanos modernos, la tasa más lenta proporciona una estimación entre 765,000-550,000 años atrás. La tasa más rápida, sin embargo, sugeriría la mitad de esa edad, o 380,000-275,000 años atrás: una gran diferencia.

Para resolver la cuestión de qué tasas usar, cuándo y en quién, los investigadores han estado desarrollando nuevos métodos de reloj molecular, que abordan los desafíos de la evolución de las tasas de mutación y recombinación.

Nuevos enfoques para una mejor datación

Un enfoque es centrarse en las mutaciones que surgen a un ritmo constante, independientemente del sexo, la edad y la especie. Este puede ser el caso de un tipo especial de mutación que los genetistas llaman transiciones de CpG por las que los nucelótidos C se convierten espontáneamente en T. Debido a que las transiciones de CpG en su mayoría no son el resultado de errores de copia de ADN durante la división celular, sus tasas deben ser principalmente independientes de las variables de la historia de vida, y presumiblemente más uniformes con el tiempo.

Centrándose en las transiciones de CpG, los genetistas estimaron recientemente que la división entre humanos y chimpancés ocurrió entre 9.3 y 6.5 millones de años atrás, lo que concuerda con la edad esperada de los fósiles. Si bien en las comparaciones entre especies, estas mutaciones parecen ocurrir más como un mecanismo de relojería que otros tipos, todavía no son completamente estables.

Otro enfoque es desarrollar modelos que ajusten las tasas de reloj molecular en función del sexo y otros rasgos de la historia de vida. Usando este método, los investigadores calcularon una divergencia chimpancé-humano consistente con la estimación de CpG y las fechas fósiles. El inconveniente aquí es que, cuando se trata de especies ancestrales, no podemos estar seguros de los rasgos de la historia de la vida, como la edad en la pubertad o la duración de la generación, lo que lleva a cierta incertidumbre en las estimaciones.

La solución más directa proviene de análisis de ADN antiguo recuperado de fósiles. Debido a que los especímenes fósiles se datan de forma independiente por métodos geológicos, los genetistas pueden usarlos para calibrar los relojes moleculares para un período de tiempo o población determinados.

Esta estrategia resolvió recientemente el debate sobre el momento de nuestra divergencia con los neandertales. En 2016, los genetistas extrajeron ADN antiguo de fósiles de 430,000 años de antigüedad que eran ancestros neandertales, después de que su linaje se separara del Homo sapiens. Sabiendo a dónde pertenecen estos fósiles en el árbol evolutivo, los genetistas podrían confirmar que para este período de la evolución humana, la tasa de reloj molecular más lenta de 0, 5×10 – ⁹ proporciona fechas precisas. Eso pone al hombre Neandertal-moderno dividido entre 765.000 y 550.000 años atrás.

A medida que los genetistas resuelven las complejidades de los relojes moleculares y secuencian más genomas, estamos preparados para aprender más que nunca sobre la evolución humana, directamente de nuestro ADN.