DNA håller historien om våra anor – hur vi är relaterade till de bekanta ansikten vid släktträffar samt mer forntida affärer: hur vi är relaterade till våra närmaste icke-mänskliga släktingar, schimpanser; hur Homo sapiens parades med neandertalare; och hur människor migrerade ut ur Afrika och anpassade sig till nya miljöer och livsstilar längs vägen. Och vårt DNA har också ledtrådar om tidpunkten för dessa viktiga händelser i mänsklig utveckling.när forskare säger att moderna människor uppstod i Afrika för cirka 200 000 år sedan och började sin globala spridning för cirka 60 000 år sedan, hur kommer de fram till dessa datum? Traditionellt byggde forskare tidslinjer för mänsklig förhistoria baserat på fossiler och artefakter, som direkt kan dateras med metoder som radiokol dejting och kalium-argon dejting. Dessa metoder kräver dock gamla rester att ha vissa element eller bevarandeförhållanden, och det är inte alltid fallet. Dessutom har relevanta fossiler eller artefakter inte upptäckts för alla milstolpar i mänsklig utveckling.

analysera DNA från dagens och gamla Genom ger ett kompletterande tillvägagångssätt för dejting evolutionära händelser. Eftersom vissa genetiska förändringar sker i jämn takt per generation, ger de en uppskattning av den tid som förflutit. Dessa förändringar uppkommer som fästingar på ett stoppur, ger en ” molekylär klocka.”Genom att jämföra DNA-sekvenser kan genetiker inte bara rekonstruera relationer mellan olika populationer eller arter utan också dra slutsatsen om evolutionär historia över djupa tidsskalor.

molekylära klockor blir mer sofistikerade tack vare förbättrad DNA-sekvensering, analytiska verktyg och en bättre förståelse för de biologiska processerna bakom genetiska förändringar. Genom att tillämpa dessa metoder på den ständigt växande databasen av DNA från olika populationer (både nutid och forntida) hjälper genetiker att bygga en mer förfinad tidslinje för mänsklig utveckling.

hur DNA ackumulerar förändringar

molekylära klockor baseras på två viktiga biologiska processer som är källan till all ärftlig variation: mutation och rekombination.

mutationer är förändringar i bokstäverna i DNA: s genetiska kod – till exempel blir en nukleotidguanin (G) en tymin (T). Dessa förändringar kommer att ärvas av kommande generationer om de förekommer i ägg, spermier eller deras cellulära föregångare (bakterien). De flesta beror på misstag när DNA kopierar sig själv under celldelning, även om andra typer av mutationer uppträder spontant eller från exponering för faror som strålning och kemikalier.

i ett enda mänskligt genom finns det cirka 70 nukleotidförändringar per generation-minuscule i ett genom som består av sex miljarder bokstäver. Men sammantaget leder dessa förändringar över många generationer till betydande evolutionära variationer.

forskare kan använda mutationer för att uppskatta tidpunkten för grenar i vårt evolutionära träd. Först jämför de DNA-sekvenserna hos två individer eller arter och räknar de neutrala skillnaderna som inte förändrar ens chanser att överleva och reproducera. Sedan, genom att känna till graden av dessa förändringar, kan de beräkna den tid som behövs för att samla så många skillnader. Detta berättar för dem hur länge det har gått sedan individerna delade förfäder.

jämförelse av DNA mellan dig och ditt syskon skulle visa relativt få mutationsskillnader eftersom du delar förfäder – mamma och pappa – bara en generation sedan. Det finns dock miljontals skillnader mellan människor och schimpanser; vår sista gemensamma förfader bodde för över sex miljoner år sedan.

rekombination, även känd som korsning, är det andra huvudsakliga sättet DNA ackumulerar förändringar över tiden. Det leder till blandning av de två kopiorna av genomet (en från varje förälder), som buntas i kromosomer. Under rekombination stämmer motsvarande (homologa) kromosomer upp och utbyter segment, så genomet du vidarebefordrar till dina barn är en mosaik av dina föräldrars DNA.

hos människor inträffar cirka 36 rekombinationshändelser per generation, en eller två per kromosom. Eftersom detta händer varje generation, delas segment som ärvs från en viss individ i mindre och mindre bitar. Baserat på storleken på dessa bitar och frekvensen av crossovers, genetiker kan uppskatta hur länge sedan den individen var din förfader.

bygga tidslinjer baserade på förändringar

genetiska förändringar från mutation och rekombination ger två distinkta klockor, var och en lämpad för att datera olika evolutionära händelser och tidsskalor.eftersom mutationer ackumuleras så långsamt fungerar den här klockan bättre för mycket gamla händelser, som evolutionära splittringar mellan arter. Rekombinationsklockan å andra sidan tickar i en takt som är lämplig för datum under de senaste 100 000 åren. Dessa” senaste ” händelser (i evolutionär tid) inkluderar genflöde mellan distinkta mänskliga populationer, ökningen av fördelaktiga anpassningar eller uppkomsten av genetiska sjukdomar.

fallet med neandertalarna illustrerar hur mutationen och rekombinationsklockorna kan användas tillsammans för att hjälpa oss att reda ut komplicerade förfäders relationer. Genetiker uppskattar att det finns 1,5-2 miljoner mutationsskillnader mellan neandertalare och moderna människor. Att tillämpa mutationsklockan på detta antal antyder att grupperna ursprungligen delades mellan 750 000 och 550 000 år sedan.

vid den tiden separerade en befolkning – de gemensamma förfäderna till båda mänskliga grupperna – geografiskt och genetiskt. Vissa individer i gruppen migrerade till Eurasien och över tiden utvecklades till neandertalare. De som stannade i Afrika blev anatomiskt moderna människor.

men deras interaktioner var inte över: Moderna människor spred sig så småningom till Eurasien och parades med neandertalarna. Genom att tillämpa rekombinationsklockan på Neanderthal DNA som behålls i dagens människor uppskattar forskare att grupperna interbred mellan 54 000 och 40 000 år sedan. När forskare analyserade en Homo sapiens fossil, känd som Oase 1, som levde för cirka 40 000 år sedan, fann de stora regioner av Neanderthal-anor inbäddade i Oase-genomet, vilket tyder på att Oase hade en Neanderthal förfader bara fyra till sex generationer sedan. Med andra ord var Oases farfarfar en neandertalare.

utmaningarna med ostadiga klockor

molekylära klockor är en grundpelare i evolutionära beräkningar, inte bara för människor utan för alla former av levande organismer. Men det finns några komplicerande faktorer.

den största utmaningen härrör från det faktum att mutation och rekombinationshastigheter inte har förblivit konstanta över mänsklig utveckling. Priserna själva utvecklas, så de varierar över tiden och kan skilja sig mellan arter och till och med över mänskliga populationer, om än ganska långsamt. Det är som att försöka mäta tiden med en klocka som tickar i olika hastigheter under olika förhållanden.

ett problem avser en gen som kallas Prdm9, som bestämmer platsen för dessa DNA-crossover-händelser. Variation i denna gen hos människor, schimpanser och möss har visat sig förändra rekombinations hotspots – korta regioner med höga rekombinationshastigheter. På grund av utvecklingen av Prdm9 och hotspots skiljer sig de finskaliga rekombinationsgraden mellan människor och chimpanser, och eventuellt också mellan afrikaner och Europeiska. Detta innebär att över olika tidsskalor och över populationer, rekombinationsklockan tickar i något olika takt när hotspots utvecklas.

en annan fråga är att mutationsgraden varierar beroende på kön och ålder. När fäder blir äldre överför de ett par extra mutationer till sina avkommor per år. Spermierna hos äldre fäder har genomgått fler rundor av celldelning, så fler möjligheter till mutationer. Mödrar, å andra sidan, överför färre mutationer (cirka 0,25 per år) eftersom en kvinnas ägg mestadels bildas samtidigt, före sin egen födelse. Mutationshastigheter beror också på faktorer som puberteten, ålder vid reproduktion och spermieproduktion. Dessa livshistoriska egenskaper varierar mellan levande primater och skilde sig förmodligen också mellan utdöda arter av mänskliga förfäder.

följaktligen verkar den genomsnittliga mutationshastigheten under mänsklig utveckling ha minskat avsevärt. Medeltalet över miljoner år sedan splittringen av människor och schimpanser har uppskattats som cirka 1×10⁻mutationer per plats per år – eller ungefär sex förändrade DNA-bokstäver per år. Denna hastighet bestäms genom att dividera antalet nukleotidskillnader mellan människor och andra apor med datumet för deras evolutionära splittringar, som härleds från fossiler. Det är som att beräkna din körhastighet genom att dela avståndet som körts med tiden. Men när genetiker direkt mäter nukleotidskillnader mellan levande föräldrar och barn (med hjälp av mänskliga stamtavlor) är mutationshastigheten hälften av den andra uppskattningen: cirka 0, 5×10⁻medry per plats per år, eller bara cirka tre mutationer per år.

för divergensen mellan neandertalarna och moderna människor ger den långsammare hastigheten en uppskattning mellan 765 000-550 000 år sedan. Den snabbare hastigheten skulle dock föreslå hälften av den åldern, eller 380 000-275 000 år sedan: en stor skillnad.

för att lösa frågan om vilka priser som ska användas när och på vem har forskare utvecklat nya molekylära klockmetoder, som hanterar utmaningarna med att utveckla mutation och rekombinationshastigheter.

nya metoder för bättre datering

ett tillvägagångssätt är att fokusera på mutationer som uppstår i jämn takt oavsett kön, ålder och Art. Detta kan vara fallet för en speciell typ av mutation som genetiker kallar CPG – övergångar genom vilka C nucelotiderna spontant blir T. eftersom CPG-övergångar oftast inte är resultatet av DNA-kopieringsfel under celldelning, bör deras priser huvudsakligen vara oberoende av livshistoriska variabler-och förmodligen mer enhetliga över tiden. med fokus på CpG-övergångar uppskattade genetiker nyligen uppdelningen mellan människor och chimpanser att ha inträffat mellan 9, 3 och 6, 5 miljoner år sedan, vilket överensstämmer med den ålder som förväntas av fossiler. Medan i jämförelser mellan arter verkar dessa mutationer hända mer som urverk än andra typer, är de fortfarande inte helt stabila.

ett annat tillvägagångssätt är att utveckla modeller som justerar molekylära klockfrekvenser baserat på kön och andra livshistoriska egenskaper. Med hjälp av denna metod, forskare beräknade en schimpans-mänsklig divergens som överensstämmer med CPG-uppskattningen och fossila datum. Nackdelen här är att när det gäller förfädernas arter kan vi inte vara säkra på livshistoriska egenskaper, som ålder vid puberteten eller generationslängd, vilket leder till viss osäkerhet i uppskattningarna.

den mest direkta lösningen kommer från analyser av gammalt DNA som återvinns från fossiler. Eftersom de fossila proverna är oberoende daterade med geologiska metoder, genetiker kan använda dem för att kalibrera molekylklockorna under en given tidsperiod eller befolkning.

denna strategi löste nyligen debatten om tidpunkten för vår DIVERGENS med neandertalarna. År 2016 extraherade genetiker forntida DNA från 430 000 år gamla fossiler som var neandertalfäder, efter att deras släkt splittrats från Homo sapiens. Att veta var dessa fossiler hör hemma i det evolutionära trädet, genetiker kan bekräfta att för denna period av mänsklig utveckling, den långsammare molekylära klockfrekvensen på 0, 5×10⁻ISP ger exakta datum. Det sätter den Neanderthal-moderna mänskliga splittringen mellan 765 000 och 550 000 år sedan.

som genetiker reda ut den invecklade molekylära klockor och sekvens fler genomer, vi är redo att lära sig mer än någonsin om människans evolution, direkt från vårt DNA.