Mitochondriální genom neandertálců nepodporuje myšlenku evoluce

Autor: Robert W. Carter

V originále vydáno: 25. června 2010

Přesnost starověkého sekvenování DNA

Přes některé drobné rozdíly v jejich vzhledu a evoluční zkreslení mnoha rekonstrukcí (chůze s oběma pokrčenými koleny, jak je tomu v tomto případě, je činí podobnějšími opicím, ale tento způsob pohybu je mimořádně neefektivní a nepravděpodobný) jsou kostry neandertálců velmi podobné moderním lidem. Neandertálský genom je také velmi podobný lidskému.

Starobylá DNA (aDNA) je problematická. DNA je dlouhá makromolekula, která se snadno láme, zejména mezi G-T zbytky, kde je pravděpodobnost zlomu téměř třikrát vyšší než v jiných polohách.^2,3 V tomto konkrétním případě měly fragmenty DNA získané z neandertálské kosti průměrnou délku pouze 69,4 bp (base pairs = páry bází). To znamená, že k sestavení genomu mtDNA o velikosti 16 500 bp bylo zapotřebí tisíce kusů a pro korekci vysoké chybovosti, která je vlastní sekvenování aDNA, je zapotřebí více kopií každého úseku. Green a spol. odhadli, že k dosažení chybovosti 1:10 000 by potřebovali 12násobné pokrytí. Pro představu, projekt lidského genomu vyžadoval k dokončení návrhu sekvence pouze 4-5násobné pokrytí. Neandertálská mtDNA byla dokončena s průměrným pokrytím 34,9krát, ale bez kompletní mtDNA moderního člověka, s níž můžeme výsledky srovnat, by sestavení té neandertálské nebylo možné.

Kontaminace starých vzorků moderní DNA je trvalým problémem, protože sekvenační reakce mají tendenci amplifikovat vysoce kvalitní moderní DNA na úkor fragmentované aDNA. Obavy vzbuzuje také přítomnost jaderných kopií mtDNA. Jaderné kopie nejsou zcela identické s mtDNA a jejich oddělení může být obtížné, zejména při krátké průměrné délce čtení. Ve skutečnosti existují čtyři typy mtDNA, kterých se autoři museli obávat: fragmentovaná neandertálská mtDNA, fragmentované jaderné kopie neandertálské mtDNA s nízkým počtem kopií, kontaminující moderní mtDNA a jaderné kopie kontaminující moderní mtDNA s nízkým počtem kopií. Autoři se tomuto problému věnovali s velkým úsilím a vzhledem k povaze materiálu pravděpodobně nemohli udělat o mnoho více.

Ve staré DNA se jednotlivé zbytky DNA v průběhu času chemicky mění. Zejména častá deaminace (tj. odstranění dusíkaté skupiny) cytosinových zbytků vede k vysokému počtu přechodů C-T (a přechodů A-G na komplementárním řetězci).⁴ K tomu dochází častěji v blízkosti konců fragmentů DNA,⁵ což je značný problém, když vezmeme v úvahu malou průměrnou velikost získaných fragmentů DNA. Uváděná neandertálská mtDNA se liší od standardní lidské mitochondrie (Revised Cambridge Reference Sequence,⁶ (rCRS) o 206 nukleotidů (1,2 % z 16 569 nukleotidů mitochondriálního genomu), včetně 195 přechodů a 11 transverzí.⁷ Pro představu, dva náhodně vybraní moderní lidé se budou lišit v průměru asi o 40 nukleotidů a nejodlišnější mtDNA žijících lidí se liší o něco více než 120 nukleotidů.⁸ Mutace nalezené v neandertálské mtDNA jsou poměrně standardní. Nebyly nalezeny žádné velké indely (vnořené nebo odstraněné báze) a transverze jsou vzácné. Většina zjištěných rozdílů mezi neandertálskou a moderní mtDNA jsou totiž přechody C-T. Tyto mutace patří mezi ty nejčastější, které se vyskytují v živých organismech, ale není jasné, zda jsou dědictvím po předcích nebo výsledkem posmrtných změn neandertálské sekvence. Mnohé z těchto mutací mohou svědčit o chybách v sestavení genomu, které se přes veškerou snahu autorů přenesly do jejich analýzy.

Obzvláště znepokojivý je objev několika nesynonymních změn aminokyselin v oblastech kódujících proteiny neandertálského mitochondriálního genomu, zejména v podjednotce 2 genu pro cytochrom c oxidázu. Má to dokazovat, že čistící selekce v neandertálské mtDNA byla pravděpodobně omezena kvůli malé velikosti populace. Je to proto, že tyto typy záměn jsou vzácné, protože se předpokládá, že většina z nich je škodlivá, a protože v malých populacích se selekce rozpadá kvůli vysoké míře náhodných posunů genových frekvencí (rychlost fixace nových mutací je nepřímo úměrná velikosti populace, tzn. čím menší populace, tím větší rychlost fixace mutací). Malé populace jsou však také ohroženy vysokou rychlostí kumulace mutací,⁹ která nakonec vede k vymírání v důsledku „chybové katastrofy“. Hromadění nesynonymních mutací v důležitých genech je důkazem vysoké rychlosti mutací působící na malou populaci ohroženou vyhynutím. Mohlo by to také naznačovat přítomnost posmrtné degenerace DNA, kterou jejich technologie nedokázala rozpoznat. Pokud jsou výsledky platné, mohla by kumulace škodlivých mutací pomoci vysvětlit vymizení neandertálců. Adaptační význam poměru synonymních a nesynonymních genů se však v poslední době dostal pod palbu kritiky,^10,11 proto musíme tato zjištění interpretovat opatrně.

Existuje velké množství literatury zabývající se úskalími a předpoklady spojenými s prací se starobylou DNA. Autoři jsou si těchto poznatků vědomi a snažili se potenciálním problémům předejít, ale čas byl při předchozích pokusech o sekvenování aDNA vrtkavým soudcem. Green et al. dospěli k závěru, že tato jediná neandertálská mtDNA „jednoznačně“ spadá mimo rozsah moderních lidí. To je sice na první pohled pravda, ale předpokládá to, že posloupnost je přesná. Pro podrobnou diskusi o postmortálním rozpadu DNA a problémech se současnými snahami o sekvenování mtDNA neandertálců, viz Criswell.¹²

Byli neandertálci jiný druh?

Předpokládejme, že sekvence mtDNA neandertálců je přesná. Ani v tomto případě nemá srovnání jednoho neandertálce s reprezentativním vzorkem moderních lidí velkou vypovídací hodnotu. Možná byli neandertálci jedinečnou vedlejší větví moderních lidí s omezenou genetickou rozmanitostí v důsledku příbuzenského křížení. Možná naopak byli vysoce heterogenní skupinou s bohatým genetickým dědictvím, které zahrnuje i moderní lidi. Domnívám se, že první možnost je pravdivá, ale budeme muset počkat, až budou k dispozici další sekvence neandertálců, abychom mohli učinit jednoznačné závěry.

Je dost dobře možné, že neandertálci v letech po Potopě velmi rychle hromadili mutace. Na základě tohoto jediného vzorku se u neandertálců objevilo mnoho mutací, které nebyly pozorovány u žádného moderního člověka. Přesto je tato neandertálská sekvence podobnější moderním lidem, než jsou si mnozí v současnosti žijící šimpanzi mezi sebou! Rozmanitost mezi dnešními šimpanzi je třikrát až čtyřikrát vyšší než u moderní lidské populace,^13,14 přestože šimpanzi pocházejí z jediného předpotopního páru, a měli by tedy mít menší genetickou rozmanitost než lidé. To svědčí o rychlém úbytku šimpanzího genomu a mohlo by to naznačovat, že na neandertálský genom působila určitá míra entropie.

Teorie koalescence¹⁵ předpovídá, že žijící populace by měly pocházet pouze z malé části populace předků. Teorie nedávného afrického původu¹⁶ původně postulovala, že všichni dnes žijící lidé pocházejí z jediné ženy („mitochondriální Evy“), která žila v Africe asi před 200 000 lety (odhadované datum se u jednotlivých autorů liší). To neznamená, že byla jedinou tehdy žijící ženou, ale že v ní splývají linie všech žijících osob. Od té doby byla tato teorie rozšířena o „Adama chromozomu Y“.¹⁷ Koalescence byla prokázána u islandské populace, kde pouze 6,6 % žen a 10 % mužů žijících v letech 1698-1742 je předky 62 % žen a 71 % mužů žijících v současnosti.¹⁸ Koalescence by mohla být obecným jevem ve všech populacích, který funguje jako trychtýř, jímž se odvádí genetická rozmanitost z omezeného fondu předků. Zdá se, že za posledních 1 000 let došlo v anglické populaci ke ztrátě variability¹⁹ v důsledku nemocí a dalších faktorů. Pokud takové procesy existovaly v průběhu celé lidské historie, neměli bychom očekávat, že moderní lidé a neandertálci budou mít stejné „mutace“.

Ke koalescenci v malých populacích může dojít několikrát v historii. Jeden zakladatel může být mitochondriálním předkem celé populace, který tyto zakladatelské mutace fixuje. Pokud populace zůstane malá, může dojít k druhé zakladatelské události, která přidá mutace nahromaděné u pozdějšího jedince do fondu fixních mutací. Tento problém se týká chovu ohrožených druhů v zajetí v zoologických zahradách a projevuje se u různých plemen domácích zvířat, když se u nich projeví charakteristické oslabující mutace. Malé populace rychle driftují, což se mohlo stát i u neandertálců, a tak se rychle hromadily nové mutace.

Green et al. vyslovili standardní předpoklad, že mtDNA se dědí pouze po matce a že k mitochondriální rekombinaci nedochází. Z toho vyvozují, že neandertálci nepřinesli žádný trvalý příspěvek do genofondu mtDNA moderního člověka. Ačkoli se o těchto dvou předpokladech v literatuře vedou spory již několik let, zdá se, že nejnovější poznatky naznačují, že jsou ve skutečnosti nesprávné.²⁰ Pokud se budou důkazy o mitochondriální rekombinaci nadále hromadit, bude třeba tento závěr přehodnotit, protože pak by mohlo být možné, že části neandertálského mitochondriálního genomu jsou přítomny u moderních lidí. Green et al. nalezli u moderního člověka jednu mutaci, která se nevyskytuje nikde jinde než u neandertálce, a přisoudili ji návratu k neandertálskému / ancestrálnímu stavu. Správný závěr je pravděpodobně ten, že se mutace objevila dvakrát ve dvou různých liniích, ale je to zajímavé pozorování.

Je to důkaz vysokého stáří?

Green et al. datují divergenci (rozdílnost) linií moderního člověka a neandertálce na 660 000 ± 140 000 let bp. Za tímto účelem navenek prohlásili, že vycházejí z předpokladu molekulárních hodin, z předpokládaného rozdělení člověka a šimpanze před 6-8 miliony let a ze standardního neutrálního modelu evoluce.²¹ Neutrální model vychází z předpokladu, že k akumulaci mutací v mitochondriích dochází bez přírodního výběru a že genetické (a kulturní) faktory, které řídí rychlost mutací, se v lidské populaci ani v čase nemění. Protože však neznáme současnou ani historickou rychlost mutací a předpoklady standardního neutrálního modelu jsou pochybné,²² musíme dojít k závěru, že stupeň příbuznosti tohoto jediného exempláře neandertálce s moderním člověkem v tuto chvíli neznáme.

Green et al. uvádějí zajímavou informaci: „Pokud by se však ukázalo, že odhadované datum divergence mezi lidmi a šimpanzi nebo současné předpoklady o tom, jak se mtDNA vyvíjí, jsou nesprávné, bylo by třeba revidovat odhady divergence neandertálské a lidské mtDNA v kalendářních letech.“ Připouštějí také, že „evoluční data jsou zjevně závislá na mnoha nejistých předpokladech“.

Rád bych se zabýval několika konkrétními otázkami, které se týkají stáří této fosilie.

Rychlost mutací není známa

„Přidejte k tomu drsné životní prostředí a špatnou výživu k malé populaci, která se kříží mezi sebou, a máte okamžitý recept na rychlé hromadění mutací v jakékoli lidské populaci.“

Většina odhadů mutační rychlosti, s nimiž se setkáváme ve vědecké literatuře, je zkreslená směrem dolů kvůli předpokladu evoluce v hlubokém čase. To je problém ze dvou důvodů. Za prvé, Green et al. mohou počítat dobu divergence pro dva druhy, které vznikly odděleně (např. šimpanzi a lidé), a nejsou tedy technicky srovnatelné. Za druhé, výpočty rychlosti divergence se kalibrují porovnáním s představami o minulých událostech. Například pokud se lidé a šimpanzi liší o X %, vydělí se X pro výpočet rychlosti mutace 6-8 miliony (počet let, které údajně uplynuly od doby, kdy jsme se od šimpanzů oddělili). Načasování rozdělení mezi moderními lidmi a neandertálci vychází z rychlosti divergence vypočtené na základě předpokládané doby divergence člověka a šimpanze. Rychlost mutací na základě genealogie je mnohem vyšší než na základě fylogeneze,²⁰ což je pravděpodobně mnohem realističtější. Nedávné studie ukázaly, že měřitelná rychlost mutací je mnohem vyšší, než předpovídají fylogenetické nebo dokonce genealogické metody.²³

Neutrální teorie nepřipouští, že by se mutace v DNA polymeráze nebo v čemkoli, co ovlivňuje kopírování nebo opravu DNA, vyskytovaly pouze v jedné subpopulaci. To by zničilo samotnou představu molekulárních hodin, protože pak by se mutace nemohly hromadit rovnoměrně. Můžeme však měřit věrnost polymeráz DNA, včetně polymerázy lidské mitochondriální DNA,²⁴ a víme, že mutace v polymerázách DNA mohou zvyšovat chybovost v lidských mitochondriích.²⁵

Rychlá mutace v drsném prostředí

Bruce Ames, člen prestižní americké Národní akademie věd, naznačil, že genetické poškození může přímo souviset se špatnou výživou.²⁶ Podle této teorie se tělo v podmínkách hladovění musí rozhodnout, které systémy ponechá v činnosti a které vypne. Tento genetický „třídicí“ mechanismus by udržel organismus naživu, avšak jen na úkor méně důležitých buněčných operací, jako je oprava DNA.

Několik kreacionistů se domnívá, že populace neandertálců žila v Evropě v ne zcela ideálních podmínkách a byla vystavena nedostatku živin, zejména vitaminu D, který byl způsoben věčně podmračeným počasím v době poledové. Přidejte k tomu drsné životní prostředí a špatnou výživu k malé populaci, která se kříží mezi sebou, a máte okamžitý recept na rychlé hromadění mutací v jakékoli lidské populaci.

Předurčené mutační cesty?

Jedním z předpokladů neutrální teorie je, že všechny mutace jsou nezávislé a náhodné. Bylo by však pravděpodobně chybou domnívat se, že mutace vznikají náhodně a že se vzájemně neovlivňují, neboť každá mutace může vzniknout pouze v kontextu okolní genetické informace. Jedna mutace může být vyloučena jinou mutací (protože jejich kombinace může být smrtelná) nebo může vést k řadě dalších mutací (protože některé soubory mutací mohou být vyloučeny specifickými jednotlivými mutacemi). Důkazy o tomto druhu interakce mutací jsou omezené, ale existují.²⁷ Pokud některé mutace vedou k jiným, neměli bychom očekávat, že dvě oddělené linie budou sledovat stejnou mutační cestu. To platí zejména v případě, že mutace ovlivňuje věrnost mechanismu kopírování DNA.

Závěry

„Pozor na každého, kdo na základě genetických rozdílů tvrdí, že neandertálci jsou samostatný druh.“

Ačkoli evolucionisté (včetně teistických evolucionistů) a „pokrokoví kreacionisté“ budou pravděpodobně tuto novou práci vyzdvihovat jako důkaz, že neandertálci a moderní lidé jsou dva odlišné druhy, domnívám se, že jejich závěry jsou předčasné. Jak jsem již stručně uvedl výše, o vědě moderní genetiky toho mnoho nevíme. A existují faktory, jako je koalescence, rychlý genetický drift a genetické třídění v malých izolovaných populacích, které mohou tyto nálezy vysvětlit. V každém případě se moderní šimpanzi mohou ve své mtDNA od sebe lišit více než moderní lidé od tohoto neandertálského exempláře, takže pozor na každého, kdo na základě genetických rozdílů tvrdí, že neandertálci jsou samostatný druh.

Když přistupujeme k takovýmto důkazům, musíme být skeptičtí, musíme pochopit teorii, která vedla k těmto závěrům, a musíme zpochybnit předpoklady, na nichž celá teorie stojí. Pokud tyto tři věci splníme, nemusíme se bát, že by se neandertálský člověk nějakým způsobem vymykal biblickému modelu stvoření.