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Biology, Ideas

Orologio molecolare: quando ci separammo dai Neandertal


Con lo sviluppo delle tecnologie di sequenziamento del DNA i biologi molecolari hanno sviluppato un ingegnoso metodo per stimare a quanto indietro nel tempo risale il progenitore comune di due specie viventi. Si tratta del cosiddetto orologio molecolare. Dal punto di vista concettuale funziona in molto semplice: assumendo che le mutazioni del DNA avvengano con un ritmo costante nel tempo, è sufficiente contare le singole differenze nella sequenza di coppie di base fra i campioni di DNA di due individui appartenenti alla stessa specie o a specie vicine, dividere questo numero per due e moltiplicare il risultato per il tasso di mutazione prescelto. Se fra i due campioni di DNA appartenenti agli individui A e B si contano, poniamo, 1.000 differenze, si può ragionevolmente presumere che la metà delle mutazioni si sia accumulata sulla linea che discende dal progenitore comune all’individuo A e l’altra metà sulla linea verso l’individuo B. A questo punto, se il tempo di accumulo di una mutazione fosse mediamente di una ogni 5.000 anni, si potrebbe inferire che il progenitore comune sia vissuto circa 2,5 milioni di anni prima, valore che si ottiene moltiplicando le 500 mutazioni per 5.000 anni.

Come si vede, una volta contate le differenze, il problema principale è decidere quale sia il tasso di mutazione appropriato da utilizzare. Il problema, tuttavia, è notevolmente più complesso di quanto può apparire. Occorre decidere, per esempio, quale sia la migliore e più rappresentativa regione di genoma utile a confrontare i diversi campioni di DNA. Se si vuole confrontare campioni di specie diverse, il problema è particolarmente serio. Poi occorre valutare quale sia il giusto moltiplicatore relativo al tasso di mutazione. Il campo di applicazione è chiaramente di tipo statistico, quindi, per quanto riguarda la scelta delle regioni di DNA comparabili, occorre concentrarsi su quelle più dinamiche e allo stesso tempo più regolari. La regolarità dei tassi di mutazione è evidentemente una rappresentazione media della realtà, pertanto, così come alcune regioni mutano in modo più marcato, altre lo fanno in modo meno evidente. In un determinato periodo, dunque, il tasso di mutazione di una regione specifica può essere rilevante, oppure quasi nullo. In gran parte delle ricerche di questo tipo è stato utilizzato il DNA mitocondriale (mtDNA). Per inserire i periodi di tempo che separano due individui di una o più specie dal progenitore comune in un sistema filogenetico articolato e con datazioni fra loro coerenti, occorrono riscontri archeologici puntuali che consentano di fissare dei riferimenti cronologici di calibrazione. Naturalmente, tanto più grandi sono i periodi di tempo considerati, tanto maggiore può essere l’errore.

La datazione basata sull’orologio molecolare è stata ampiamente utilizzata riguardo alla nostra specie. L’analisi di numerosi campioni di mtDNA ha permesso di rilevare 118 differenze (Green et al. 2008) nella popolazione umana e 1.500 fra noi e lo scimpazè. In realtà, questo è un problema. Se applicassimo al numero di mutazioni rilevate il tasso di una ogni 3.333 anni, il progenitore comune della specie umana risalirebbe a circa 200 mila anni fa. Una stima sulla quale i ricercatori si trovano d’accordo. Il nostro orologio molecolare da 3.333 anni per mutazione non funziona però se applicato fra le specie l’uomo e lo scimpanzè. Questo tasso collocherebbe infatti lo split di specie a circa 2,5 milioni di anni fa, un’epoca troppo vicina. Ma vediamo cosa succede se proviamo a ragionate in modo diverso: partendo dalle più accreditate stime dello split homo / pan (scimpanzè) di Soares (Soares et al. 2009) o Arnason (Arnason et al. 1998) il tasso di mutazione di una ogni 3.333 anni avrebbe dovuto produrre 3.900 differenze nella ipotesi di Soares (split a 6,5 milioni di anni BP) e 6.000 in quella di Arnason (split a 10,0 milioni di anni BP). Come di diceva, invece, ne sono state rilevate solo 1.500 e ne mancherebbero, cioè, fra 1.400 e 4.500. Dove sono finite le differenze mancanti?

La nostra ipotesi è che si siano perdute a seguito di una grave riduzione della popolazione avvenuta sul ramo discendente umano. Calcolando il numero intermedio di 2.950 differenze fra le calibrazioni di Soares e Arnason, si tratterebbe di immaginare che anzichè 118 ve ne siano state 3.068, con una perdita del 96% sul totale. Le ipotesi scientifiche sulla strana anomalia non mancano. Una ci sembra interessante e spiega la manifestazione di una strettoia genetica (bottleneck) determinata da una catastrofe ambientale capace di selezionate in modo drammatico la popolazione dei nostri antenati in un dato momento della loro evoluzione riducendola a un numero minimo di individui. L’eruzione vulcanica di Toba, avvenuta circa 70 mila anni fa, è un evento candidato ad essere preso in considerazione. Immediatamente prima di tale eruzione, la popolazione umana avrebbe potuto presentare 3.068 differenze nel proprio DNA mitocondriale, che dopo la catastrofe si sarebbero ridotte a un centinaio, cresciute poi al ritmo di una ogni 3.333 fino alle 118 rilevate dagli studi riportati da Green.

Questo ragionamento ha una conseguenza cruciale. Quando nel 2008 fu possibile estrarre campioni di DNA dai resti di un Homo neandethalensis risalente a 38 mila anni fa, la tecnologia molecolare consentì il sequenziamento dell’intero genoma mtDNA (citato Green et al 2008). Il confronto del genoma neandertaliano con il nostro permise di rilevare fra le 201 e le 234 differenze come sarebbe avvenuto fra specie viventi. L’ipotesi di un drammatico bottleneck nel processo evolutivo della specie umana porta, però, a valutare la distanza genetica esistente fra Homo sapiens e Neandertal prima del disastro di Toba in un numero di differenze del mtDNA compreso fra 3.269 e 3.302. A questo punto l’introduzione delle differenze ipotizzate come mancanti produce un effetto sorprendente perché il progenitore comune fra le specie vicine di Homo sapiens e Homo neanderthalensis, al tasso di mutazione di una ogni 3.333 anni, ci porterebbe a una data compresa fra 5,4 e 5,5 milioni di anni. L’epoca a cui risale la fine della Crisi di salinità del Messiniano a causa del riempimento del bacino Mediterraneo. Se questo avesse prodotto la separazione forzata della specie, i sopravvissuti sulle sponde Europee a Nord avrebbero potuto dare luogo alla discendenza Neandertaliana, mentre quelle Africane a Sud a quella degli Homo Sapiens.

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Discussione

2 pensieri su “Orologio molecolare: quando ci separammo dai Neandertal

  1. Really Good Work…. You Helping People A lot

    Pubblicato da Масло ВМ-5 | 1 novembre 2012, 4:53 PM
    • Many thanks Macno, I really hope you’ll follow the greatest project I’ve: to self publish “The Imperfect Measure” (sorry the first edition will be in Italian). However, it will be a 2.0 book on Kindle, with many links.
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      Pubblicato da thoproject | 6 novembre 2012, 9:49 PM

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