DNA Tarihleme Yöntemiyle İnsan Evriminin Zaman Akışını İzlemek

Modern insan bundan yaklaşık 200.000 yıl önce Afrika'da ortaya çıkmış ve 60.000 yıl önce de Dünya'ya yayılmaya başlamış. Peki tüm bu zamanları nasıl ve nereden biliyoruz?
Görsel Telif: Illarionova/Shutterstock

Herhangi bir aile buluşmasında gördüğümüz birbirine benzer yüzler, bu yüzlerle nasıl akraba olduğumuz, daha da antik bir aşkın izlerini taşıyan insan olmayan en yakın akrabamız şempanzelerle nasıl akraba olduğumuz, Homo sapiens‘in Neandertallerle nasıl çiftleştiği, insanların Afrika’dan nasıl göç ettiği, bu göç boyunca yeni çevrelere ve yaşam biçimlerine nasıl adapte olduğu gibi insan evrimindeki tüm bu kilit olayların zamanlaması hakkındaki ipuçlarını taşıyan şey, ikili sarmal yapıdaki bir molekül dizisinden başka bir şey değildir. DNA‘mız, bütün atasal geçmişimizi kodlarında saklayan bir hazinedir.

Bilim insanları, modern insanın bundan yaklaşık 200.000 yıl önce Afrika’da ortaya çıktığını ve 60.000 yıl önce de Dünya’ya yayılmaya başladığını söylüyor. Peki tüm bu zamanları nereden biliyorlar?

Geleneksel olarak araştırmacılar, insan tarih öncesi zaman akışını, radyokarbon tarihleme ve Potasyum-argon tarihleme gibi yöntemlerle doğrudan tarihlendirilebilen fosiller ve eserler temelinde inşa ederler. Bununla birlikte, bu yöntemler eski kalıntıların belirli unsurlara veya koruma koşullarına sahip olmasını gerektirir ve bu her zaman da mümkün değildir. Ayrıca, insan evrimindeki tüm kilometre taşları için ilgili fosiller veya yapılar keşfedilmemiştir.

Günümüz ve eski genomların DNA analizleri, evrimsel olayların tarihlenmesi için tamamlayıcı bir yaklaşım sağlar. Çünkü, belirli genetik değişimler, her nesilde sabit bir oranda meydana geldiğinden, geçen sürenin de bir tahminini sağlarlar. Bu değişiklikler, bir kronometre üzerindeki sayılar gibi üzerine ekleyerek ilerlediğinden “moleküler bir saat” sağlar. DNA dizilimlerinin karşılaştırılmasıyla, genetikçiler farklı popülasyonlar ya da türler arasındaki ilişkileri yeniden inşa etmekle kalmaz; aynı zamanda da derin zaman ölçeklerindeki evrimsel tarihi ortaya çıkarırlar.

Önerilen

Genetik değişimlerin arkasındaki biyolojik süreçlerin daha iyi kavranması, analiz araçlarının ve gelişmiş DNA dizileme yöntemleri sayesinde; moleküler saatler giderek daha karmaşık bir hal almaktadır. Bu yöntemleri, farklı popülasyonlardan gelen (hem günümüz hem antik dönem) sürekli gelişen DNA veritabanlarına uygulayarak, insan evriminin “timeline”ına dair daha tutarlı bir çizelge ortaya çıkarabiliyoruz.

DNA Değişimleri Nasıl Biriktiriyor?

Moleküler saatler, bütün kalıtsal çeşitliliğin kaynağı olan iki temel biyolojik sürece dayanır: Mutasyonlar ve Rekombinasyonlar (yeniden birleşmeler).

Mutasyonlar, DNA’nın genetik kodunda bulunan harflerdeki değişimlerdir. Bir DNA molekülünde Adenin (A), Timin (T), Guanin (G), Sitozin (C) gibi nükleotidler bulunur. Mutasyonlar, bu nükleotitlerden bir tanesinin ya da birden fazlasının değişmesi gibi olaylardır. Örneğin; Guanin’in (G), Timin’e (T) dönüşmesi gibi. Bu değişimler, eğer ki üreme hücrelerinde (sperm ya da yumurta) veya onların başlangıç düzeylerinde (germline) meydana gelirse, gelecek nesillere aktarılacağı anlamına gelir. Her ne kadar diğer mutasyon tipleri; rastgele veya radyasyon ve bazı kimyasallar gibi tehlikelere maruz kalma sonucunda görülse de; hataların büyük çoğunluğu DNA’nın hücre bölünmesi sırasında kendisini kopyalaması sürecinde ortaya çıkar.

Tek bir insan genomunda, nesil başına yaklaşık 70 nükleotid değişimi düşer -ki 6 milyar harften oluşan bir genom için bu sayı oldukça düşüktür. Fakat toplamda, nesiller boyunca, bu değişimler birikerek önemli evrimsel çeşitliliğe yol açar.

Bilim insanları, mutasyonları kullanarak evrim ağacımızdaki dalların zamanlamasına dair tahminler yürütebilirler. Önce iki bireyin ya da türün DNA dizilerini karşılaştırır ve birisinin hayatta kalma ve üreme şansını değiştirmeyen nötr değişimleri sayarlar. Ardından bu değişimlerin oranını bilerek, birçok farklılığı biriktirmek için gereken zamanı hesaplayabilirler. Bu da bize, bireylerin hangi zamanda ortak bir ataya sahip olduğunu gösterir.

Kardeşiniz ve sizin DNA kıyaslamanız, görece çok düşük mutasyonal farklılıklar içerir, çünkü ikiniz de yalnızca bir nesil önce ortak bir ataya (anne ve babanız) sahipsinizdir. Ancak insanlar ve şempanzeler arasında milyonlarca farklılık vardır ve bu farklılıkların nesil başına düşen mutasyon oranı hesaplanarak; yaşayan ve insan olmayan en yakın akrabamızla son ortak atamızın 6 milyon yıl önce yaşadığı hesaplaması yapılır.

Kromozomlardaki parça değişimi, yavrulardaki genetik çeşitliliğin temel nedenlerinden birisidir. (Görsel Telif: Alila Medical Media/Shutterstock)

Rekombinasyon (yeniden birleşme), aynı zamanda krossing-over olarak da bilinen parça değişimi olayıdır. Bu durum DNA’nın değişimleri zamanla biriktirdiğinin bir diğer temel sebebidir. Bu durum, genomun her bir ebeveynden bir tane gelen kromozomlara paketlenmiş iki kopyasının karıştırılmasına yol açar. Rekombinasyon sırasında, karşılıklı gelen (homolog) iki kromozom yan yana gelir ve parça değişimi gerçekleşir, böylelikle de çocuğunuzca geçirdiğiniz genom, anne ve babanızın DNA’sının bir mozaiğini içerir.

İnsanlarda, kromozom başına bir ya da iki olmak üzere her nesilde yaklaşık 36 rekombinasyon olayı gerçekleşir. Bu durum her nesilde gerçekleştiğinde, belirli bir bireyden kalıtılan parça, nesiller boyunca giderek daha küçük yığınlara karşılık gelir. Bu yığınların boyutlarına ve parça değişimi frekansına dayanarak, o bireyin ne kadar süre önce sizin atanız olduğu hesaplanabilir.

Iraksak popülasyonlar arasındaki gen akışı mozaik soylu kromozomlara yol açar. Her kuşakta rekombinasyon meydana geldikçe, modern insan genomlarındaki Neandertal soyuna ait parçalar zamanla küçülür. (İçerik Kaynak: Bridget Alex/Harvard University)

Değişimlere Bakarak Zaman Akışı İnşa Etmek

Mutasyon ve rekombinasyondan kaynaklı genetik değişimler, farklı evrimsel olayları ve zaman ölçeğini tarihlemeye uygun iki ayrı saat sağlar.

Mutasyonların çok yavaş birikmesinden kaynaklı, bu saat, türler arasındaki evrimsel dallara ayrılma gibi çok eski olaylar için oldukça işe yarardır. Öte yandan rekombinasyon saati ise, son 100.000 yıl içerindeki tarihler için uygun bir zamanlama yapabilir. Evrimsel süreçteki bu “görece yeni” olaylar; ayrı insan popülasyonları arasındaki gen akışını, faydalı adaptasyonları ya da genetik hastalıkların ortaya çıkışını içerir.

Neandertaller, mutasyon ve rekombinasyon saatlerinin karmaşık ataların ilişkilerini çözmemize yardımcı olmak için birlikte nasıl kullanılabileceğini göstermektedir. Bilim insanları, Neandertaller ve modern insanlar arasında 1,5-2 milyon gibi mutasyon temelli farklılık olduğunu düşünüyor. Bu sayıya mutasyon saatini uyguladığımızda ise, bu iki grubun ilk olarak 750.000-550.000 yıl önce ayrıştığını gösteriyor.

Evrimsel bir ağaç, araştırmacıların bu gruplar için moleküler saat yöntemleriyle tahmin ettikleri ayrışma ve melezleme tarihlerini gösterir. (İçerik Kaynak: Bridget Alex/Harvard University)

Bu zamanda, her iki insan grubunun ortak atalarını içeren bir populasyon, coğrafik ve genetik olarak ayrıştılar. Grubun bazı bireyleri Avrasya’ya göçüp, zamanla Neandertallere evrimleşirken; Afrika’da kalanlar ise anatomik olarak modern insan oldular.

Ancak, iki tür arasındaki etkileşim sona ermedi. Modern insan, nihayetinde Avrasya’ya yayıldı ve Neandertallerle çiftleşti. Günümüz insanlarındaki Neandertal DNA’sına rekombinasyon saatini uyguladığımızda, grupların 54.000 ila 40.000 yıl önce melezlendiğini görüyoruz. Bilim insanları, yaklaşık 40.000 yıl önce yaşamış bir Homo sapiens fosilini (Oase 1 olarak bilinir) analiz ettiğinde, Oase genomunda saklı Neanderthal soyuna ait geniş bölgeler saptadılar. Bu da bize Oase’nin yalnızca 4 ila 6 kuşak öncesine ait bir Neandertal atası bulunduğunu gösteriyor. Bir diğer ifadeyle, Oase’nin büyük-büyük-büyükbabası ya da annesi bir Neandertaldi.

40.000 yaşındaki Oase fosilinden kromozom 6’nın günümüz insanına karşılaştırılması. Mavi bantlar, geçmiş melezlemeden Neandertal DNA’sının segmentlerini temsil eder. Oase’nin segmentleri daha uzundur çünkü rekombinasyon saatini kullanan tahminlere dayanarak, yaşamadan sadece 4-6 kuşak önce bir Neandertal atası vardı. (İçerik Kaynak: Bridget Alex/Harvard University)

Mutlak Olmayan Saatlerin Yarattığı Zorluklar

Moleküler saatler, yalnızca insanlar için değil tüm canlı formları için evrimsel hesaplamar açısından bir dayanak noktasıdır. Fakat bazı karmaşık faktörler de söz konusudur.

Temel sorun, mutasyon ve rekombinasyon hızlarının insan evrimi boyunca sabit olmamasıdır. Bu hızların kendisi de evrimleştiğinden, zamanla ve türler arasında, hatta –yavaş olsa da– insan popülasyonları arasında bile değişim gösterebilir. Tıpkı farklı koşullar altında farklı süratlerde ilerleyen bir saatteki zamanı ölçmeye çalışmak gibidir.

Sorunlardan birisi, DNA parça değişimi olaylarının yerini belirleyen Prdm9 isimli bir gene ilişkindir. Bu gendeki çeşitliliğin; insanlarda, şempanzelerde ve farelerde rekombinasyon noktalarını değiştirdiği ortaya konulmuştur. Prdm9 ve rekombinasyon noktalarının evriminden kaynaklı, ince ayarlı rekombinasyon hızı ölçeği insanlar ve şempanzeler arasında ve muhtemelen Afrika ve Avrupalılar arasında da farklılık göstermektedir. Bu da, farklı zaman aralıklarında ve popülasyonlar arasında, rekombinasyon saatinin biraz farklı hızlarda çalıştığı anlamına gelir.

Bir diğer sorun ise, mutasyon hızlarının cinsiyet ve yaşa göre değişmesidir. Babalar yaşlandıkça, her yıl yavrularına bir çift ekstra mutasyon daha geçirir. Yaşlı babaların spermleri, daha fazla hücre bölünmesi geçirir, dolayısıyla da mutasyon olasılığı daha fazla artar. Öte yandan anneler, dişilerin yumurtaları çoğunlukla kendi doğumlarından önce aynı anda oluştuğu için daha az mutasyon (yılda yaklaşık 0.25) taşır. Bununla birlikte, mutasyon oranları; ergenliğin başlangıcı, üreme yaşı ve sperm üretim hızı gibi faktörlere de bağlıdır. Bu yaşam özellikleri, yaşayan primatlar arasında değişkenlik gösterir ve muhtemelen soyu tükenmiş insan popülasyonları arasında da farklılık gösteriyordu.

Sonuç olarak, insan evrimi boyunca, ortalama mutasyon hızı belirgin bir biçimde yavaşlamıştır. İnsan ve şempanzelerin ayrışmasından bu yana milyonlarca yıl boyunca ortalama oran yılda yaklaşık 1×10⁻⁹ mutasyon olarak tahmin ediliyor – ve bu da yılda yaklaşık altı değiştirilmiş DNA harfine denk geliyor. Bu oran, insanlar ve diğer maymunlar arasındaki nükleotid farklılıklarının sayısının, fosillerden anlaşılan evrimsel ayrışmaların tarihine bölünmesiyle belirlenir. Tıpkı sürat hesaplamasında olduğu gibi, katedilen mesafenin geçen süreye bölünmesiyle hesaplanır. Ancak genetikçiler canlı ebeveynler ve çocuklar arasındaki (insan soyağaçlarını kullanarak) nükleotit farklılıklarını doğrudan ölçtüklerinde, mutasyon oranının diğer tahminin yarısı olduğunu hesapladılar: Yılda yaklaşık 0.5×10⁻⁹ veya yılda yaklaşık üç mutasyon.

Bu haliyle bakıldığında da, Neandertaller ve modern insanlar arasındaki ayrışma için, daha yavaş olan oran; 765.000-550.000 yıl öncesi gibi bir tahmin sağlarken; daha hızlı olan oran, bunun yarısını, 380.000-275.000 yıl öncesi tahminini yapar, ki bu da büyük bir farktır.

Araştırmacılar, hangi oranların ne zaman ve kimin üzerinde kullanılacağı sorusunu çözmek için, değişen mutasyon ve rekombinasyon oranlarının zorluklarını ele alan yeni moleküler saat yöntemleri geliştiriyorlar.

Daha İyi Bir Tarihleme İçin Yeni Yaklaşımlar

Yeni yaklaşımlardan birisi; cinsiyet, yaş ve türden bağımsız olarak sabit bir oranda ortaya çıkan mutasyonlara odaklanmayı içeriyor. Bu yaklaşım, Sitozin (C) nükleotidlerinin kendiliğinden Timin’ler (T) haline geldiği CpG dönüşümleri olarak adlandırılan özel bir mutasyon tipi için geçerli olabilir. Çünkü CpG dönüşümleri, büyük oranda, hücre bölünmesi sırasında ortaya çıkan DNA kopyalama hatalarından kaynaklanmaz ve oranları temel olarak yaşam geçmişi değişkenlerinden bağımsız olmalı ve muhtemelen de zaman içinde daha eşit olmalıdır.

CpG dönüşümlerine odaklanarak, bilim insanları insanlar ve şempanzeler arasındaki ayrışmanın, fosillerden beklenen yaşla uyumlu olarak yaklaşık 9.3-6.5 milyon yıl önce gerçekleştiği tahmininde bulunuyor.

Diğer bir yaklaşım ise, cinsiyet ve diğer yaşam geçmişi özelliklerine göre moleküler saat oranlarını ayarlayan modeller geliştirmektir. Araştırmacılar bu yöntemi kullanarak CpG tahmini ve fosil tarihleri ile uyumlu bir şempanze-insan ayrışması hesapladılar. Buradaki dezavantaj ise, ata türlerine gelince, ergenlik yaşı veya nesil uzunluğu gibi yaşam tarihi özelliklerinden emin olamayız ve bu da tahminlerde bir miktar belirsizliğe yol açacaktır.

En doğrudan çözüm, fosillerden alınan eski DNA’ların analizlerinden gelir. Fosil örnekleri, bağımsız olarak jeolojik yöntemlerle tarihlendiğinden, bilim insanları bunları belirli bir süre veya popülasyon için moleküler saatleri kalibre etmek için kullanabilirler.

Bu strateji yakın zamanda Neandertallerle olan ayrışma zamanımız hakkındaki tartışmayı da çözdü. 2016’da bilim insanları, soyları Homo sapiens‘ten ayrıldıktan sonra Neanderthal ataları olan 430.000 yıllık fosillerden eski DNA’yı çıkardılar. Bu fosillerin evrim ağacında nerelere ait olduklarını bilen araştırmacılar, insan evriminin bu dönemi için 0,5×10⁻⁹’luk daha yavaş olan moleküler saat hızının doğru tarihler sağladığını doğrulayabilirler. Bu da Neandertal-modern insanın 765.000 ila 550.000 yıl önce ayrıldığını gösterir.

Bilim insanları, moleküler saatlerin karmaşıklığını çözdükçe ve daha fazla genom dizilimini tamamladıkça, insan evrimi hakkında her zamankinden daha fazla şey öğreneceğiz.

Kaynak ve İleri Okuma

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv