În ultimii 15 milioane de ani, strămoșii noștri au acumulat schimbările genetice care ne-au făcut în cele din urmă umani și ne-au separat de cele mai apropiate rude - cimpanzeul și alte maimuțe mari, titrează BBC într-un reportaj amplu privind evoluția speciei noastre.

Evoluția dezvoltării speciei umane a adus cu sine și dezavantaje

Creierele strămoșilor noștri s-au cvadruplat în dimensiune, permițând o flexibilitate comportamentală mai mare, în timp ce modificările la limbă și corzile vocale au contribuit la dezvoltarea vorbirii și limbajului uman. Oamenii antici au dobândit modificări la nivelul scheletului, mușchilor și articulațiilor care le-au permis să meargă în poziție verticală, să se deplaseze pe distanțe mari și să apuce și să arunce arme cu proiectile.

Cu toate acestea, deși aceste schimbări genetice rapide ar fi putut să ne ajute odată să ne adaptăm la mediul nostru, oamenii de știință cred acum că ar fi putut crește riscul de a dezvolta boli precum Alzheimer, schizofrenie, tulburare bipolară, diabet și osteoartrită.

Când te gândești la ce înseamnă să fii om, unul dintre primele lucruri care îți vin în minte este faptul de a fi biped. Mersul în poziție verticală pe două picioare le-a oferit strămoșilor noștri un avantaj, ajutându-i să transporte mâncare și să folosească unelte, să urmărească și să vâneze animale migratoare pe distanțe lungi. Oamenii au evoluat în abilitatea de a merge pe două picioare destul de rapid după despărțirea de ultimul strămoș comun cu cimpanzeii. Până când Homo erectus a locuit în Estul Africii acum 1,9 milioane de ani, oamenii erau complet bipezii.

Evoluția genunchiului, punct de cotitură majoră în dezvoltarea speciei noastre

Au fost necesare unele adaptări anatomice la nivelul genunchiului înainte ca strămoșii noștri să poată merge pe două picioare. Genunchiul uman este mai gros decât al unui cimpanzeu și este întărit cu numeroase suprafețe osoase suplimentare și cartilagii pentru a-l face mai puternic.

"Articulația genunchiului a cimpanzeului este complet diferită de a noastră, deoarece se deplasează pe nucă - nu stau în picioare pe două picioare, iar greutatea lor este distribuită diferit," spune Terence D Capellini, profesor de biologie evolutivă umană la Universitatea Harvard.

"Centrul nostru de masă se află chiar deasupra șoldurilor, astfel încât greutatea se transmite direct în jos prin picioarele noastre și către genunchi. Genunchii noștri sunt construiți pentru a suporta greutatea în mod direct."

Capellini crede că, deoarece genunchiul este atât de important pentru oameni, ar trebui să fie posibil să găsim urme ale evoluției acestuia în genom. Într-un studiu din 2020, echipa sa a preluat celule de cartilaj din embrioni de șoarece și oameni în dezvoltare. Cartilajul a fost prelevat din locul exact și în momentul exact în care genunchiul începe să se dezvolte și să-și formeze forma în embrion. Ei au secvențiat apoi ADN-ul celulelor, căutând ceva cunoscut sub numele de "regiuni accelerate umane", sau Hars.

Hars sunt locuri în genom unde secvența este exact la fel - sau foarte similară - în cimpanzei, urangutani și alte primate, dar foarte diferită la oameni. Cu alte cuvinte, acestea sunt locuri bune pentru a căuta "genele care ne-au făcut umani".

Studiul lui Capellini a descoperit o abundanță de Hars situate în comutatoarele de reglementare care controlează forma și biologia genunchiului în dezvoltare. În loc să codeze direct pentru proteine, comutatoarele de reglementare controlează exprimarea altor gene.

"Aceleași gene exacte care controlează forma genunchiului în embrionii în dezvoltare au fost mutate la pacienții cu osteoartrită."

Specialiștii au secvențiat și ADN-ul celulelor din alte zone ale scheletului în dezvoltare, cum ar fi cotul, glezna și umărul. Au fost găsite mult mai puține Hars în aceste regiuni. Acest lucru sugerează că comutatoarele care controlează forma genunchiului au suferit o evoluție rapidă la oameni în comparație cu comutatoarele care controlează alte zone ale scheletului.

Cu toate acestea, pare că după acest impuls de evoluție, comutatoarele au încetat să mute rapid. Când Capellini a analizat genomurile oamenilor vii, exista foarte puțină variație genetică în aceste "comutatoare de formă a genunchiului". Acest lucru are sens, deoarece a avea un genunchi funcțional era vital pentru capacitatea strămoșilor noștri de a merge. Odată ce evoluția a ajuns la o formă bună a genunchiului, modificări ulterioare erau nedorite.

Faptul de a fi biped, responsabil de boli precum artrita și osteoporoza

Dar ce legătură au aceste procese evolutive ale genunchiului (încheieturilor) cu bolile umane? Ei bine, în ultima piesă a puzzle-ului, Capellini și studentul său de doctorat, Daniel Richard, au revizuit studii anterioare care au cartografiat genomul pacienților cu osteoartrită, o afecțiune degenerativă care cauzează dureri și rigiditate în articulații. Au descoperit că aceleași gene exacte care controlează forma genunchiului în embrionii în dezvoltare au fost mutate la pacienții cu osteoartrită în comparație cu populația generală. Cu alte cuvinte, aceleași gene care ne ajută să mergem pe două picioare sunt acum asociate cu un risc crescut de a dezvolta osteoartrită.

"Planurile pentru construirea unui genunchi au fost supuse unei selecții intense pentru a construi un genunchi corect, iar mutațiile excesive ulterioare nu sunt tolerate", spune Capellini.

"Cu toate acestea, uneori, mutațiile mici, minore în acele comutatoare determină ca acele forme să fie ușor diferite sau să modifice biologia genunchiului doar subtil. Și acea biologie modificată este tolerabilă când ești tânăr, deoarece ai o coordonare neuromusculară puternică și poți merge foarte bine. Dar când îmbătrânești și când câștigi puțin în greutate sau ești un pic mai slab în mușchi, potențial acele diferențe de formă încep să aibă un impact."

Creier mai mare

Oamenii au suferit o serie de schimbări evolutive rapide care ne-au permis să avem creiere mai mari, cu mai mulți neuroni dedicați cortexului cerebral extern - zona responsabilă pentru raționamentul cognitiv de înaltă ordine. De fapt, dimensiunea creierului uman s-a aproape cvadruplat în cei șase milioane de ani de când Homo Sapiens a împărțit ultimul strămoș comun cu cimpanzeii.

Cu toate acestea, multe dintre ajustările genetice care au permis aceste schimbări sunt acum asociate cu tulburări precum autismul și schizofrenia, conform cercetărilor recente.

De exemplu, în 2018, două echipe de cercetători au identificat o familie de gene, Notch2NL, care pare să joace un rol important în dezvoltarea cortexului la oameni și poate fi o forță conducătoare în evoluția creierelor noastre mari.

Calea de semnalizare Notch este un sistem antic utilizat în toate animalele pentru a controla soarta celulelor stem din embrion, indicând dacă acestea se divid și cresc pentru a forma noi celule stem, se diferențiază în celule mai specializate sau mor. Cu toate acestea, gena specifică Notch2NL este găsită doar la oameni și lipsește din ADN-ul cimpanzeilor, urangutanilor și altor maimuțe mari.

"Ceea ce este fascinant în istoria Notch2NL este că a existat într-adevăr un eveniment original care s-a întâmplat în strămoșul nostru comun cu gorila, unde gena Notch2 originală a fost duplicată", spune Sofie Salama, profesor de biologie moleculară, celulară și dezvoltare la Universitatea California Santa Cruz, care a fost implicată în una dintre studii.

Duplicarea genică segmentară este un proces prin care o secțiune a genomului este copiată. Copia nouă este apoi mutată într-un alt loc în genom, lăsând în urmă două secțiuni foarte similare de ADN.

"Pare, bazat pe analiza noastră, că acel eveniment inițial de duplicare a fost oarecum ca un lucru mort la sosire, și noul gen nu putea fi exprimat sau crea o proteină instabilă", spune Salama.

Apoi, în linia umană acum trei până la patru milioane de ani în urmă, gena a fost modificată din nou printr-un proces cunoscut sub numele de conversie genetică. De data aceasta, noua copie - Notch2NL - era funcțională.

"Aceea este o perioadă interesantă în istoria noastră evolutivă, pentru că dacă te uiți în înregistrarea fosilelor, aceasta a fost chiar înainte de a exista această creștere exponențială a dimensiunii creierului", spune Salama.

Deci, cum ar putea Notch2NL să ducă la creier mai mare? Gena întârzie transformarea celulelor stem din cortexul creierului în neuroni. În schimb, celulele stem continuă să se dividă și să producă mai multe celule stem. Acest lucru duce în cele din urmă la producerea unui număr mai mare de neuroni și la creiere mai mari.

Notch2NL nu este singurul exemplu în care genele au fost duplicate la oameni. Oamenii de știință au identificat mai mult de 30 de duplicări genetice care sunt unice pentru specia noastră. Unii cred că aceste duplicări ar putea fi responsabile pentru unele dintre trăsăturile unice ale omului.

De exemplu, în 2012, cercetătorii de la Zuckerman Institute de la Universitatea Columbia au descoperit că oamenii au o formă unică duplicată a genei SRGAP, pe care au numit-o SRGAP2C.

Genele SRGAP joacă un rol crucial în controlul numărului de conexiuni, cunoscute sub numele de sinapse, pe care o neuron face cu celulele vecine. Cu cât are mai multe sinapse un neuron, cu atât poate procesa mai multă informație. Noua genă specifică pentru oameni, SRGAP2C, permite în esență oamenilor să formeze mai multe sinapse și conexiuni mai puternice și mai dense între neuroni.

Cu toate că aceste duplicări genetice ar putea explica puterea de neegalat a creierului nostru, cum ar fi cele care au dus la SRGAP2C și Notch2NL, ar putea, de asemenea, să ne facă vulnerabili la dezvoltarea tulburărilor neuropsihiatrice. De exemplu, mutațiile în regiunea genomului unde se găsește Notch2NL sunt asociate cu o serie de tulburări neurodezvoltative, inclusiv ADHD, schizofrenie, tulburare de spectru autist și dizabilitate intelectuală, conform lui Salama și colegilor săi.