Ovom novim pristupom koji je baziran na genomskoj filostratigrafiji hrvatsko-njemački dvojac uspio je dokazati da je embrionalni razvitak doista sažetak evolucijske povijesti, te je povrh toga otkrito do sada nepoznate korelacije između ontogenije i filogenije. Ovaj rad objavljen je 9. prosinca u najprestižnijem znanstvenom časopisu Nature, koji je radu posvetio i naslovnicu.

Kratka povijest ideja o embrionalnom razvitku i evoluciji

Utjecajni biolozi 19. stoljeća kao što su Karl von Baer, Charles Darwin i Ernst Heackel pokušavali su povezati morfološke promjene tijekom embrionalnog razvitka organizma (ontogenija) sa morfološkim raznolikošću koja se može uočiti između različitih životinjskih vrsta (filogenija). U to vrijeme mišljenja su se slagala da ontogenija zrcali neke aspekte povijesnog razvoja bioraznolikosti kod životinja, međutim postojali su žestoki prijepori koliko su ovi paralelizmi između ontogenije i filogenije generalni i pravilni.

Iznenađujuća je činjenica da se tijekom dvadesetog stoljeća, a usprkos snažnom razvoju genetike, razvojne i evolucijske biologije, prijepori oko ideje da ontogenija na sažeti način ponavlja filogeniju nastavljaju. Neuhvatljiva priroda ovih paralelizama iritirala je neke znanstvenike do te mjere da su odbacili bilo kakvu mogućnost postojanja korelacija između ontogenije i filogenije. To je dovelo do toga da je ovo područje znanstvenog istraživanja postalo taboo, o čemu je u svojoj knjizi "Ontogeny and Phylogeny" pisao poznati paleontolog Stephen J. Gould.

Interes za ovaj znanstveni problem ponovo je oživljen u zadnjim dekadama dvadesetog stoljeća kroz sintezu razvojne i evolucijske biologije, tzv. Evo-Devo. Neki istraživači u Evo-Devo području mišljenja su da razumijevanje suodnosa ontogenije i filogenije zahtjeva razvoj jasnih, genetički utemeljenih kvantitativnih metoda. Nažalost, razvoj ovakvih kvantitativno-genetičkih metoda bio je do sada nemoguć zbog nedostatka jednostavnih načina za mapiranje gena na ontogenetsku i filogenetsku hijerarhiju.

Filogenetska starost transkriptoma

Kao rezultat zajedničkog projekta Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu i Max Planck Instituta za evolucijsku biologiju u Plönu, a koji je dijelom financiran od hrvatskog fonda "Jedinstvo uz pomoć znanja", evolucijski genetičari Tomislav Domazet-Lošo i Diethard Tautz, u časopisu Nature od 9. prosinca, pokazali su kako riješiti ovaj problem.

Koristeći svoju prije tri godine otkrivenu metodu genomske filostratigrafije, istraživači su razvili novu mjeru koja uspješno povezuje ontogeniju i filogeniju. Ova mjera koju su nazvali indeks starosti transkriptoma (eng. transcriptome age index – TAI), na vrlo intuitivan način sažima filogenetsku starost svih aktivnih gena u bilo kojem stadiju ontogenije. Pojednostavljeno rečeno što je veći TAI, to su evolucijski mlađi geni dominantni u određenom stadiju embrionalnog razvitka.

Naoružani s ovim novim alatom, hrvatsko-njemački tim prvo je eksperimentalno dobio precizni niz podatka o ekspresiji gena u embrionalnim i kasnijim razvojnim stadijma zebrice (Danio rerio). Nakon toga dr. Domazet-Lošo i dr. Tautz su za svaki razvojni stadij ove ribe izračunali TAI, koji je pokazao na neočekivano jasan način da se u ontogeniji odista zrcali evolucijska povijest. "Ovo nas je odmah upozorilo da se osjećaj za prepoznavanje pravilnosti kojeg su imali rani istraživači u devetnaestom stoljeću nikako nije smio podcjenjivati u znanstvenim krugovima" – kaže dr. Domazet-Lošo.

Model pješčanog sata

Već dugo se nagađa da otprilike u sredini embrionalnog razvitka postoji period gdje su svi kralježnjaci morfološki jako slični. Na primjer, smatra se da su razlike u izgledu embrija riba, gmazova i sisavca u ovoj pretpostavljenoj fazi jako male. Upravo oko postojanja ovog perioda embrionalnog razvitka, koji je još poznat pod nazivom filotipska faza, vodile su se najžešće debate. U skladu s popularnim modelom "pješčanog sata" prije i poslije ove faze pretpostavlja se da postoji sve veća morfološka različitost između vrsta. "Naš dobiveni molekularni TAI profil kod zebrice vjerno oslikava model pješčanog sata i jasno pokazuje da filotipska faza odista postoji" – potvrđuje dr. Domazet-Lošo.

Naravno, postavlja se pitanje zašto uopće filotipska faza postoji. Po jednom scenariju, kojeg je zastupao i Darwin, filotipska faza predstavlja period kad je embrio najzaštićeniji od vanjskih utjecaja. Po drugom scenariju novijeg datuma inertnost filotipske faze rezultat je unutrašnje razvojne mehanike. U istom broju Natura neovisna grupa s Max-Planck instituta u Dresdenu objavila je rad koji ide u prilog ovoj drugoj tvrdnji.

Jedinke koje stare koriste evolucijski starije gene

Svakako najintrigantniju pravilnost koju je indeks starosti transkriptoma otkrio kod zebrice je da ribe koje stare sve više koriste evolucijski starije gene. Moguće objašnjenje za ovu pravilnost je da su životinje nakon završetka reproduktivne faze sve manje pod utjecajem prirodne selekcije. Kako bi potvrdili ovaj rezultat dr. Domazet-Lošo i dr. Tautz primjenili su istu metodologiju na ekspresijskim podacima kod oblića, mušica i komarca. Ovi rezultati potvrdili su da vjerojatno kod svih životinja koje imaju proces starenja, stare jedinke progresivno koriste evolucijski starije gene.