Zegar molekularny to inaczej miar, służąca do określania czasu występowania konkretnych zdarzeń ewolucyjnych, np. rozdzielenia się linii ewolucyjnych dwóch gatunków organizmów. Koncepcja ta wykorzystuje osiągnięcia z dziedziny genetyki i wiedzę na temat stałego tempa ewolucji niektórych fragmentów DNA, tzw. genów ortologicznych. Są to geny powstałe w wyniku specjacjispecjacjaspecjacji, pochodzące od wspólnego przodka. Z reguły zachowują one swoją funkcję u obecnych organizmów (np. αalfa‑globina człowieka i myszy). Koncepcja zegara molekularnego zakłada, że liczba substytucjisubstytucjasubstytucji w takich genach jest wprost proporcjonalna do czasu, jaki upłynął od momentu rozgałęzienia się linii ewolucyjnych dwóch badanych organizmów (tzw. czas dywergencjidywergencjadywergencji).

RPSn3wJHPa9gk

Zdjęcie przedstawia tupaję jawajską. To mały ssak siedzący na gałęzi. Długość ciała bez ogona osiąga od stu trzydziestu pięciu do dwustu dziesięciu milimetrów, długość ogona oscyluje w granicach od stu dwudziestu pięciu do stu osiemdziesięciu milimetrów. Długość ucha tapaji to od piętnastu do siedemnastu milimetrów. Masa ciała zwierzęcia to od dziewięćdziesięciu do stu dziewięćdziesięciu gramów. Należy do rodziny wiewiórkowatych. Przypomina wiewiórkę z wydłużonym pyszczkiem zakończonym różowym nosem. Sierść ma czerwonawy kolor. Ssak ma długi ogon w stosunku do reszty ciała. Jest on puszysty. Oczy mają owalny kształt, uszy są duże. Kończyny są zakończone palcami. Pazury na ich końcach ułatwiają tupaji poruszanie się po tropikalnych lasach, które zamieszkuje.

Aby możliwe było zastosowanie zegara molekularnego, konieczna jest jego odpowiednia kalibracja i sporządzenie tzw. chronogramów, czyli drzew filogenetycznych, w  których długość gałęzi jest skalibrowana za pomocą czasu. Wykonuje się to poprzez wykreślanie liczby konkretnych zmian ewolucyjnych, np. różnic w składzie aminokwasów w białku, w odniesieniu do dwóch konkretnych współczesnych organizmów czy znalezisk kopalnych.

Pierwsze badania z wykorzystaniem zegara molekularnego zakładały jego stałość w odniesieniu do konkretnych genów, inaczej mówiąc, uważano, że tempo ewolucji określonych genów jest niezmienne i przebiega tak samo u różnych grup organizmów. Okazało się jednak, że założenie to było błędne, ponieważ geny ewoluują z różną dynamiką i w różnym tempie, często nawet u blisko spokrewnionych organizmów. Dynamika ta może może ulegać zmianom, nawet w komórkach jednego gatunku! Są geny ewoluujące wolno, natomiast inne cechują się bardzo szybkimi zmianami. Wynika to m. in. z neutralności niektórych mutacji. O ile mutacje szkodliwe są z reguły szybko usuwane z populacji wskutek działania doboru naturalnego, to mutacje neutralne zazwyczaj nie wpływają na efekt przystosowawczy organizmu.

Zmiana sekwencji nukleotydów, która nie będzie dawała efektu fenotypowego lub efekt ten nie będzie wpływał na zdolności przystosowawcze organizmu, określana jest jako mutacja neutralna. Dlatego też w przypadku genów ważnych z punktu widzenia przeżycia organizmu, zdecydowana większość mutacji będzie szkodliwa i wskutek tego szybko usuwana z populacji. Dlatego geny te są bardziej konserwatywne i ich zmiany w trakcie ewolucji zachodzą stosunkowo wolno.

Negatywny wpływ na koncepcję zegara molekularnego ma również dobór naturalny, zwłaszcza kierunkowy. Wskutek działania doboru niektóre zmiany DNA mogą być faworyzowane, ponieważ w określonych warunkach środowiska sprzyjały przeżyciu posiadających je osobników. Co więcej, kierunek doboru może ulegać wielokrotnym zmianom w trakcie ewolucji pod wpływem zmian otoczenia. Aby obejść ten problem, naukowcy starają się kalibrować zegar z wykorzystaniem kilku genów występujących u porównywanych organizmów i uśredniają otrzymywane wyniki.

Problem pojawia się też w przypadku analizy zmian organizmów, które nie są udokumentowane skamieniałościami. Większość danych kopalnych sięga do ok. 550 milionów lat wstecz. Naukowcy próbują jednak oszacować przebieg ewolucji wcześniej istniejących organizmów, opierając się na założeniu, że działanie zegara molekularnego przebiegało w niezmienny sposób, również u wcześniejszych organizmów. Należy jednak zdawać sobie sprawę, że to tylko pewne założenia, a ich weryfikacja wskutek kolejnych odkryć naukowych może dać całkiem inne wyniki.

Koncepcja zegara molekularnego pozwoliła oszacować czas powstania zakażeń HIV u człowieka. Wirus ten pochodzi od wirusów atakujących szympansy i inne małpy naczelne, nie wywołuje jednak u nich choroby przypominającej AIDS. Istnieje wiele odmian (szczepów) tego wirusa, które nie miały zdolności wywoływania infekcji u ludzi. U człowieka zakażenia wywoływane są głównie przez szczep HIV‑1M.

Porównując materiał genetyczny obecnych szczepów groźnych dla człowieka, oraz innych istniejących w przyrodzie, i wykorzystując koncepcję zegara molekularnego (analiza zmian nukleotydów w określonych sekwencjach ), naukowcom udało się ustalić, że szczep HIV‑1M powstał i wywołał pierwsze infekcje ok. 1910 roku.

Przebieg historii ewolucji człowieka również został w znacznej mierze odtworzony, dzięki zegarowi molekularnemu. Porównanie budowy całych genomów oraz wzoru metylacjimetylacja DNAmetylacji wysp CpGwyspy CpGwysp CpG człowieka z innymi małpami naczelnymi wykazała, że nasze pokrewieństwo z  szympansem i  gorylem jest znacznie bliższe, niż dotąd przypuszczano na podstawie danych paleontologicznych. Wspólny przodek szympansa i człowieka występował około 9,3–6,5 mln lat temu, natomiast goryl jest naszym dalszym kuzynem (rozdział linii ewolucyjnych nastąpił około 12,2–9,4 mln lat temu).

Prowadzi się obecnie intensywne badania, w celu określenia pochodzenia współczesnych grup ssaków naczelnych. Dzięki badaniom z zastosowaniem zegara molekularnego, udało się ustalić, że ssaki skóroskrzydłe są najbliższymi żyjącymi krewnymi naczelnych – linie ewolucyjne tych grup rozdzieliły się ok. 80 mln lat temu. Z kolei grupa skóroskrzydłych oddzieliła się od innej grupy ssaków, wiewióreczników, ok. 88 milionów lat temu.

Słownik