El rellotge molecular és un terme figuratiu per descriure una tècnica que utilitza la taxa de mutació de les biomolècules per deduir el temps en el qual dues o més formes de vida van divergir en la prehistòria. Les dades biomoleculars que s'utilitzen per a aquests càlculs solen ser seqüències de nucleòtids quan s'estudia ADN o ARN i seqüències d'aminoàcids quan s'estudien proteïnes. Els punts de referència per determinar la taxa de mutació solen ser dates fòssils o arqueològiques.
El rellotge molecular es va provar per primera vegada el 1962 sobre les variants de proteïnes de l'hemoglobina de diversos animals. Habitualment, s'utilitza en l'evolució molecular per estimar els temps d'especiació o radiació. De vegades s'anomena rellotge genètic o rellotge evolutiu.
Descobriment i equidistància genètica miniatura|350x350px|Exemple de rellotge molecular de CCDC92. És una representació de la rapidesa amb la qual el gen canvia. Es dona com a referència el fibrinogen, una proteïna que canvia ràpidament, i el citocrom C, una proteïna que canvia lentament. La noció de "rellotge molecular" fou encunyada per Emile Zuckerkandl i Linus Pauling, que el 1962 subratllaren que la quantitat de diferències en els aminoàcids de l'hemoglobina entre llinatges encaixava amb la taxa evolutiva de divergència basada en les proves fòssils. Aquesta observació fou generalitzada, afirmant que la taxa de canvi evolutiu de qualsevol proteïna específica era aproximadament constant al llarg del temps i de diferents llinatges (conegut com la hipòtesi del rellotge molecular). També s'aplicà a l'evolució de les seqüències d'ADN, en particular a la teoria de l'evolució neutra.
El fenomen d'equidistància genètica va ser assenyalat per primera vegada el 1963 per Emanuel Margoliash, que va escriure: "Sembla que el nombre de diferències de residus entre el citocrom c de dues espècies qualsevol està principalment condicionat pel temps transcorregut des que les línies d'evolució que condueixen a aquestes dues espècies van divergir". Si això és correcte, el citocrom c de tots els mamífers hauria de ser igual de diferent que el citocrom c de totes les aus. Atès que els peixos difereixen de la tija principal de l'evolució dels vertebrats abans que els ocells o els mamífers, el citocrom c tant dels mamífers com dels ocells hauria de ser igualment diferent del citocrom c dels peixos. De la mateixa manera, tots els citocroms c dels vertebrats haurien de ser igualment diferents de la proteïna del llevat. Per exemple, la diferència entre el citocrom c d'una carpa i una granota, tortuga, pollastre, conill i cavall és d'un 13% a un 14%. De la mateixa manera, la diferència entre el citocrom c d'un bacteri i un llevat, blat, arna, tonyina, colom i cavall oscil·la entre el 64% i el 69%. Com més temps ha passat des que han divergit, més diferencies s'observen entre els seus citocroms c. Juntament amb el treball d'Emile Zuckerkandl i Linus Pauling, el resultat de l'equidistància genètica va conduir directament a la postulació formal de la hipòtesi del rellotge molecular a principis dels anys seixanta.
De la mateixa manera, Vincent Sarich i Allan Wilson el 1967 van demostrar que les diferències moleculars en proteïnes d'albúmina dels primats moderns suggerien que s'havien produït taxes de canvi aproximadament constants en tots els llinatges que van avaluar. La seva anàlisi es basava a reconèixer que si un llinatge d'espècies havia evolucionat més ràpidament que un llinatge d'espècies germanes des del seu avantpassat comú, les diferències moleculars entre una espècie de fora del grup i les espècies d'evolució més ràpida haurien de ser més grans (ja que s'haurien acumulat més canvis moleculars en aquest llinatge) que les diferències moleculars entre una espècie de fora del grup i les espècies d'evolució més lenta. Aquest mètode es coneix com a prova de velocitat relativa. L'article de Sarich i Wilson va informar, per exemple, que les reaccions immunològiques creuades d'albúmina humana (Homo sapiens) i albúmina de ximpanzé (Pan troglodytes) suggerien que aquestes eren igual de diferents que les de l'espècie Ceboidea (micos del nou món). Això significa que totes dues espècies havien acumulat canvis aproximadament iguals en l'albúmina des del seu avantpassat comú compartit. Van trobar el mateix patró en totes les comparacions de primats que van realitzar. Quan es va calibrar amb els pocs nusos de branques fòssils ben documentats (com ara no es van trobar fòssils de primats d'aspecte modern abans de la límit Cretaci-Paleogen) Sarich i Wilson van argumentar que la divergència entre els humans i els ximpanzés probablement es va produir fa només uns 4-6 milions d'anys.
Relació amb la teoria neutral miniatura|280x280px|Les mutacions puntuals poden ser neutres, sense sentit o amb canvi de sentit. Les mutacions neutres no causen un efecte en l'organisme, a diferència dels altres tipus de mutacions puntuals.Zuckerkandl i Pauling van considerar la selecció natural i la deriva genètica com a possibles mecanismes del rellotge. Però més endavant, Motoo Kimura, el 1968 va argumentar que moltes substitucions a nivell molecular no estaven subjectes a la selecció natural, sinó a la deriva genètica. Kimura, juntament amb Jack King, Thomas Jukes i Tomoko Ohta van desenvolupar la teoria neutral de l'evolució molecular, ja que es va observar que la taxa de canvi molecular era similar al funcionament d'un rellotge.
Per exemple, que hi hagi N individus i, perquè el càlcul sigui senzill, que els individus siguin haploides (és a dir, que tinguin una còpia de cada gen). La taxa de mutacions neutres (és a dir, mutacions sense efecte sobre la forma física) en un individu nou és µ. La probabilitat que aquesta nova mutació es fixi en la població és d'1/N, ja que cada còpia del gen és tan bona com qualsevol altra. Cada generació, cada individu pot tenir noves mutacions, de manera que hi ha µN noves mutacions neutres a la població en general. Això vol dir que per cada generació, µ mutacions neutres es fixaran a la població. Si la majoria dels canvis observats durant l'evolució molecular són neutres, les fixacions en una població s'acumularan a una clock-rate (taxa semblant al funcionament d'un rellotge) que és igual a la taxa de mutacions neutres en un individu.
Calibratge miniatura|352x352px|Relacions filogenètiques amb el rellotge molecular de clades de Fukomys. Arbre de màxima credibilitat de clades inferit mitjançant BEAST amb un model de rellotge molecular relaxat no correlacionat (que permet una taxa variable d'evolució de la seqüència a través de l'arbre). El rellotge molecular només és capaç d'informar que un període és el doble que un altre, però no pot assignar dates concretes. La majoria de filogènies se solen calibrar mitjançant el registre fòssil. Hi ha dos mètodes generals per calibrar el rellotge molecular mitjançant dades fòssils: el calibratge del node i el calibratge de la punta.
Calibratge de nodes El calibratge de nodes, també anomenat datació de nodes, és un mètode per calibrar la filogènia que es realitza col·locant restriccions fòssils als nodes. Aquestes restriccions són els representants més antics descoberts d'aquest clade, que s'utilitzen per limitar la seva edat mínima. Pel fet que el registre fòssil pot ser incomplet o insuficient, probablement mai no es trobarà el veritable avantpassat comú d'un clade. Per tenir-ho en compte en les anàlisis de calibratge de nodes, s'ha d'estimar una edat màxima del clade. Determinar l'edat màxima és un repte perquè es basa en proves negatives: l'absència de fòssils més antics en aquest clade. Hi ha una sèrie de mètodes per obtenir l'edat màxima del clade, mitjançant models de naixement-mort, anàlisis de distribució estratigràfica de fòssils o controls tafonòmics. De manera alternativa, en lloc d'un màxim i un mínim, també es pot establir una probabilitat prèvia del temps de divergència i utilitzar-la per calibrar el rellotge. Hi ha diverses distribucions de probabilitats a priori que es poden utilitzar per expressar la probabilitat de l'edat de divergència vertadera en relació amb l'edat del fòssil. No obstant això, hi ha pocs mètodes empírics per estimar la forma i els paràmetres de la distribució de probabilitats.
Els mètodes tradicionals de calibratge del rellotge només poden fer ús d'una única restricció fòssil, mentre que les anàlisis modernes (BEAST i r8s) permeten l'ús de múltiples fòssils per calibrar el rellotge molecular. Els estudis de simulació han demostrat que augmentar el nombre de restriccions fòssils augmenta la precisió de l'estimació del temps de divergència.
Calibratge de les puntes (tip calibration) El calibratge de les puntes, també anomenat datació de puntes, és un mètode de calibratge del rellotge molecular en el qual els fòssils es tracten com a tàxons i es col·loquen a les puntes de l'arbre. Això s'aconsegueix creant una matriu que inclou un conjunt de dades moleculars per als tàxons existents juntament amb un conjunt de dades morfològiques tant per als tàxons extingits com per als existents.
A diferència del calibratge de nodes, aquest mètode reconstrueix la topologia de l'arbre i col·loca els fòssils simultàniament. Els models moleculars i morfològics funcionen de manera sincrònica, permetent que la morfologia informi d'on estan col·locats els fòssils. El calibratge de les puntes fa ús de tots els tàxons fòssils rellevants durant el calibratge del rellotge, en lloc de dependre només del fòssil més antic de cada clade. Aquest mètode no es basa en la interpretació de proves negatives per inferir les edats màximes dels clades.
Evidència total de datació Aquest enfocament del calibratge de les puntes fa un pas més, ja que és capaç d'estimar simultàniament on es troben els fòssils, la topologia i l'escala de temps evolutiva. En aquest mètode, l'edat d'un fòssil pot informar de la seva posició filogenètica, a més de la seva morfologia. Com que permet que tots els aspectes de la reconstrucció dels arbres es produeixin alhora, això redueix el risc de resultats esbiaixats. Aquest mètode s'ha millorat combinant-lo amb diferents models.
Un mètode actual de calibratge del rellotge molecular consisteix a combinar l'evidència total de datació amb el model fossilitzat de naixement-mort i un model d'evolució morfològica. Aquesta combinació permet col·locar fòssils en branques per sobre d'un organisme existent, en lloc de confinar-los a les puntes. Això s'aconsegueix perquè el model de naixement-mort permet utilitzar "avantpassats mostrejats", tàxons fòssils que són l'ancestre directe d'un tàxon o llinatge viu.
Mètodes Els mètodes bayesians poden proporcionar estimacions més adequades dels temps de divergència, especialment si s'utilitzen grans conjunts de dades, com els produïts per la filogenòmica.
Controvèrsia del rellotge molecular Des de la seva introducció, el rellotge molecular ha tingut tan defensors i detractors. Els primers el consideren el resultat més significatiu de la investigació en evolució molecular i els segons qüestionen la seva variabilitat, escala de temps, aplicabilitat i mecanismes (Wilson et al. 1987, Simpson 1964). Tot i que una certa variabilitat del rellotge molecular és esperada, des que es va introduir s'ha discutit sobre com de variable pot ser el rellotge perquè se segueixi considerant un rellotge.
Per exemple, investigadors com Francisco J. Ayala han desafiat la hipòtesi del rellotge molecular. Segons l'estudi d'Ayala de 1999, cinc factors es combinen per limitar l'aplicació de models de rellotge molecular:
Temps de generació canviant (en cas que la taxa de noves mutacions depengui en part del nombre de generacions en lloc del nombre d'anys). Mida de la població (la deriva genètica és més forta en poblacions petites i, per tant, més mutacions són neutres). Diferències específiques entre espècies (a causa de les diferències presents en el metabolisme, ecologia, història evolutiva, ...)