Zdarzenia (rozbieżności gatunków lub innych taksonów) w oparciu o hipotezę hipoteza zegara molekularnego, zgodnie z którym ewolucyjnie istotne podstawienia monomerów w kwasach nukleinowych lub aminokwasów w białkach zachodzą z niemal stałą szybkością.
Tempo mutacji może być nierówne i różnić się w zależności od gatunku, co powoduje, że metoda zapewnia jedynie przybliżone wyniki.
Promocja teorii i jej rozwój
Hipoteza zegara molekularnego została wysunięta w 1962 r. na podstawie analizy sekwencji aminokwasów hemoglobiny i cytochromu C przez E. Zuckerkandla i L. Paulinga. Zauważyli, że liczba różnic aminokwasowych w hemoglobinie rośnie liniowo z czasem, co oszacowano na podstawie skamieniałości. Podsumowali obserwację i doszli do wniosku, że tempo zmian ewolucyjnych dla każdego białka jest w przybliżeniu stałe.
Przydatnym testem potwierdzającym ważną rolę czasu jako głównego czynnika w akumulacji zmienności w cytochromie C byłoby porównanie sekwencji aminokwasowych homologicznych białek wyizolowanych z gatunków, o których wiadomo, że nie uległy zmianom morfologicznym przez długie okresy czasu i z szybko zmieniające się gatunki
Prace tych trzech naukowców doprowadziły do postulowania tej hipotezy na początku lat sześćdziesiątych XX wieku.
Związek z neutralną teorią ewolucji molekularnej
Krytyka
Istnieją krytyczne uwagi dotyczące tej metody, na przykład „Goodman, 1981, Prog.Byophys.Mol.Evol., V.38.P.105-164.”, w którym stwierdzono różne częstotliwości taktowania u różnych taksonów. Mimo to teoria jest wykorzystywana w filogenetyce i do szacowania wieku rozbieżności gatunków.
| To jest projekt artykułu na temat biologii. Możesz pomóc projektowi dodając do niego.
Notatkę tę należy w miarę możliwości zastąpić bardziej precyzyjną. |
Zobacz też
Napisz recenzję o artykule "Zegar molekularny"
Notatki
Spinki do mankietów
- medbiol.ru/medbiol/molevol/000716b1.htm
- elementy.ru/trefil/molecular_clock?page_design=print
- Łukaszow V.V. Neutralna teoria ewolucji molekularnej // Ewolucja molekularna i analiza filogenetyczna: Podręcznik. - 2009. - s. 35.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fragment charakteryzujący Zegar Molekularny
- Co za bestia!.. No cóż?..„Poszedłem za kimś innym” – kontynuował Tichon, „wczołgałem się w ten sposób do lasu i położyłem się”. – Tichon nagle i elastycznie położył się na brzuchu, wyobrażając sobie na ich twarzach, jak to zrobił. „Jeden i nadrabiamy zaległości” – kontynuował. – Okradnę go w ten sposób. – Tichon szybko i łatwo podskoczył. – Chodźmy, mówię, do pułkownika. Jak głośno będzie. A jest ich tutaj czterech. Rzucili się na mnie z szaszłykami. „Uderzyłem ich siekierą w ten sposób: dlaczego jesteś, Chrystus jest z tobą” – zawołał Tichon, machając rękami i marszcząc groźnie brwi, wypinając pierś.
„Widzieliśmy z góry, jak przeciągałeś linę przez kałuże” – powiedział esaul, mrużąc swoje błyszczące oczy.
Petya naprawdę chciał się śmiać, ale widział, że wszyscy powstrzymują się od śmiechu. Szybko przeniósł wzrok z twarzy Tichona na twarze esaula i Denisowa, nie rozumiejąc, co to wszystko znaczy.
„Nawet sobie tego nie wyobrażaj” – powiedział Denisow, kaszląc ze złością. „Dlaczego on tego nie zrobił?”
Tichon zaczął jedną ręką drapać się po plecach, drugą po głowie i nagle cała jego twarz rozciągnęła się w promiennym, głupim uśmiechu, odsłaniając brakujący ząb (od czego nazywany był Szczerbaty). Denisow uśmiechnął się, a Petya wybuchnął wesołym śmiechem, do którego przyłączył się sam Tichon.
„Tak, to całkowicie błędne” – powiedział Tichon. „Ma na sobie złe ubranie, więc dokąd mamy go zabrać?” Tak, i niegrzeczny człowiek, Wysoki Sądzie. Dlaczego, mówi, sam jestem synem Anarala, nie pójdę, mówi.
- Co za brutal! - powiedział Denisow. - Muszę zapytać...
„Tak, pytałem go” – powiedział Tichon. - Mówi: Nie znam go dobrze. Jest ich wielu, mówi, ale wszyscy są źli; tylko, jak mówi, jedno imię. „Jeśli wszystko będzie w porządku” – mówi – „zabierzecie wszystkich” – zakończył Tichon, patrząc radośnie i zdecydowanie w oczy Denisowa.
„Tutaj wleję sto gogów, a ty zrobisz to samo” – powiedział surowo Denisow.
„Po co się złościć”, powiedział Tichon, „no cóż, nie widziałem twojego francuskiego?” Niech się ściemni, przyniosę, co chcesz, przynajmniej trzy.
„No cóż, chodźmy” - powiedział Denisow i pojechał całą drogę do wartowni, marszcząc brwi ze złością i w milczeniu.
Tichon przyszedł od tyłu i Pietia usłyszał, jak Kozacy śmieją się razem z nim i z niego z powodu butów, które wrzucił w krzaki.
Kiedy minął śmiech, który ogarnął go słowami i uśmiechem Tichona, a Petya na chwilę zdał sobie sprawę, że ten Tichon zabił człowieka, poczuł się zawstydzony. Spojrzał ponownie na uwięzionego perkusistę i coś przeszyło jego serce. Jednak ta niezręczność trwała tylko chwilę. Poczuł potrzebę podniesienia głowy wyżej, rozweselenia się i znaczącym spojrzeniem zapytania esaula o jutrzejsze przedsięwzięcie, aby nie stać się niegodnym społeczeństwa, w którym się znalazł.
Wysłany oficer spotkał się z Denisowem w drodze z wiadomością, że teraz sam Dołochow przyjedzie i że z jego strony wszystko jest w porządku.
Denisow nagle się rozweselił i zawołał do siebie Petyę.
– No cóż, opowiedz mi o sobie – powiedział.
Kiedy Pietia opuścił Moskwę, zostawiając swoich bliskich, wstąpił do swojego pułku i wkrótce potem został zabrany jako ordynans do generała, który dowodził dużym oddziałem. Od chwili awansu na oficera, a zwłaszcza od wstąpienia do czynnej armii, gdzie brał udział w bitwie pod Wiazemskim, Pietia był w nieustannym radosnym stanie radości z faktu, że jest wielki, i w ciągłym entuzjastyczny pośpiech, aby nie przeoczyć żadnego przypadku prawdziwego bohaterstwa. Był bardzo zadowolony z tego, co zobaczył i przeżył w wojsku, ale jednocześnie wydawało mu się, że tam, gdzie go nie było, tam właśnie dzieją się najbardziej realne, bohaterskie rzeczy. I spieszył się, żeby dostać się tam, gdzie go nie było.
Kiedy 21 października jego generał wyraził chęć wysłania kogoś do oddziału Denisowa, Pietia tak żałośnie poprosił o przysłanie go, że generał nie mógł odmówić. Ale wysyłając go, generał, pamiętając szalony czyn Petyi w bitwie pod Wiazemskim, gdzie Petya zamiast iść drogą do miejsca, gdzie został wysłany, galopował w łańcuchu pod ostrzałem Francuzów i tam dwukrotnie strzelił z pistoletu , - wysyłając go, generała, zabronił Petyi udziału w jakichkolwiek działaniach Denisowa. To sprawiło, że Petya się zarumieniła i zdezorientowała, gdy Denisow zapytał, czy może zostać. Przed wyjazdem na skraj lasu Petya uważał, że musi ściśle wypełnić swój obowiązek i natychmiast wrócić. Ale kiedy zobaczył Francuzów, zobaczył Tichona, dowiedział się, że tej nocy z pewnością zaatakują, on, z szybkością przechodzenia młodych ludzi z jednego spojrzenia na drugie, zdecydował w sobie, że jego generał, którego dotychczas bardzo szanował, został śmieci, Niemca, że Denisow jest bohaterem i Ezaw jest bohaterem, i że Tichon jest bohaterem i że wstydziłby się ich opuścić w trudnych chwilach.
MOLEKULARNE DOWODY EWOLUCJI
Każda komórka składa się z pewnej ilości związków organicznych. Białka, kwasy nukleinowe, polisacharydy i lipidy odgrywają główną rolę w budowie komórki i dostarczaniu energii dla procesów w niej zachodzących. Makrocząsteczki białek i kwasów nukleinowych zajmują szczególne miejsce w życiu komórek. Białka są przede wszystkim budulcem i tworzywem sztucznym komórki, a kwasy nukleinowe są nośnikami informacji dziedzicznej.
Na obecnym etapie rozwoju biologii molekularnej można analizować zmiany sekwencji nukleotydów w DNA lub aminokwasów w cząsteczce białka różnych gatunków i na podstawie tego wskaźnika oceniać stopień ich podobieństwa i różnicy.
Ewolucja białek
Ponieważ każde podstawienie aminokwasu w cząsteczce białka wiąże się ze zmianą w jednym, dwóch lub trzech nukleotydach w cząsteczce DNA, można zastosować komputery do obliczenia maksymalnej lub minimalnej liczby podstawień nukleotydów w genie biorącym udział w syntezie danego białka. cząsteczka białka.
Na podstawie uzyskanych danych można ocenić średnią liczbę podstawień aminokwasów w cząsteczce białka oraz zmiany w ułożeniu nukleotydów w genie. Jak wiadomo, hemoglobina jest częścią czerwonych krwinek - erytrocytów i aktywnie uczestniczy w transporcie tlenu. Hemoglobina w ludzkich czerwonych krwinkach składa się z wzajemnie podobnych dwóch łańcuchów α i dwóch β. Każdy łańcuch α zawiera 141, a każdy łańcuch β zawiera 145 aminokwasów. Pomimo wzajemnych różnic między łańcuchami α i β hemoglobiny, sekwencja aminokwasów w nich jest taka sama. Oznacza to, że łańcuchy α a β hemoglobina powstała w wyniku rozbieżności pojedynczego łańcucha polipeptydowego w procesie historycznym. W wyniku zmian mutacyjnych w różnych grupach zwierząt, substytucja aminokwasów nastąpiła także w łańcuchach α i β hemoglobiny.
Jak wynika z danych zawartych w tabeli 1, cząsteczki hemoglobiny u ludzi i małp człekokształtnych są prawie podobne pod względem sekwencji aminokwasów, jednakże różnice między ludźmi i innymi rzędami ssaków w tym wskaźniku są bardzo znaczące i wahają się od 14 do 33. te same dane uzyskano porównując skład aminokwasowy białka cytochromu C ludzi, Drosophila i innych organizmów (Tabela 2).
Jeśli tempo ewolucji białek mierzy się liczbą podstawień aminokwasów rocznie, wówczas tempo ewolucji genów mierzy się poprzez określenie podstawień nukleotydów. Jednakże podstawienia nukleotydów w genach nie zawsze prowadzą do podstawień aminokwasów w białku. Dowodem na to jest fakt, że z 20 aminokwasów tworzących białko 18 jest kodowanych przez kody 2, 3, 4 i 6.
Ewolucja DNA (gen)
Każdy nukleotyd w genie może podlegać mutacji. Dzwonią do niej Punktowa mutacja. Niektóre nukleotydy reagują odmiennie na wpływy zewnętrzne. W niektórych parach nukleotydów mutacja występuje tylko raz lub dwa razy, podczas gdy w innych liczba mutacji może sięgać kilkuset. Te ostatnie nazywane są „ gorący» kropki.
Bardzo ważne jest również, który nukleotyd ulega zmianom podczas mutacji. Na przykład fenyloalanina ma kodon UUU. Jeżeli trzeci nukleotyd tego kodonu, uracyl, zostanie zastąpiony przez adeninę lub guaninę, wówczas zmienia się pozycja kodonu i kodony UUA i UUG zawierają w łańcuchu polipeptydowym leucynę, a nie fenyloalaninę, co prowadzi do istotnej zmiany w strukturze i funkcja cząsteczki białka. Zwykle u gatunków, które są systematycznie blisko siebie, liczba mutacji jest niewielka i odwrotnie, u gatunków oddalonych od siebie liczba mutacji jest duża. Zatem np. ludzkie DNA okazało się homologiczne z DNA makaka w 66%, byka w 28%, szczura w 17%, łososia w 8%, a bakterii E. coli tylko w 2%.
Molekularny zegar ewolucji
Zwykle, określając rozbieżność białek u kilku gatunków, można ocenić czas wystąpienia rozbieżności między nimi. Tempo ewolucji białka mierzy się liczbą rocznych podstawień aminokwasów w jego składzie. Poprzez podstawienia aminokwasów w składzie białka można określić moment rozbieżności rodzaju, rodziny, rzędu, klasy lub typu. Na przykład w wyniku badania rodowodu białka globiny ustalono, że jego struktura była podobna u wspólnych przodków karpia i człowieka, którzy istnieli około 400 milionów lat temu, kolczatki i ludzi - 225 milionów lat temu, psów i ludzie - 70 milionów lat temu. Materiał ze strony http://wikiwhat.ru
©2015-2019 strona
Wszelkie prawa należą do ich autorów. Ta witryna nie rości sobie praw do autorstwa, ale zapewnia bezpłatne korzystanie.
Data utworzenia strony: 2017-10-12
Debatę pomiędzy selekcjonerami i neutralistami można by może nazwać wewnętrznym konfliktem w społeczności ewolucjonistów, ma ona jednak jeden aspekt ważny dla teorii ewolucji i kreacjonizmu: kwestia molekularnego zegara ewolucyjnego. Jeszcze przed teorią neutralizmu sugerowano, że zmiany w DNA mogą zachodzić w mniej więcej stałym tempie. Zatem rozbieżność białek wytwarzanych przez DNA powinna odzwierciedlać tempo zmian ewolucyjnych w czasie 11 . Odnotowano kilka przykładów, w których różnice w białkach między organizmami są zgodne w naturze z ich hipotetycznymi związkami ewolucyjnymi.
Molekularny zegar ewolucyjny opiera się na założeniu, że duże cząsteczki (biopolimery) podlegają ciągłym zmianom. W konsekwencji, im ostrzejsze są odnotowane różnice, tym więcej czasu minęło od oddzielenia się od wspólnego ewolucyjnego przodka. Tabela 8.1 (kolumna A) pokazuje procentową różnicę w aminokwasach w szeroko rozpowszechnionym enzymie cytochromie c. Enzym ten bierze udział w transporcie elektronów podczas uwalniania energii chemicznej w komórce. Łatwo zauważyć, że różnica staje się coraz większa w miarę przechodzenia od ludzi do prostszych, a zatem i starszych form zgodnie z teorią ewolucji. Kolumna B pokazuje jednorodność wskaźnika, wskazując różnice między innymi organizmami a komórkami drożdży i są one uważane za bardzo starożytne. Ta zgodność została zinterpretowana jako dowód na korzyść pojedynczego zegara molekularnego, na podstawie którego można określić czas, jaki upłynął od rozbieżności, na podstawie różnic molekularnych. Zwolennicy tej teorii uważają cytochrom za jeden z najlepszych wyznaczników. Podręczniki biologii i teorii ewolucji wykorzystują zegary molekularne do wspierania ogólnej teorii ewolucji. Jednak dane te niekoniecznie wskazują na ewolucję. Mogą reprezentować czynniki biologiczne związane ze stopniem złożoności różnych organizmów.
Hipoteza zegara molekularnego rodzi wiele pytań. Naukowcy nie są pewni wpływu mutacji neutralnych, które są najbardziej istotne dla zegara molekularnego. Jeśli zmiany nie są neutralne lub tylko względnie neutralne, wówczas zegar molekularny pozostaje bez podstaw teoretycznych. Zmiany kontrolowane przez dobór naturalny nie mogą służyć jako zegary. Będą odzwierciedlać wpływ środowiska, a nie czasu. Ewolucjoniści podnieśli szereg innych pytań dotyczących zegarów molekularnych, z których wiele powstało podczas debaty pomiędzy selekcjonistami a neutralistami bardziej przyjaznymi zegarom.
Badania enzymu cytochromu c w różnych organizmach dostarczają wyników zgodnych z koncepcją zegara molekularnego, ale inne badania związane z szybkością zmian mogą dawać zupełnie inne wyniki 12 . Wiadomo, że enzym dysmutaza ponadtlenkowa, który zmniejsza toksyczność tlenu w większości żywych organizmów, powoduje nieregularną pracę zegara molekularnego 13. Z wyników uzyskanych przez naukowców wynika, że te zegary dla małp człekokształtnych i ludzi są daleko w tyle za 14 . Z powodu tych dramatycznych różnic niektórzy naukowcy nazywają zegar molekularny „epizodycznym”5, to znaczy poruszającym się albo szybko, albo wolno.
Tabela 8.2 pokazuje różnice w sekwencji aminokwasów hormonu insuliny u kręgowców. Zgodnie z koncepcją zegara molekularnego wszystkie gryzonie różnią się mniej więcej tak samo od ludzi, ponieważ ich przodkowie ewoluowali w tym samym czasie. Widzimy jednak, że jest to dalekie od przypadku. Człowiek różni się od myszy domowej o osiem procent, a od nutrii o trzydzieści osiem. Liczba ta jest nawet większa niż różnica między ludźmi a kilkoma gatunkami ryb, która, jak się wydaje, powinna być znacznie większa. W innych porównaniach związanych z insuliną16 różnica między myszą a świnką morską (35%), gatunkiem dość blisko spokrewnionym, przewyższa różnicę między myszą a wielorybem (12%), człowiekiem i żółwiem sękatym (24%) oraz kurczakiem i bonito (16 proc.) oraz pomiędzy wieloma innymi organizmami, które nie są blisko spokrewnione. W literaturze naukowej odnotowuje się wiele podobnych niespójności17. Nie mamy wystarczająco uzasadnionych dowodów potwierdzających stałe tempo zmian, według którego powinien działać zegar molekularny.
Biorąc pod uwagę powyższe cechy, nie powinno dziwić porównanie sekwencji aminokwasowych różnych typów białek
Procentowa różnica w sekwencji aminokwasów w hormonie insuliny pomiędzy wieloma organizmami i ludźmi*.
* Dayhoff MO. 1976. Atlas sekwencji i struktury białek, tom. 5, dodatek 2,
Washington, O.C.: Narodowa Fundacja Badań Biomedycznych, s. 10-10. 129.
daje sprzeczne wyniki z ewolucyjnego punktu widzenia. Jedna z takich analiz, mająca na celu porównanie powiązań ewolucyjnych między kilkoma rzędami ssaków w oparciu o sekwencję aminokwasów czterech różnych białek, wykazała „ogólny brak zgodności” pomiędzy czterema badanymi białkami i jedynie „umiarkowaną zgodność” z powiązaniami opartymi na budowa (morfologia) różnych organizmów 18 .
Tak zwane żywe skamieliny stanowią kolejną zagadkę dla koncepcji zegara molekularnego. Żywe skamieliny to gatunki, które ledwo można odróżnić od skamieniałych przodków, o których sądzi się, że żyli setki milionów lat temu. Przykładem jest krab podkowy pospolity, 19 występujący wzdłuż wschodniego wybrzeża Ameryki Północnej. Podobno jest niemal identyczny ze swoim kopalnym odpowiednikiem, który według niektórych szacunków istniał co najmniej 200 milionów lat temu. Czy to możliwe, że zmiany, które narastały nieprzerwanie przez 200 milionów lat funkcjonowania zegara molekularnego, nie mają widocznego wpływu na organizm?
Dane przedstawione w kolumnie B tabeli 8.1 są tak spójne, że nieuchronnie rodzą kilka kolejnych pytań dotyczących zegara molekularnego, zarówno w kontekście ewolucyjnym, jak i przy rozważaniu innych czynników biologicznych. Jak mogłyby powstać tak jednolite wyniki, jeśli badania, jak wskazano powyżej, sugerują, że zegar cytochromowy jest niestabilny w swoich odczytach? Skoro zmiany w białkach (oparte na zmianach w DNA) są ułatwione przez podział komórek, czy taka stabilność tempa mutacji mogłaby charakteryzować wszystkie różnorodne kierunki ewolucyjnego rozwoju wszystkich gatunków roślin i zwierząt? Trudno to sobie wyobrazić, biorąc pod uwagę, że ewolucyjny rozwój zwierząt stałocieplnych powinien przebiegać inaczej niż zwierząt lub roślin zmiennocieplnych. Ponadto niektóre gatunki rozmnażają się bardzo szybko, inne zaś bardzo wolno. Takie spójne wyniki na różnych hipotetycznych ścieżkach ewolucyjnych mogą rodzić nowe pytania dotyczące koncepcji zegara molekularnego i sugerować, że należy szukać alternatywnych interpretacji. Dopóki nie będziemy mieli więcej informacji na temat tego, co sprawia, że te zegary działają, jeśli w ogóle istnieją, nie zaszkodzi zachować ostrożność w naszej ocenie.
Autor książek i artykułów naukowych Roger Lewin w artykule zatytułowanym: „Zegary molekularne wyszły z użycia” odciął się od kontrowersji wokół zegarów molekularnych. Dochodzi do wniosku, że zegar molekularny wydaje się stały tylko w jeden sposób – w swojej niestałości 20. Siegfried Scherer, biolog z Uniwersytetu w Konstancji, stwierdza, że „hipotezę białkowego zegara molekularnego należy odrzucić” 21, a biolog Geoff Palmer z Uniwersytetu w Indianie twierdzi, że „prawidłowe tykanie zegara molekularnego to jedynie przypuszczenie; Im więcej badamy zmiany molekularne, tym więcej mamy dowodów na to, że ten zegar nie działa prawidłowo.” 22 Dwóch biologów molekularnych Lisa Wouter i Wesley Brown równie jednoznacznie popierają „bezwarunkowe odrzucenie uogólnionej koncepcji zegara molekularnego”23.
ODKRYCIA W BIOLOGII MOLEKULARNEJ
Liczne odkrycia dokonane ostatnio w biologii molekularnej przyczyniły się do różnorodności myśli ewolucyjnej. Ujawniły właściwości życia, których nie można było sobie wyobrazić przez kolejne trzydzieści lat. z powrotem. Wiele tajemnic otaczających systemy genetyczne wprawia w zakłopotanie zarówno ewolucjonistów, jak i kreacjonistów. Dlaczego sekwencja zaledwie kilku zasad nukleotydów powtarza się 100 000 razy w centrum chromosomu muszki owocowej? Jaka jest funkcja dużej liczby niekodujących lub powtarzalnych DNA występujących we wszystkich organizmach oprócz najprostszych? U ludzi stanowią aż 97 procent całego DNA. Naukowcy, którzy uważają te DNA za rodzaj genetycznego śmiecia odziedziczonego z naszej ewolucyjnej przeszłości, nazywają je „śmieciowym DNA”. Pseudogeny to inny typ pozornie niekodującej sekwencji DNA. Wydają się być genami funkcjonalnymi, ale zawierają regiony, które najwyraźniej uniemożliwiają im wykonywanie normalnych funkcji24. Nie można jednak stwierdzić z całą pewnością, że sekwencje niekodujące są rzeczywiście niefunkcjonalne. Uważa się, że „śmieciowe DNA” odgrywa pewną rolę, ale naukowcy odrzucają to określenie. Inni ewolucjoniści kwestionują, dlaczego niekodujące DNA zostało zachowane w „nieskazitelnej czystości”, skoro nie pełni żadnej funkcji. Teoretycznie powinny zmienić się w procesie mutacji. Niektórzy naukowcy mówią o pewnych funkcjach niekodującego DNA, w tym o tajnym języku 25.
Stare poglądy na temat genów jako długich nici DNA, które czasami mutują i ostatecznie tworzą nowe organizmy, nie odpowiadają już współczesnym odkryciom naukowym. Geny najwyraźniej są zorganizowane w złożone, oddziałujące na siebie systemy, obejmujące mechanizmy sprzężenia zwrotnego, które prawdopodobnie nie wyewoluowały w stopniowym, losowym procesie ewolucyjnym, ponieważ nie byłyby w stanie przetrwać bez w pełni funkcjonującego systemu. Poniżej znajduje się kilka przykładów.
1. KOD GENETYCZNY. Odkrycie kodu genetycznego pokazało, jak połączenie czterech różnych typów zasad nukleotydowych w kompleksach kodowych składających się z trzech zasad, z których każda znajduje się w łańcuchu DNA (ryc. 4.1) może narzucić kolejność dowolnego z 20 różnych typów aminokwasów tworzących białko. Komórka wykorzystuje informacje zawarte w DNA w swoim jądrze do wytworzenia tysięcy różnych białek w ramach złożonego, zakodowanego systemu. W jaki sposób losowy proces ewolucyjny może doprowadzić do powstania zakodowanego systemu? System ten wymaga nie tylko misternie zakodowanej informacji, ale także systemu rozszyfrowania tego kodu. W przeciwnym razie nic się nie stanie.
2. SYSTEM KONTROLI GENÓW. Proces wytwarzania białek w oparciu o informację genetyczną jest złożony i szczegółowo regulowany. Geny muszą zostać włączone i wyłączone z procesu na czas. Naukowcy odkryli różnorodne mechanizmy kontroli genów 26 , z których niektóre tłumią gen, a inne go aktywują. Poszczególne geny mają więcej niż jeden mechanizm kontrolny. System Lac-one-ron, występujący u zwykłej bakterii, stał się klasycznym przykładem systemu kontroli genów 27 . Kontroluje produkcję trzech enzymów (białek) biorących udział w metabolizmie laktozy. Trzy enzymy są kodowane sekwencyjnie, jeden po drugim, na helisie DNA. Kody te są poprzedzone czterema specjalnymi regionami w kodowanym DNA, niezbędnymi do regulacji i produkcji enzymów. Ten podstawowy typ układu oraz bardziej złożone systemy kontroli występują także w organizmach wyższych 28 . Ogromna liczba przemian chemicznych w komórkach jest kontrolowana przez złożone systemy.
3. SYSTEMY KOREKCJI BŁĘDÓW. Organizmy wielokomórkowe wytwarzają w ciągu swojego życia wiele nowych komórek. Dzieląc się na dwie połowy, komórka odtwarza miliony i miliardy par nukleotydów. U ludzi za każdym razem, gdy organizm tworzy DNA dla nowej komórki, powstają trzy miliardy par nukleotydów. W procesie kopiowania tych informacji często pojawiają się błędy. Niektóre z nich nie odgrywają dużej roli, ale nie można wykluczyć błędów, które mogą zakończyć się śmiercią. Odsetek takich błędów bez interwencji enzymów naprawczych może sięgać jednego procenta. Zatem na jeden podział komórki przypadałyby tysiące, a nawet miliony błędów. Na szczęście komórka posiada skuteczne systemy pomagające zapobiegać temu procesowi. Te wyrafinowane mechanizmy mogą milion razy zwiększyć dokładność kopiowania, ograniczając błędy do minimum 29 . Subtelne systemy korekcji wyszukują błędy i korygują te fragmenty DNA, do których wkradł się błąd. Naukowcy odkryli co najmniej 15 enzymów biorących udział w naprawie DNA u bakterii Escherichia coli ale nadal nie wiemy wszystkiego o takich systemach 30 . Jeśli chodzi o teorię ewolucji, rozważając ten mechanizm korekcji DNA, pojawia się wiele pytań. Na przykład, czy system podatny na błędy mógłby być wystarczająco spójny, aby umożliwić ewolucyjny rozwój mechanizmu samokorygującego? Jeden z badaczy nazwał tę trudność „nierozwiązanym problemem biologii teoretycznej” 31 .
Badając DNA, biolodzy molekularni odkrywają szeroki zakres wyspecjalizowanych funkcji, które kopiują, trawią, łączą, naprawiają, przesuwają i odwracają DNA. Dotychczasowa hipoteza prostego DNA rządzącego rozwojem i funkcjonowaniem organizmu zostaje zastąpiona koncepcją „płynnego” DNA posiadającego możliwości programowania. J. A. Shapiro z Uniwersytetu w Chicago tak przedstawia nowe pomysły: „Musimy myśleć o genomach [DNA] jako o systemach przetwarzania informacji”32. Dalej podkreśla, że „wiele (być może zdecydowana większość) transformacji DNA nie następuje w wyniku przypadkowych procesów chemicznych lub błędów replikacji. Powstają raczej w wyniku działania niezwykle złożonych systemów biochemicznych, które można uznać za funkcje przeprogramowujące genomy [DNA].
W biologii molekularnej poszukiwania prawdy dopiero się rozpoczęły.
NIEZWYKŁE EWOLUCYJNE KONCEPCJE
Ostatnie dziesięciolecia przyniosły niezwykłą różnorodność idei i konfliktów w myśli ewolucyjnej. Niepowodzenia towarzyszące poszukiwaniom przekonującego wyjaśnienia rozwoju ewolucyjnego dały podstawę do przyjęcia szeregu niezwykłych założeń. Jako przykład podam tylko trzy lub cztery z nich.
Angielski chemik James Lovelock ogłosił tak zwaną „hipotezę gai”. Otrzymał poważne wsparcie od Lynn Margulis, znanej biolożki z Uniwersytetu Bostońskiego. Pomysł ten zyskał znaczną popularność, ale nie wśród klasycznych ewolucjonistów. Istotą hipotezy Gai jest to, że cała Ziemia jest żywym organizmem, w którym życie harmonijnie współdziała z materią nieożywioną jako jedną całość 33 . Gaia to raczej symbiotyczny proces współpracy organizmów niż walka o przetrwanie. Broniąc nowej koncepcji, Margulis argumentuje, że neodarwinizm „należy odrzucić jako nieistotną sektę religijną w ramach heterogenicznego ruchu religijnego dwudziestowiecznej biologii anglosaskiej”. 34.
Christopher Wille z Uniwersytetu Kalifornijskiego zaproponował, że geny ewoluowały w celu zwiększenia ich zdolności do samodoskonalenia 35 . Wychodząc od tradycyjnych poglądów naukowych, Wille wyraża pogląd, że poszczególne złożone układy wysoko zorganizowanych organizmów są wynikiem rozwoju w genach pewnej „mądrości”, która pozwala im pełnić coraz bardziej złożone funkcje w procesie ewolucji. Nie podaje mniej lub bardziej przekonujących dowodów, lecz wnioski wyciąga na podstawie licznych przykładów istnienia złożonych mechanizmów genowych w organizmach rozwiniętych. Żywe systemy są niewątpliwie niezwykle złożone, niewiele jednak przemawia za twierdzeniem, że taka „mądrość” wyewoluowała samoistnie.
Badania komputerowe również zmierzają w tym samym kierunku intelektualnym, a ich celem jest odkrycie, jak mogłoby się zorganizować życie. Jak już wspomniano, 36 druga zasada termodynamiki zakłada stałą tendencję Wszechświata do nieporządku. Teoria ewolucji sugeruje coś przeciwnego, a badania komputerowe stoją przed wyzwaniem wyjaśnienia, jak to wszystko mogło się wydarzyć 37 . Aby rozwiązać ten problem, badacze tworzą w komputerze wirtualny świat biologiczny. Znane każdemu wirusy komputerowe zawierają pewne elementy takiego „życia stworzonego przez człowieka”. Programy odnotowują wyniki wpływu modelowanych czynników, takich jak zmienność, konkurencja i dobór naturalny. Naukowcy mają nadzieję, że takie badania będą w stanie wyjaśnić samoorganizację oczekiwaną od ewolucji. Twórcy tych programów donoszą o pewnym sukcesie, ale nawet w tym uproszczonym „krzemowym wszechświecie” istnieje wiele czynników komplikujących.
Praca ta koncentruje się wokół Instytutu Santa Fe w Nowym Meksyku; kilku kolejnych specjalistów pracuje w innych ośrodkach badawczych. Badają pochodzenie złożonych struktur z szerszej perspektywy, w tym ewolucji, ekologii, systemów ludzkich i Gai. Trwają poszukiwania jakiegoś uniwersalnego wyjaśnienia powstawania złożonych struktur. Naukowcy doszli do pewnego porozumienia w tym sensie, że złożone struktury powstają „na krawędzi chaosu”. Wniosek ten opiera się na fakcie, że wysoce zorganizowane i stabilne systemy, takie jak kryształy, działają według ustalonego wzorca i nie generują niczego nowego. Z drugiej strony systemy całkowicie chaotyczne, takie jak gorący gaz, są zbyt bezkształtne i pomieszane, aby mieć wpływ na wyniki. Dlatego złożone systemy muszą ewoluować pomiędzy tymi dwoma skrajnościami, na granicy chaosu.
Praca Instytutu Santa Fe była krytykowana z kilku punktów widzenia. Nadzieje na uniwersalne wyjaśnienie istnienia złożonych struktur są bardzo nikłe 38 . Niektórzy naukowcy uważają, że do wyjaśnienia złożonych struktur wystarczy jedynie dobór naturalny i że inne wyjaśnienia nie są konieczne 39 . Inni wyrażają obawę, że uproszczenie może przynieść zrozumienie kosztem rzeczywistości 40 . Wybitny ewolucjonista John Maynard Smith scharakteryzował ten typ sztucznego życia jako „naukę zasadniczo pozbawioną faktów” 41, a ekolog Robert May uważa prace instytutu za „interesujące matematycznie, ale nieistotne biologicznie” 42. Najostrzejsze strzałki krytyczne płyną z logiki, która uczy, że „nie jest możliwe potwierdzenie modeli numerycznych układów przyrodniczych, gdyż złożone układy przyrodnicze nie są zamknięte” 43 . Nigdy nie możesz być pewien, że masz wszystkie informacje.
Inne podejście zaprezentował słynny francuski zoolog Pierre Grasset, autor pracy pt Ewolucja organizmów żywych 44 . Grasset, były prezes Francuskiej Akademii Nauk i redaktor 35-tomowej monografii zoologii, dobrze zna organizmy żywe. Jest bardzo krytyczny wobec niektórych współczesnych koncepcji ewolucyjnych i kategorycznie zaprzecza znaczeniu mutacji i selekcji dla ewolucji. Wyjaśniając luki pomiędzy głównymi grupami organizmów, P. Grasse sugeruje istnienie specjalnych genów i specjalnych aktywności biochemicznych, zgadza się jednak, że ewolucja jest tajemnicą, o której niewiele wiadomo. Dochodzi do następującego wniosku: „Być może w tym obszarze biologii nie ma innego wyjścia: w takim razie tylko metafizyka” 45.
Powiązana informacja.
Jak nauczyć się określać czas porównując cząsteczki? Obecnie rozwój biologii molekularnej, bioinformatyki i genomiki umożliwia znalezienie nowych podejść do badania centralnego zagadnienia wszelkich nauk biologicznych - problemu ewolucji systemów żywych. Jednym ze znaczących wkładów tych stosunkowo młodych dyscyplin w rozwój tej dziedziny jest metoda szacowania czasu dywergencji ewolucyjnej taksonów – tzw. metoda „zegara molekularnego”.
Rozwój systematyki molekularnej
Pomysł wykorzystania biomolekuł do określenia stopnia pokrewieństwa między gatunkami, podobnie jak wiele innych ważnych idei w biochemii ubiegłego wieku, przyszedł do głowy Linusowi Paulingowi ( Linusa Paulinga). Zaproponowane przez niego i jego kolegę Emila Zuckerkandla ( Emila Zuckerkandla) w 1965 roku koncepcja była dość prosta i opierała się na mniej więcej tych samych zasadach, na których opiera się taksonomia morfologiczna. Naukowcy doszli do wniosku, że im większe podobieństwo między biocząsteczkami syntetyzowanymi przez organizmy, tym bardziej filogenetycznie podobne są same organizmy i odwrotnie. W pierwszych eksperymentach mających na celu zbadanie tego zagadnienia Pauling i jego współpracownicy zbadali niektóre cechy biochemiczne (takie jak masa cząsteczkowa i ruchliwość elektroforetyczna) hemoglobiny wyizolowanej z krwi przedstawicieli różnych taksonów. W rezultacie okazało się, że hemoglobina człowieka i goryla różni się znacznie mniej niż hemoglobina konia. Jeszcze dalej od tej grupy znajdowały się hemoglobiny kurze, a największe różnice zaobserwowano w przypadku białek wyizolowanych z krwi ryb. Łatwo zauważyć, że wnioski wyłaniającej się systematyki molekularnej w tym przypadku całkowicie pokrywały się z ustalonymi ideami morfologów. Oczywiście wynik ten całkowicie zadowolił badaczy.
Właściwie czas dywergencji taksonów przy tej metodzie wyznaczany jest na podstawie dwóch parametrów: przybliżonego tempa akumulacji zmian w określonych biomolekułach oraz bezpośredniej liczby tych zmian (różnice pomiędzy biomolekułami taksonów, których czas dywergencji jest badacz stara się ustalić). Im wcześniej gatunki się rozdzieliły, tym więcej akumulowały różnic w sekwencjach biopolimerów. Znając liczbę różnic i szybkość ich pojawiania się, możemy obliczyć czas, w jakim powstały. Jest to jednak tylko teoria, a w praktyce oba te wskaźniki są dość trudne do dokładnej oceny.
Rycina 1. Drzewo filogenetyczne trzech hipotetycznych gatunków A, B i C. Gatunki te mają wspólnego przodka X. Gatunki B i C mają nowszego przodka Y.
Jedną z pierwszych prób kalibracji zegara molekularnego podjęto pod koniec lat 60. XX w. dzięki pracy Vincenta Saricha ( Wincenty Sarich) i Alana Wilsona ( Alana Wilsona), którzy badali wzajemne powinowactwo immunoglobulin różnych rodzajów i gatunków naczelnych. Podobnie jak Pauling badacze ci pracowali z białkami. Najpierw wyizolowano białka z trzech różnych taksonów. Dla uproszczenia nazwijmy je A, B I C(ryc. 1). Co więcej, wiadomo, że B I C ewolucyjnie bliżej siebie niż do A. Dla każdego białka uzyskano przeciwciała, po czym zbadano powinowactwo tych przeciwciał do „obcych” białek. Pierwsze przeciwciała przeciwko białku A testowany pod kątem powinowactwa do białek W I Z, po czym przeciwciała przeciwko białkom W I Z testowano pod kątem powinowactwa do białka bardziej odległego ewolucyjnie A. Ich celem było określenie poprawności hipotezy, że tempo akumulacji zmian w cząsteczkach białek jest stałe dla badanego gatunku. Badania te nie obaliły tej hipotezy, ponieważ wykazały, że tempo akumulacji zmian w linii „ W” okazało się takie samo, jak tempo akumulacji zmian w linii „ Z”od chwili ich rozbieżności. Następnie naukowcy zasugerowali, że znając czas rozbieżności linii „ W" I " Z” na podstawie danych paleontologicznych można skalibrować powstały zegar molekularny, a następnie datować rozbieżność taksonów, badając jedynie ich biomolekuły. Szybko jednak stało się jasne, że nie jest to takie proste, gdyż próby przeprowadzenia takich operacji zakończyły się niepowodzeniem – szacunki molekularne bardzo różniły się od danych paleontologicznych.
Jednak mimo wszystko technika zegara molekularnego była szeroko stosowana we wczesnych stadiach molekularnych badań filogenetycznych. W szczególności wykorzystano go do oszacowania czasu dywergencji dużych taksonów. Na przykład Dickerson badał zmiany ewolucyjne w hemoglobinie i ustalił, że rośliny, zwierzęta i grzyby rozdzieliły się około 1–1,2 miliarda lat temu. Wykorzystując sekwencje tRNA i 5S RNA McLaughlin i Dayhoff oraz Kimura i Ota oszacowali czas dywergencji pro- i eukariontów, uzyskując wynik rzędu 2-2,6 miliarda lat temu. Jak już wspomniano, wszystkie te szacunki charakteryzują się dużymi błędami, ale nie różnią się zasadniczo od szacunków dokładniejszych współczesnych badań.
Nieco inne podejście do określania stopnia pokrewieństwa gatunków za pomocą metod molekularnych przyjęli Britten i Cohn w 1968 roku. Istotą ich metody było porównanie całego DNA badanego gatunku na raz. Dokonano tego w następujący sposób: najpierw zdenaturowano cząsteczki genomowego DNA, a następnie jednoniciowe cząsteczki połączyły się ze sobą. Następnie badano powstały heterodupleks. Logika była następująca: im więcej energii trzeba wydać, aby zdenaturować powstały dupleks (im silniejszy dupleks), tym bliżej siebie znajdują się gatunki, ponieważ jest oczywiste, że stabilność takiego hybrydowego DNA zależy bezpośrednio na temat podobieństwa dwóch częściowo komplementarnych nici.
Wyniki tych badań nie były zbyt imponujące, ponieważ w tamtym czasie nadal nie było jasnego zrozumienia, że genom składa się z czegoś więcej niż tylko unikalnego DNA. Obraz został zepsuty przez wszelkiego rodzaju powtórzenia genomu, których liczba i wielkość, jak się okazało, słabo korelowały ze stopniem różnicy między gatunkami (nawiasem mówiąc, praca ta wniosła poważny wkład w ich badania). Pojawianie się i znikanie powtórzeń jest procesem nieprzewidywalnym, który może być spowodowany ogromną liczbą różnych przyczyn. Co więcej, naiwnym założeniem jest założenie, że liczba powtórzeń zmienia się w stałym tempie u wszystkich gatunków w dowolnym momencie historii.
Już w latach 70. ubiegłego wieku stało się jasne, że jeśli dostępne wówczas metody systematyki molekularnej nadawały się do klasyfikacji obiektów odległych ewolucyjnie, to w przypadku gatunków blisko spokrewnionych porównywanie białek i całych genomów ujawnia oczywiste nieścisłości i daje niewiarygodne wyniki . Okazało się na przykład, że różnice biochemiczne między szympansami a ludźmi są tak małe, że na podstawie samych różnic nie da się oddzielić jednego gatunku od drugiego. Stało się jasne, że w celu uzyskania dokładniejszych wyników konieczne było poszukiwanie i porównywanie określonych sekwencji DNA
DNA: które kawałki lepiej porównać?
Jak już wspomniano, jednym z najdelikatniejszych punktów techniki zegara molekularnego jest określenie tempa akumulacji zmian, którego dokładne oszacowanie jest dość problematyczne. Ponadto w większości przypadków dla wygody prędkość tę uważa się za stałą przez cały czas od rozbieżności badanego gatunku i nie zawsze można o tym mówić. Idea stałego tempa akumulacji mutacji była dla klasycznych ewolucjonistów całkowicie niezrozumiała. Rzeczywiście, zgodnie z ogólnie przyjętą wówczas syntetyczną teorią ewolucji, tempo ewolucyjnych zmian gatunków jest zdeterminowane czynnikami środowiskowymi i intensywnością doboru naturalnego, a zatem po prostu musi się zmieniać, ponieważ warunki środowiskowe zmieniają się w zmienna prędkość.
Pierwsze pomysły na rozwiązanie istniejącej sprzeczności zaproponował japoński biolog Motu Kimura ( Moto Kimura), który sformułował tzw. „neutralną teorię” ewolucji molekularnej. Założono, że większość zmian w sekwencji genomowego DNA nie ma wpływu na fenotyp osobników i w związku z tym nie podlega selekcji naturalnej. Co ciekawe, z tego powodu koncepcję Kimury przez pewien czas uważano za sprzeczną z klasycznym darwinizmem. Jednak teraz jest oczywiste, że nie ma sprzeczności.
Faktem jest, że selekcja działa przede wszystkim na poziomie struktury cząsteczek białka. W końcu, aby organizm mógł normalnie istnieć, jego białka muszą działać prawidłowo, a jest to niemożliwe, jeśli w cząsteczkach białka kumuluje się zbyt wiele zmian strukturalnych. W rezultacie umierają organizmy syntetyzujące wadliwe białka, a przeżywają tylko te, których cząsteczki białka funkcjonują normalnie i nie zawierają krytycznej liczby rearanżacji. Ale, jak się okazuje, brak różnic w cząsteczkach białek gatunków wcale nie oznacza, że tych różnic nie ma w sekwencjach DNA.
Aparat genetyczny komórki jest zaprojektowany w taki sposób, że nie wszystkie sekwencje DNA wpływają bezpośrednio na strukturę białek (a co za tym idzie na fenotypowe przejawy cech podlegających selekcji). Obecnie powszechnie wiadomo, że średnio u organizmów eukariotycznych liczba genów strukturalnych może wahać się od 10% do 40% całego genomu. Pozostałe sekwencje reprezentowane są przez międzygenowe przerywniki, regiony regulatorowe, elementy ruchome i powtórzenia heterochromatyczne, czyli mutacje, w których nie zawsze wpływają one na fenotyp osobnika i w większości okazują się neutralne.
Oczywiście pomysły te nie pojawiły się od razu. W latach 30. XX wieku wierzono, że w chromosomach znajdują się same geny, połączone ze sobą liniowo niczym koraliki na sznurku. Rozważania te cieszyły się szczególną popularnością w okresie aktywnych badań chromosomów polietylenowych Drosophila, które charakteryzują się charakterystycznymi prążkami poprzecznymi. Przez pewien czas uważano, że poprzeczne paski na takich chromosomach to geny obserwowane bezpośrednio pod mikroskopem świetlnym. W latach 60. stało się jasne, że między genami istnieje wiele sekwencji nukleotydowych, które uznano wówczas za „śmieciowe”, ale w połowie lat 70. stało się jasne, że delikatna struktura samego genu jest taka, że nie wszystkie jego sekcje mają bezpośredni wpływ na geny. fenotypowa manifestacja cechy (ryc. 2). W końcu geny zawierają eksony (regiony kodujące) i introny (regiony usuwane podczas przetwarzania pre-mRNA). Jest całkiem naturalne, że tempo zmian w funkcjonalnie różnych sekwencjach powinno się różnić, ponieważ regiony genomu ważne dla normalnego istnienia organizmu w naturalny sposób okażą się bardziej konserwatywne, a mniej znaczące regiony będą akumulować zmiany intensywniej.
Rycina 2. Ewolucja pomysłów na temat struktury genu. A - 30. Chromosomy to łańcuchy genów. B - lata 60. Geny na chromosomach są oddzielone przerywnikami i regionami heterochromatycznymi. V - Nasze dni. Geny zawierają introny, które są usuwane z pre-mRNA poprzez splicing.
Zegar molekularny: wiele wskazówek i wszystkie poruszają się z różnymi prędkościami!
W latach 80. XX wieku, wraz z gromadzeniem się danych na temat sekwencji DNA genomów różnych organizmów, wzrosła liczba sprzeczności dotyczących techniki zegara molekularnego. W swojej pracy z 1986 roku Britten doszedł do wniosku, że różne grupy żywych organizmów mogą akumulować zmiany molekularne w różnym tempie. W szczególności doszedł do wniosku, że gryzonie, czyli myszy i szczury, ewoluowały zauważalnie szybciej niż inne grupy ssaków, a np. małpy człekokształtne wręcz przeciwnie, charakteryzowały się niskim tempem ewolucji molekularnej (nagromadzone substytucje neutralne wolniej). Sam Britten był skłonny wyjaśnić to faktem, że grupy te mogły różnić się systemem naprawy DNA, co prowadziło do różnicy w tempie akumulacji mutacji neutralnych. Badania te wykazały jednak, że tempo podstawień nukleotydów jest proporcjonalne do liczby pokoleń, jakie upłynęły od rozejścia się badanych taksonów, a nie do bezwzględnego czasu, jaki upłynął od tego czasu, co skomplikowało zastosowanie metody zegara molekularnego w badaniach, gdyż wprowadzało dodatkowe nieścisłości.
Mniej więcej w tym samym czasie naukowcy o krótkich nazwiskach Wu i Li przyjęli założenie, że w liniach gryzoni i małp człekokształtnych liczba synonimów (nieprowadzących do podstawienia aminokwasów, a zatem nie wpływających na fenotyp) i niesynonimicznych mogą z jakiegoś powodu różnić się podstawieniami nukleotydów. Udało im się to nawet potwierdzić w swojej pracy, w której wykazali, że liczba substytucji synonimicznych u gryzoni jest dwukrotnie większa niż w linii naszych przodków. Dane te potwierdziły potrzebę porównywania nie bezwzględnych okresów czasu, ale liczby pokoleń, które upłynęły od rozbieżności.
Jednak wnioski te zostały zakwestionowane przez pracę Estila, który argumentował, że przyczyną rozbieżności we wskaźnikach akumulacji mutacji było błędne oszacowanie czasu rozbieżności wspólnych przodków linii gryzoni i małp człekokształtnych. Jednak w kolejnych pracach Lee wykazano, że istnieje różnica w tempie akumulacji podstawień w intronach niektórych genów u małp Starego Świata i ich humanoidalnych krewnych.
Porównania tempa ewolucji molekularnej różnych loci przeprowadzono także na innych obiektach. W szczególności wykazano, że gen dehydrogenazy alkoholowej u hawajskich przedstawicieli rodzaju Drosophila zmienił się zauważalnie szybciej w porównaniu z tym samym genem w D. pseudoobscura. Albo na przykład wiadomo, że z jakiegoś powodu geny strukturalne mitochondriów zmieniają się zauważalnie wolniej u ryb niż u ssaków. A ostatnio za pomocą molekularnej analizy filogenetycznej udało się nie tylko oszacować czas, jaki upłynął od rozejścia się opsyn odpowiedzialnych za widzenie w różnych taksonach świata zwierzęcego, ale także udowodnić sam fakt pojawienie się wzroku, denerwując w ten sposób przeciwników idei ewolucji biologicznej, którzy uważają, że pojawienie się nowych funkcji w procesie doboru naturalnego jest niemożliwe ze względu na nieżywotność form przejściowych.
Projekt genomu człowieka
Według CENTRALNEGO DOGMATU BIOLOGII MOLEKULARNEJ,
Podstawowy program procesów chemicznych zachodzących w każdym organizmie (w tym w organizmie człowieka) zapisany jest w sekwencji par zasad cząsteczki DNA. W pewnym sensie, jeśli znasz kolejność par zasad, mówi ci to wszystko o reakcjach chemicznych i informacji genetycznej danego gatunku. W 1986 roku grupa naukowców w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła prace nad projektem nazwanym później Human Gene Project. Celem tego projektu było zmapowanie pełnej sekwencji (genomu) ludzkiego DNA. Jednak w latach 80. technologia była zbyt prymitywna, aby rozwiązać ten problem. Zakładano, że projekt będzie kosztował miliony dolarów, a realizacja zadania nastąpi dopiero w 2005 roku.
W tamtym czasie projektowi sprzeciwiało się wielu biologów, którzy przeczuwali, że będzie mu towarzyszyć wtargnięcie w ich dziedzinę jakiejś struktury korporacyjnej, czyli Wielkiej Nauki, która wcześniej charakteryzowała się małymi grupami badawczymi pracującymi pod kierunkiem kierownictwo głównego naukowca laboratorium. Biolodzy poważnie obawiali się, że wszyscy będą zmuszeni do wykonywania nieskończonej liczby nudnych operacji na ludzkim DNA. Jak powiedział mi jeden z młodych doktorantów: „Nie chcę stawiać na szali życia, próbując określić sekwencję chromosomu 12 od 100 000 par zasad do 200 000 par zasad”. Obawy te zostały rozwiane wraz z pojawieniem się nowych technologii, które umożliwiły przeniesienie rutynowych prac związanych z sekwencjonowaniem na maszyny.
Lata 90. XX wieku zapisały się w historii jako lata ciągłego doskonalenia naszej zdolności do sekwencjonowania całych genomów. I tak w 1985 roku Instytut Badań Genomicznych w Rockville w stanie Maryland opublikował pierwszą kompletną sekwencję DNA żywego organizmu - bakterii Haemophilus influenzae. Ustalenie całej sekwencji zajęło naukowcom kilka lat.
Wkrótce po tej bakterii pojawiły się inne organizmy. W 1996 roku określono pierwszy genom komórki eukariotycznej (czyli złożonej komórki, której DNA zawarte jest w jądrze) - komórki drożdży Saccharomyces cerevisiae. Odkrycie to było zwieńczeniem wspólnych wysiłków sześciuset naukowców z Europy, Ameryki Północnej i Japonii. W 1998 roku opublikowano pierwszą sekwencję DNA organizmu wielokomórkowego, płazińca Caenorhabditis elegans. Każde takie osiągnięcie wymagało wyznaczenia coraz dłuższej sekwencji i było ważnym kamieniem milowym na drodze do ustalenia samego ludzkiego genomu.
Ważną postacią w tym procesie był Craig Venter, który później założył prywatną korporację Celeron. Venter wprowadził do nauki metodę określania sekwencji DNA, nazwaną później „metodą rozwiązłą”.
strzelanie." Istota metody polega na tym, że wyznaczony DNA organizmu dzieli się na wiele małych fragmentów, z których każdy wprowadzany jest do maszyny ustalającej sekwencję DNA. Coś podobnego stanie się, jeśli podarsz książkę strona po stronie i rozdasz ją różnym czytelnikom. Po ustaleniu sekwencji każdego fragmentu uruchamiane są bardzo złożone programy komputerowe, które mają na celu ponowne złożenie oryginalnej sekwencji. To intensywne wykorzystanie technologii informatycznych wyjaśnia, dlaczego wielu naukowców nazywa nową dziedzinę badań genomu rewolucją bioinformatyczną, a nie rewolucją biomolekularną.
W czerwcu 2000 roku Craig Venter i Francis Collins, dyrektor projektu poznania ludzkiego genomu w Narodowym Instytucie Zdrowia, ogłosili coś, co nazwali „pierwszym złożeniem ludzkiego genomu”. Zasadniczo była to pierwsza losowa rekonstrukcja całego ludzkiego genomu. Kilka miesięcy później, w lutym 2001 roku, opublikowano pierwszy wstępny projekt ludzkiego genomu. Na światło dzienne wyszły pewne zaskakujące fakty.
Na przykład od dawna wiadomo, że większość ludzkiego DNA nie jest częścią genów. Nowe wyniki pokazują, że ludzkie DNA zawiera zaskakująco małą liczbę genów – rzędu 30 000–50 00. (mówię „zaskakujące”, ponieważ naukowcy spodziewali się znacznie wyższych wymagań wobec struktury genetycznej tak złożonego organizmu, jakim jest człowiek). Jednakże geny te nie są zorganizowane w jedną długą sekwencję, ale składają się z regionów kodujących zwanych eksonami przeplatanych losowymi sekwencjami zwanymi intronami. Okazuje się, że aparat składający białko kodowane przez gen o sekwencji opisanego typu wybiera jedną z kilku opcji składania białka. Zatem każdy ludzki gen koduje w przybliżeniu trzy różne białka, a nie tylko jedno, jak można by oczekiwać na podstawie głównego dogmatu biologii molekularnej.
Można uznać, że już w pierwszym etapie Projektu Poznania Ludzkiego Genomu udało się rozszyfrować księgę życia. Następnym krokiem jest ustalenie, czym są wszystkie geny i w jaki sposób kodowane przez nie białka łączą się, tworząc biologiczny portret osoby. Naukowcy szacują, że zdobycie wszystkich danych i zrozumienie wszystkich mechanizmów wdrażania ludzkiego genomu zajmie kolejne stulecie.
Uważam, że ta ocena jest bardzo pesymistyczna – być może dlatego, że bardziej niż oni wierzę w zdolność tych ludzi do radzenia sobie ze złożonymi problemami prowadzącymi do odkryć. Tak czy inaczej zmierzamy w kierunku zrozumienia pełnego profilu genetycznego danej osoby, co będzie miało ogromne konsekwencje dla medycyny i dobrostanu człowieka.