Muokataan osiota sivusta Eliömaailma rappeutuu (kirja)

== Luku 9: Voiko luonnonvalinta luoda? ==

Jos jätetään kaikki vahingolliset mutaatiot huomiotta, voisiko siinä tapauksessa mutaatioiden ja luonnonvalinnan kautta syntyä uusi toimiva geeni? Yksi toimiva geeni kuvaa kirjan lukua tai toiminnallista ohjelmaa ja on vähintään 1000 kirjainta pitkä. Tällaisen tuhannen kirjaimen mittaisen geenin synnyssä on kuitenkin ongelmansa.

=== 1. Ensimmäisen halutun mutaation määrittely ===

Yksittäisellä nukleotidilla ei ole merkitystä yksinään, vaan vain ympäröivien nukleotidien kontekstissa samalla tavalla kuin kirjoitetussa tekstissä yksittäisellä kirjaimella ei ole yksinään mitään erityistä merkitystä. [[Eliömaailma_rappeutuu_(kirja)#Luku_2:_Ovatko_sattumanvaraiset_mutaatiot_hyviä|Kokoamisohjeanalogiasta]] näkyy myös, että nykyisessä kontekstissa mahdolliset hyödylliset muutokset ovat hyvin vähäisiä. Uutta geeniä luotaessa on kuitenkin tarkoitus muuttaa laajemmin kontekstia. Samalla kun yksittäistä nukleotidia pyrittäisiin kehittämään ympäröivien nukleotidien kontekstissa, tuhotaan tätä kontekstia kyseisen nukleotidin ympäristössä, sillä muitakin nukleotideja täytyy muuttaa.

=== 2. Ensimmäistä mutaatiota odotellessa ===

Jos kuitenkin oletamme, että ensimmäinen haluttu mutaatio on selvillä, kuinka kauan sitä täytyisi odottaa? Yksittäisen nukleotidipaikan mutaationopeus on äärimmäisen pieni, karkeasti arvioituna yhteen tiettyyn nukleotidipaikkaan ihmisellä tulee yksi muutos 30 miljoonaa yksilöä kohden. Jos myös oletamme ihmisen evoluution tapahtuneen noin 10 000 yksilön populaatiossa, tarkoittaisi tämä yhden nukleotidipaikan muuttumisen vievän 3000 sukupolvea eli noin 60 000 vuotta. Kyseinen nukleotidi voi kuitenkin vaihtua myös kahteen muuhun nukleotidiin halutuun nähden, joten käytännössä aika tarvittaisiin kolme kertaa kauemmin – 180 000 vuotta. 

Mutaation tapahtuminen ei kuitenkaan vielä riitä, vaan sen pitää myös vakiintua populaatioon. Satunnaisen geneettisen ajautumisen takia ylivoimainen enemmistö mutaatioista ei vakiinnu populaatioon. Mutaation tulisi olla vallitseva ja tuottaa merkittävä etu, jotta valinta voisi valita sen puolesta, mutta tiedämme lähes kaikkien hyödyllisten mutaatioiden olevan lähes neutraaleja ja peittyviä. 

Jos valinta ei ole tehokasta, 10 000 yksilön populaatiossa olisi sattumalta vain yksi mahdollisuus 20 000 tuhannesta, että mutaatio vakiintuu populaatioon, sillä näin paljon on muuttumattomia nukleotidipaikkoja populaatiossa. Sanfordin ja hänen kollegojensa simulaatioiden perusteella 99% lievästi hyödyllisistä mutaatioista poistuu populaatiosta satunnaisen ajautumisen takia. 

Tavanomaisen hyödyllisen muutoksen tulisi siis tapahtua noin sata kertaa, ennen kuin se vakiintuu populaatioon. Tämä tarkoittaa, että aikaa tarvittaisiinkin 180 000 * 100 vuotta, eli 18 miljoonaa vuotta ensimmäisen halutun mutaation vakiinnuttamiseksi populaatioon. Oletus kuitenkin on, että ihminen on eronnut edellisestä simpanssin kanssa yhteisestä kantamuodosta kuusi miljoonaa vuotta sitten, joten aikaa ei ole ollut edes ensimmäisen halutun mutaation vakiinnuttamiseksi populaatioon. 

=== 3. Muita mutaatioita odotellessa ===

Kun ensimmäinen mutaatio on saatu vakiinnutettua populaatioon, täytyy myös loppujen 1000 muutoksen vakiintua populaatioon. Jokaisella näistä mutaatioista se vie noin 18 miljoonaa vuotta, eli kokonaisuudessaan 18 miljardia vuotta. Tämä on jo enemmän kuin mitä alkuräjähdyksestä on aikaa. Käytännössä myös useiden nukleotidien pitäisi muuttua kerralla ja vakiintua populaatioon, sillä yksittäinen nukleotidi ei vielä yksinään sisällä informaatiota. Jos valinta alkaa toimia esimerkiksi 12 nukleotidipaikan muututtua halutuiksi, niin odotusaika kasvaa tässä 10 000 yksilön ihmispopulaatiossa biljooniin vuosiin.

=== 4. Haldanen dilemman odotus ===

Mutaation tulee vakiinnuttuaan myös levitä koko populaatioon. 10 000 yksilön populaatiossa on 20 000 nukleotidipaikkaa, johon sen pitäisi levitä. Jos oletetaan hyvin voimakas valinta, joka levittää tätä mutaatiota 10% lisää populaatioon joka sukupolvi, menee 105 sukupolvea (1,1^105 = 20 000), että se on levinnyt populaatioon. Tällaista valintaa ei kuitenkaan yleensä ole. Jos mutaatio on peittyvä, sen leviäminen populaatioon vie vähintään 100 000 sukupolvea, vaikka se parantaisi sopeutuvuutta prosentilla<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = Patterson, C. | Nimeke = Evolution | Julkaisija = Comstock Publishing Associates, Ithaca, NY | Vuosi = 1999 | Kappale = | Sivu = | Selite = | Tunniste = }}</ref>.

Tätä ongelmaa kutsutaan tyypillisesti Haldanen dilemmaksi, sillä Haldanen<ref name="haldane1957" /> mukaan menisi keskimäärin 300 sukupolvea eli 6000 vuotta saada yksi uusi mutaatio leviämään populaatioon. Tämä arvio perustuu hänen arvioonsa siitä, mikä on vallitsevien ja peittyvien muutosten suhde. Tämän laskelman perusteella voisi siis 1000 muutosta levitä populaatioon oletettuna 6 miljoonan vuoden aikana, mutta nämä olisivat vain yksittäisiä toisistaan irrallisia hyödyllisiä mutaatioita, ei yhden uuden geenin luomiseen tarvittavia toisiinsa linkittyneitä muutoksia. 

Valinta voisikin vakiinnuttaa vain 1000 yksittäistä muutosta oletetun ihmisen kehityshistorian aikana, eikä useampia muutoksia voida valintainterferenssin takia valita yhtä aikaa. Tämä on erittäin vähän informaatiota – vähemmän kuin tavallisella verkkosivulla – eikä se riitä erottamaan ihmistä simpanssista. Ongelman ovat itsenäisesti todenneet Crow ja Kimura<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = Crow, J.F. and M. Kimura | Nimeke = An Introduction to Population Genetics Theory | Julkaisija = Harper and Row. NY, NY | Vuosi = 1970 | Kappale = | Sivu = 249 | Selite = | Tunniste = }}</ref>, ReMine<ref name="remine1993" />{{,}}<ref name="remine2005" /> ja Rupe ja Sanford<ref name="rupejasanford2013">{{Lehtiviite | Tekijä = Rupe, C.L. ja J.C. Sanford. | Otsikko = Using numerical simulation to better understand fixation rates, and establishment of a new principle: Haldane’s Ratchet | Julkaisu = ICC | Ajankohta = 2013 | Numero = | Sivut = | www = http://media.wix.com/ugd/a704d4_47bcf08eda0e4926a44a8ac9cbfa9c20.pdf | Viitattu = }} </ref>.

=== 5. Rekombinaatiota odotellessa ===

Voitaisiin ajatella, että sopivat mutaatiot tapahtuvat populaation eri yksilöissä ja sitten rekombinaatiossa ne yhdistyisivät, jolloin kehitys tapahtuisi nopeammin. Tähän liittyy kuitenkin kaksi ongelmaa:

Ensinnäkin ihmisen geeniperimä koostuu suurista 20 000 – 40 000 nukleotidin yksiköistä, joiden sisällä ei ole tapahtunut rekombinaatiota nykyihmisen olemassaoloaikana.<ref name="Gabriel2002">{{Lehtiviite | Tekijä = Gabriel, S.B. ym. | Otsikko = The structure of haplotype blocks in the human genome | Julkaisu = Science | Ajankohta = 2002 | Numero = 296 | Sivut = 2225-2229 | Tunniste = | Viitattu = }}</ref>{{,}}<ref name="Tishkoff" /> Näin ollen rekombinaatiota ei tapahdu yksittäisten nukleotidien tasolla. Toiseksi todennäköisyys sille, että näin rekombinaatiolla sekoittamalla saataisiin haluamamme 1000 nukleotidin geeni, on äärimmäisen pieni. Lisäksi tällainen rekombinaatio hajottaisi ketjuja nopeammin kuin synnyttäisi niitä, joten aikaa tarvittaisiin enemmän. 

=== 6. Loputtomat kelpoisuuslaaksot ===

Kun uusi geeni on kehittymässä, se tuottaa haittaa lajin menestykselle, eli laskee kelpoisuutta. Tästä evoluutioteoreetikot ovat yksimielisiä. Uuden geenin kehitys vaatii monia kokeiluja ja nämä ovat paljolti vahingollisia. Lisäksi puolivalmis geeni ei ole vielä hyödyllinen. Näin ollen populaatiot päätyvät kelpoisuuslaaksoihin, jossa kehittyvä laji tulee huonommaksi ennen kuin se voi kehittyä.

Kun yhdistetään hyvien mutaatioiden harvinaisuus Haldanen dilemmaan, havaitaan, että näistä kelpoisuuslaaksoista tulee erittäin pitkiä ja syviä, erityisesti kun evolutiivisia kehitysaskelia täytyy ottaa koko ajan. Kelpoisuuslaaksojen pitäisi kuitenkin olla lyhyitä ja matalia, jotta populaatiot eivät päätyisi sukupuuttoon. Kun tarkastellaan tilannetta koko perimän tasolla, on menossa lukuisia hyvin syviä kelpoisuuslaaksoja koko ajan, mikä osoittaa evolutiivista kehitystä vastaan.

=== 7. Monirajoitettu DNA ===

Kuvitellaan teksti, jossa on yksi viesti, kun se luetaan etuperin, toinen viesti, kun se luetaan takaperin, kolmas viesti, kun tekstistä luetaan vain joka toinen kirjain ja neljäs viesti, kun tekstin purkamiseen käytetään monimutkaista salauksenpurkualgoritmia. Tällainen viesti on monirajoitettu  ja monitoiminnallinen, eikä mikään kirjoitusvirhe voi sitä parantaa, vain tuhota. 

DNA:n monitoiminnallisuudesta on runsaasti näyttöä. Suurin osa ihmisen DNA-sekvensseistä koodaa kahta eri RNA:ta, joita luetaan molempiin suuntiin.<ref>{{Lehtiviite | Tekijä = Yelin, R. ym. | Otsikko = Widespread occurrence of antisense transcription in the human genome | Julkaisu = Nature Biotechnology | Ajankohta = 2003 | Numero = 21 | Sivut = 379-386 | Tunniste = | Viitattu = }} </ref> Monet DNA-sekvenssit koodaavat eri toimintoja riippuen siitä, mistä lukeminen aloitetaan, tai lähetti-RNAn silmukoitumisen perusteella. Lisäksi todennäköisesti kaikki sekvenssit DNA-koodissa vaikuttavat DNA:n kolmiulotteiseen rakenteeseen. 

=== 8. Palautumaton monimutkaisuus ===

Pieni leluvaunu -analogiassa voitaisiin ajatella pienen kehitysaskeleen olevan punaisen leluvaunun muuttuminen siniseksi kolmipyöräiseksi. Värin koodin muutoksen aikaansaava kirjoitusvirhe on helppo kuvitella – kunhan sininen maali on saatavissa ja koodattu. Myös yksi pyörä voi tippua pois, mutta kolmepyöräinen leluvaunu ei ole kolmipyörä, vaan rikkoutunut leluvaunu. Käytännössä muutos leluvaunusta kolmipyörään vaatisi koko kokoamisohjeen perusteellista uudelleenkirjoittamista.

Suurinta osaa osista pitää muuttaa radikaalisti, eikä toimivia välimuotoja ole, joten analogian laadunvalvoja valitsisi haluamiamme muutoksia vastaan, koska se ei näe tulevaisuutta. Oikean kirjoitusvirhekokonaisuuden tulisi siis sattumalta ilmestyä kerralla, eikä näin koskaan tapahdu – muutokset voivat syntyä vain älykkään toiminnan tuloksena. 

Yksinkertaisimmassakin proteiinissa on paljon enemmän monimutkaisuutta kuin leluvaunussa, joten palautumatonta monimutkaisuutta on myös paljon enemmän. Proteiinien perustana olevassa geneettisessä koodissa monimutkaisuutta on vieläkin enemmän. Pelkästään DNA:n design on hämmästyttävä, puhumattakaan muusta molekyylikoneistosta.

Yksittäinen geeni käsittää kaikkine säätelyosineen ja arkkitehtuuriin liittyvine elementteineen noin 50 000 osaa – enemmän kuin monessa nykyaikaisessa autossa. Kuitenkin tämä on vain hyvin pieni osa koko solun monimutkaisuutta, jossa on palautumatonta monimutkaisuutta palautumattoman monimutkaisuuden päällä. Voimme tehdä hyvin pieniä keinotekoisia geenejä, mutta emme täysin uutta geeniä aiemmin tuntemattomalle proteiinille ja saada sitä toimimaan solussa. Kuinka sitten sattumanvaraiset muutokset yhdistettynä hyvin rajalliseen määrään lisääntymissuodattumista?

=== 9. Melkein kaikki hyödylliset mutaatiot ovat lähes neutraaleja ===

Lähes neutraalien mutaatioiden näkymättömyys valinnalle ja siitä seuraavat ongelmat on geneetikkojen parissa laajalti hyväksytty, mutta ei sen sijaan sitä, että hyödyllisillä mutaatioilla tämä lähes neutraaliuden ongelma on vielä pahempi. Toivomallamme geenillä on joitain vaikutukseltaan merkittäviä nukleotideja, esimerkiksi entsyymin aktiivisen keskuksen määräävät nukleotidit. Nämäkin ovat turhia ja valinnan ulottumattomissa ilman suuria määriä itsessään hyvin vähäisesti merkittäviä nukleotideja. Näitä nukleotideja ei voida asettaa eikä pitää paikallaan valinnan kautta, joten ensimmäisestäkään halutusta nukleotidista ei saada kiinni.

=== 10. Vahingolliset mutaatiot takaisin kuvaan ===

Rekombinaatio toimii ennemmin geenien, kuin nukleotidien tasolla, sillä ihmisen genomissa näkyy suuria DNA-ryhmittymiä, joissa ei ole tapahtunut nykyihmisen historian aikana rekombinaatiota<ref name="Gabriel2002" />{{,}}<ref name="Tishkoff" />. Tällaiset dna-ryhmittymät voivat joutua Müllerin säppipyörään,<ref name="muller64" />{{,}}<ref name="loewe2006" /> joka tarkoittaa, ettei haitallisia mutaatioita voida erottaa hyödyllisistä. Koska haitallisia mutaatioita on valtavasti enemmän kuin hyödyllisiä, kaikki tällaiset osat DNA:ta rappeutuvat. Vaikka joitakin hyödyllisiä mutaatioita saataisiinkin vakiinnutettua, haitalliset muutokset tekevät niistäkin selvää loppuja hyödyllisiä odotellessa. 

Valinnalla on myös hintansa. Hyödyllisten mutaatioiden valintaan voidaan kohdistaa valintaa vain, jos kaikki muut lisääntymishinnat on katettu, mukaan lukien haitallisten mutaatioiden poistamisesta johtuva hinta. Lyhyellä aikavälillä voidaan kohdistaa valintaa myös hyödyllisiin mutaatioihin, pitkän aikavälin kustannuksella. 

Mutaatiot eivät myöskään ole täysin satunnaisia, sillä osa genomista mutatoituu paljon useammin kuin toiset osat. Useimmin mutatoituvissa niin sanotuissa kuumissa pisteissä haluamamme mutaatio tulee nopeasti, mutta sillä välin kun odotetaan hitaasti mutatoituvissa paikoissa tapahtuvia muutoksia, ehtivät näissä kuumissa pisteissä nukleotidit vaihtua jo pois haluamistamme. Lisäksi monilla nukleotidipaikoilla on taipumus mutatoitua johonkin tiettyyn nukleotidiin, kuten T. Tämä auttaa silloin, kun T on haluttu, mutta hidastaa, kun A, C tai G on haluttu. Tämä edelleen hidastaa kehittävää valintaa. 

Vuonna 2002 julkaistun tutkimuksen<ref>{{Lehtiviite | Tekijä = Britten, R.J. | Otsikko = Divergence between samples of chimpanzee and human DNA sequences is 5% counting indels | Julkaisu = PNAS | Ajankohta = 2002 | Numero = 99 | Sivut = 13633-13635 | Tunniste = | Viitattu = }} </ref> mukaan ihminen ja simpanssi eroavat noin 150 miljoonassa nukleotidipaikassa 40 miljoonan mutaation seurauksena. Näin ollen sekä simpanssi että ihminen ovat saaneet noin 20 miljoonaa mutaatiota kehityslinjallaan, mutta vain noin 1000 näistä on voitu valinnalla levittää populaatioon – loput ovat kertyneet satunnaisen ajautumisen kautta. Vain noin 1000 hyödyllistä muutosta ja noin 20 miljoonaa vahingollista: tämä ei olisi vain tehnyt meistä kantamuotojamme huonompia, vaan olisi tappanut meidät sukupuuttoon.

=== Johtopäätökset ===

Geenien täytyy olla suunniteltuja, eivätkä ne ole voineet kehittyä. Suurimman osan käyttökelpoisesta vaihtelusta täytyykin olla suunniteltua. Sopeuttavaa valintaa kuitenkin tapahtuu, mutta se ei johdu satunnaisten mutaatioiden tuottamasta uudesta informaatiosta, vaan jo olemassa olevan vaihtelupotentiaalin puitteissa tapahtuvasta hienosäädöstä. Kyse on alunperinkin segregoitumaan ja rekombinoitumaan suunniteltujen rakenteiden segregoitumisesta ja rekombinoitumisesta. Tällä tavoin syntyy valtava määrä muuntelupotentiaalia, sillä jo yhden ihmisparin jälkeläisille voi tulla valtava määrä erilaisia muunnoksia. Tällaisen muuntelun kanssa luonnonvalintakin toimii tehokkaimmin. Samoin kuin järjestetyssä korttipakassa informaatio on suurimmillaan alussa ja monimuotoisuus useamman pelikierroksen jälkeen, ei ihmiselläkään alun jälkeen tarvita uutta informaatiota.