Eliömaailma rappeutuu (kirja)

ApoWikistä
Versio hetkellä 4. heinäkuuta 2020 kello 13.26 – tehnyt Philologos (keskustelu | muokkaukset) (Pikaoikolukua)

Eliömaailma rappeutuu – geneettinen entropia ja perimän salaisuus on eläkkeellä olevan Cornellin yliopiston genetiikan professorin John Sanfordin kirjoittama kirja, jossa hän käsittelee evoluutioteorian perusmekanismeja, mutaatiota ja luonnonvalintaa ja niiden kykyjä selittää luonnon nykyinen monimuotoisuus.

Johdanto

Kunkin eliön geeniperimä sisältää kaiken eliön elämäänsä tarvitseman informaation dna-koodissa. Dna koostuu pienistä nukleotideista kutsutuista molekyyleistä, joita kuvataan kirjaimilla A, C, T, ja G. Ihmisellä tämän koodi käsittää kaksi kolmen miljardin mittaista sarjaa. Tämän suoraviivaisen informaation lisäksi geeniperimässä on monia tietokoneohjelmalle tyypillisiä silmukoita ja haaroja. Jotkin genomin geenit säätelevät geenejä, jotka edelleen säätelevät muita geenejä. Dna onkin siis moniulotteinen ja itsesäätelevä monimutkainen kokonaisuus, jonka rinnalle ei riitä mikään ihmisen tuottama teknologia vertailukohdaksi. Kaiken lisäksi tämä informaatio on pakattu äärimmäisen pieneen tilaan solun tumaan.

Olennaisin kysymys DNA:oon liittyen on, mistä sen informaatio on tullut ja miten se pysyy olemassa. Evoluutioteorian mukaan selitys on mutaatio ja luonnonvalinta. Mutaation ja luonnonvalinnan toimintaa voidaan kuvata pienen leikkivaunun valmistusprosessilla, jossa ensimmäisen leikkivaunun valmistusohje kopioidaan sokeasti kirjain kerrallaan seuraavan vaunun valmistamiseksi. Vähitellen vaunujen valmistusohjeisiin tulee pieniä kopioijan tekemiä virheitä ja koska kukin valmistusohje kopioidaan aina edeltävästä seuraavan vaunun rakentamiseksi, virheet kerääntyvät. Valmistusohjeet hajoavat ja samalla hajoavat niiden perusteella tehtävät vaunut.

Valmistusohjeiden hajoamista estämään tulee kuitenkin luonnonvalintaa kuvaava laadunvalvontatuomari, joka valitsee suhteelliselta toimintakyvyltään parhaat vaunut seuraavalle kopiointikierrokselle. Huonojen vaunujen valmistusohjeita ei siis kopioidakaan. Joskus harvoin valmistusohjeeseen voi tulla myös muutos, joka on hyödyllinen. Välillä kopioija voi kopioida jonkin kappaleen, lauseen tai sivun kahteen kertaan, jolloin ohjeen koko voi kasvaa. Harmittomat ylimääräiset kopiot pääsevät tuomarin siivilästä läpi ja niihin saattaa kirjoitusvirheiden kautta kertyä uusien vaununosien informaatiota.

Näin meillä on mekanismi sille, kuinka pienestä leikkivaunusta voi ajan mittaan kehittyä avaruusalus. Avaruusaluskin on kuitenkin riittämätön kuvaamaan ihmisen monimutkaisuutta, joten analogia ei mene riittävän pitkälle. Olennaista on huomata, ettei tässä prosessissa älykkyyttä ole missään. Laadunvalvontatuomarilla ei ole tietoa tulevasta, sillä se kuvaa vain sitä, että jotkin yksilöt lisääntyvät enemmän kuin toiset.

Luku 2: Ovatko sattumanvaraiset mutaatiot hyviä?

Mutaatiot saavat aikaan suuria tragedioita, sillä esimerkiksi syövät ovat mutaatioiden seurausta. Valtioiden terveyspolitiikat keskittyvätkin mutaatioiden minimoimiseen. Evoluutioteorian mukaan mutaatiot ovat kuitenkin hyviä, sillä ne luovat geneettistä muuntelua.

Muuntelua on kuitenkin kahdenlaista: suunniteltua ja satunnaista. Suunniteltu muuntelu on esimerkiksi autojen lisävarusteet: niiden avulla voidaan saada aikaan muuntelua autossa. Monien eliöiden perimässä on nykyään ihmisen suunnittelemaa geneettistä vaihtelua. Satunnainen muuntelu on taas autossa ruostetta, hajonneita osia ja kiveniskemiä.

Satunnainen muuntelu, eli genomissa mutaatiot, ovat lähes aina vahingollista. Tämä näkyy hyödyllisten mutaatioiden äärimmäisenä harvinaisuutena, vaikka tutkijat ovatkin erittäin tarkkana näiden muutosten havaitsemiseksi. Merkittävimpiin esimerkkeihin kuuluvat antibiooteille vastustuskykyiset bakteeritkaan eivät ole kehittyneet, sillä tämän vastustuskyvyn aikaansaavat kromosomistomutaatiot vioittavat solun toimintoja, ja nämä bakteerit häviävät saman tien kilpailussa antibiooteista talttuville bakteereille, kun antibiootti poistetaan ympäristöstä.

Sanford ottaa esimerkiksi kuvitteellisen lentokoneen kokoamisohjeen osan:

Vaihe 6. Kun edellinen vaihe on valmis, toista vaihe 3, kunnes B-osa on 10,004 mm paksu. Sitten odota vähintään 3h, ennen kuin seuraavaan vaiheeseen voidaan siirtyä.

Tähän ohjeen osaan voidaan tuottaa yksittäisiä lyöntivirheitä niin, että niillä on kolmenlaisia vaikutuksia. Ensimmäisenä muutos voisi olla täysin merkityksetön, mutta tässä tapauksessa sellaisesta ei ole antaa esimerkkiä. Toiseksi lyöntivirheellä voisi olla hyvin vähäinen vaikutus, niissä kohdissa, joita ei ole alleviivattu. Kolmanneksi muutokset voivat olla merkittäviä – mitä ne olisivat alleviivatuissa kohdissa. Esimerkistä ei selviä, millainen muutos voisi kehittää kokoamisohjetta: mahdollisesti B-osan paksuus voisi muuttua muutamalla millimetrin tuhannesosalla. Tällainen muutos ei kuitenkaan luo uutta informaatiota, vaan vain säätää olemassa olevaa järjestelmää. Lisäksi haitallisia muutoksia olisi tällaista hienoisesti parantavaa muutosta kohdin moninkertaisesti enemmän.

Sama toimii eliöden genomeissa. Ihmisellä perimässä on kolme miljardia muutoskohtaa, mutta suurimmassa osassa näistä kohdista muutokset ovat vaikutukseltaan lähes neutraaleja. Tästä vallitsee populaatiogeneetikkojen parissa yksimielisyys kolmesta syystä:

  1. Missä tahansa tekstissä suurin osa pienistä muutoksista saa aikaan vain hyvin mitättömän vaikutuksen kokonaisuuden kannalta.
  2. Ihmisen geeniperimä käsittää 3 miljardia kirjainta: yhden muutos on vain yksi kolmasmiljardisosan muutos koko genomista
  3. Tämä on myös havaittu tutkimuksissa, joissa on tehty jokin tietty geenimuutos ja tarkkailtu sen vaikutuksia 1.

Täysin neutraaleja ne eivät kuitenkaan ole, sillä ENCODE-projektissa2 havaittiin, että perimä on 80%:sti toiminnallista. On olemassa teoreettisia perusteita sen puolesta, että loputkin perimästä olisi toiminnallista. Esimerkiksi olemassaolollaan yksittäinen dna-koodin kirjain vie tilaa ja kuluttaa energiaa solunjakautumisessa sen lisäksi, että se vaikuttaa DNAn toimintaan ja rakenteeseen. Eyre-Walker ja Keightley3 ovat myös todenneet, että kaikilla mutaatioilla täytyy olla vaikutusta.

Mutaatioiden jakautuvat siis tappavista hyödyllisiin. Naivi näkemys on, että mutaatioiden vaikutus on jakautunut normaalijakautuneesti niin, että neutraalin raja on jakauman keskellä. Tällaisen jakauman oletti esimerkiksi R. A. Fisher, luodessaan perustavaa luonnonvalinnan teoriaansa. Se on kuitenkin ilmiselvästi väärä, sillä hyödylliset muutokset ovat niin harvinaisia, että ne jätetään tällaisista kaavioista monesti pois. Yksi esimerkki tällaisesta on Kimuran4 kaaviosta muokattu5, jossa negatiivisten mutaatioiden jakauma lähenee asymptoottisesti kasvaen vaikutuksen nollalinjaa kohti, ja hyödyllisiä ei ole ollenkaan.

Kimuran kaaviossa on myös lähes neutraalien mutaatioiden alue, jossa tapahtuvia mutaatiota valinta ei näe. Ne eivät kuitenkaan ole vaikutukseltaan neutraaleja. Kimura johtaa tämän alueen koon populaation koosta, joka on vain minimiraja. Muller6 on esimerkiksi todennut, että genetiikasta riippumattomat tekijät vaikuttavat siihen, kuinka suuri osa mutaatioista päätyy valinnan ulottumattomiin.

Sanford on todennut, että genetiikan alan kirjallisuudessa arviot hyödyllisten mutaatioiden suhteesta vahingollisiin vaihtelevat välillä 1:1000 – 1:1000 000, niin, että parhaimmat arviot ovat lähempänä 1:1000 000:aa.7, 8. Todellisesta suhteesta ei edes voida tehdä tarkkoja laskelmia sen pienuuden takia.9, 10. Niitä kuitenkin on, mutta ne menevät kaikki Kimuran valinnan ulottumattomissa olevalle alueelle, eikä valinta näe niitä. Joillain äärimmäisen harvoilla hyödyllisillä mutaatioilla on niin merkittävä vaikutus, että valinta näkee ne, ne on kaaviossa merkitty nuolilla. Kaaviosta näkyy selvästi, että informaatiota tuhoavat mutaatiot jyräävät selvästi hyödyllisten yli.

Hyödylliset mutaatiot ovat kuitenkin evoluutioteorian ytimessä, joten viime vuosisadalla käytettiin huomattavia resursseja saamaan mutaatioilla aikaan hyödyllisiä muunnoksia. Kyse on siis mutaatiojalostuksesta, jota alettin harjoittaa sen jälkeen, kun havaittiin tietynlaisen säteilyn ja tiettyjen kemikaalien aiheuttavan mutaatioita. Evoluutioteorian perusteella runsas mutaatioiden määrä ja tehokas valinta kiihdyttäisi kehitystä merkittävästi.

Tämän jälkeen erityisesti kasveja altistettiin säteilylle ja kemikaaleille mutaatioiden aikaansaamiseksi ja sen jälkeen näistä pyrittiin seulomaan mahdollisesti syntyneet paremmat muodot. Valtavia määriä viljelykasveja käsiteltiin näin, ja aikaan saatiin lisääntymiskyvyttömiä, kitukasvuisia, sairaita tai muuten epämuodostuneita kasveja. Sato ei parantunut käytännössä lainkaan, vaikka tohtoritason tiedemiehet olivat ohjaamassa evoluutioprosessia.

Näin kävi, koska mutaatiot eivät tuottaneet hyödyllisiä muutoksia. Pari poikkeusta tällä kuitenkin saavutettiin: vähäfytaattinen maissi ja joitain koristekasveja. Vähäfytaattisella maissilla mutaatiot hajottivat fytaattia valmistavat solujärjestelmät, eikä maissi näin tuottanut enää fytaattia. Tästä oli etua, kun maissia käytetään karjan rehuna, mutta kyse on informaation tuhoutumisesta, ei uuden informaation synnystä. Koristekasvit tarkoittavat monia epämuodostuneita, täplikkäitä tai muuten värivirheellisiä, lisääntymiskyvyttömiä kasveja, joiden epämuodostumia pidettiin kauniina.

Miten evoluutioprosessi eli mutaatio ja valinta voisi toimia ilman älykästä ohjausta, jos se ei toimi edes ohjattuna? Epäonnistuneiden mutaatiojalostuskokeiden jälkeen samat tutkijat siirtyivät perinteiseen jalostukseen, jossa käytetään kasvien luontaista muuntelupotentiaalia. Tällä perinteisellä jalostuksella he saivat merkittäviä saavutuksia aikaan. Kuva on järkevä vain, jos perimän muuntelupotentiaali on käytännössä kokonaan suunniteltua, eikä mutaatioiden aikaansaamaa11 – vastaavalla tavalla kuin autoon voi tuottaa suunniteltua vaihtelua lisävarustein ja suunnittelematonta vaihtelua kiveniskemien, ruostumisen ja hajonneiden osien kautta.12

Bergman13 haki Biological Abstracts and Medlinestä tutkimuksia mutaatio-hakusanalla. Näitä löytyi yli 400 000, mutta vain 186 näistä käsitti sanan benefical – hyödyllinen. Näissäkin kaikissa oli kyse informaatiota tuhonneista muutoksista, jotka olivat hyödyllisiä. Joissain tutkimuksissa on havaittu suuria määriä hyödyllisiä mutaatioita, mutta näissä on kyse tasaisissa laboratorio-olosuhteissa hyödyttömien genomin osien tuhoutumisesta. Monien mikrobien perimästä jopa puolet koostuu geeneistä, joita tarvitaan vain tietynlaisessa elinympäristössä, joita ei laboratoriossa tarvita.14

Laboratorio-olosuhteiden vaikutus näkyy (Barrick et al., 2009; Lenski, 2011) Lenskin tutkimusryhmän tuloksista.15, 16 E. Coli -bakteerit sopeutuivat keinotekoiseen ympäristöön ja kasvoivat siinä hieman nopeammin. Tämä etu tuli kuitenkin siitä, että geenit tuhoutuivat. Bataillonin ja Baileyn17 tutkimus myös tukee mainittua mutaatioiden vaikutuksen totuudenmukaista jakaumaa.

Luku 3: Miten monta mutaatiota on liian monta?

Jos vahingollisia mutaatioita kertyy yksi ihmistä kohden sukupolvessa, pitkän aikavälin rappeutuminen on varmaa.18 Näin siksi, että valinnan on poistettava mutaatiot sitä mukaa kun niitä tulee, eikä valinnallisen karsimiseen ole käyttää kuin osa populaatiosta. Genetiikan kirjallisuudessa kerrottujen arvioiden mukaan kukin ihminen saa syntyessään keskimäärin 75-175 uutta mutaatiota perimäänsä19, 20, 21, 22, 23 , mutta tähän on laskettu vain genomiin tulevat pistemutaatiot.24


Pistemutaatioiden lisäksi mutaatioita tulee mitokondrioihin, joihin niitä on arvoitu tulevan 2,5 kappaletta nukleotidiasemaa kohti miljoonassa vuodessa25. Koska mitokondrion perimä on 16 500 nukleotidia pitkä, ja jos oletetaan 25 vuoden sukupolvi, tämä tarkoittaa yhtä mutaatiota mitokondrion perimässä ihmistä kohden.

Tämän lisäksi mutaatioita tulee mikrosateliitti-dna-osiin, joissa ne voivat aiheuttaa vakavia geneettisiä sairauksia.26 Näitä mutaatioita tapahtuu keskimäärin yksi yhtä tyypillisissä mutaatiovauhtia laskevissa tutkimuksissa huomioon otettua pistemutaatiota kohden.27

Aiempien lisäksi tapahtuu myös suurempia kromosomistomutaatioita, kuten deleetioita ja insertioita. Kondrashovin21 mukaan näitä tapahtuu neljä kutakin sataa pistemutaatiota kohden. Ne voivat kuitenkin vaikuttaa yhdestä miljoonaan nukleotidia, ja ne voivat poistaa nukleotideja kokonaan. Näin ollen muuttuvien nukleotidien määrä sukupolvessa ihmistä kohden on selvästi suurempi, kuin 204 – ja vieläkin on olemassa inversio- ja translokaatiomutaatioita, sekä konversioita, jotka voivat edelleen kaksinkertaistaa esitetyt luvut. Todelliseksi nukleotidimuutosten määräksi voidaankin perustellusti olettaa yli 1000 ihmistä kohden.28

Oletetaan kuitenkin käytännön vuoksi ja evoluutioteorian eduksi, että mutaatioita tapahtuu 100 ihmistä kohden sukupolvessa. Tällainen muutoksen määrä on erittäin pieni osa koko perimää, mutta kun lasketaan nykyään maapallolla elävät noin seitsemän miljardia ihmistä, ja jokaiselle näistä tulleet 100 uutta muutosta perimässä, on muutosten yhteenlaskettu määrä 700 miljardia. Kolmen miljardin kirjaimen perimässä tämä tarkoittaa, että jokainen mahdollinen nukleotidipaikka on keskimäärin mutatoitunut yli 200 kertaa. Kaikki mahdolliset pistemutaatiot ovat tapahtuneet jo nykyään elävien ihmisten parissa. Näiden mutaatioiden vaikutuksia ei kuitenkaan nähdä vielä, mutta ne tulevat tulevien sukupolvien aikana ilmi.

Kun mutaatioita kertyy paljon, se johtaa lopulta mutaatiosulamiseksi29 kutsuttuun ilmiöön, jossa populaation hedelmällisyys laskee, ja samalla valinnan vaikutusmahdollisuudet edelleen vähenevät. Valinta vaatii ylimääräistä populaatiota, josta voi karsia. Lopulta edessä on sukupuutto. Se uhkaa jo monia nykyisin uhanalaisia lajeja, ja samoin ihmistä vähän pidemmällä aikajänteellä.

Luku 4: luonnonvalinta

Vaikka ihmisten eliniät kasvavatkin yhteiskunnassa, mutaatiot rappeuttavat perimää nopeasti. Tästä vallitsee geneetikkojen parissa yksimielisyys, sillä mutaatioita kasautuu nopeasti ja valinta on heikkoa.30, 19

Monien ihmisten mielestä luonnonvalinta on kuitenkin taikasauva. Sen ajatellaan voivan tehdä mitä tahansa. Sanford muistelee myös itsellään olleen naivin yliarvioiva käsitys luonnonvalinnan toiminnasta genomin tasolla, jota on tutkinut vain osa populaatiogeneetikoista. He ovat huomattavan älykkäitä, mutta selvästi evoluutioteoriaan sitoutuneita. Heidän matemaattiset mallinsa ovat monimutkaisia, eivätkä biologit yleensä ymmärrä niitä. Tällaiset mallit kuitenkin perustuvat tiettyihin olettamuksiin, aksioomiin, joiden pätevyys ratkaisee laskelmien toimivuuden.

Evoluutioteorian perustavinta ongelmaa Sanford kutsuu prinsessa ja nukleotidi -paradoksiksi tunnetun lastensadun mukaan, jossa prinsessan kuninkaallisuus havaittiin siitä, ettei hän pystynyt nukkumaan, kun kolmentoista patjan alle oli pantu herne. Tämä kuvaa yksilön ilmiasun, eli fenotyypin ja yksilön geeniperimän eli genotyypin välistä eroa. Mutaatiot tapahtuvat genotyypissä molekyylitasolla, ja valinnan pitäisi pystyä valitsemaan näitä miljardeja muutoksia. Ainoa, mihin valinta kohdistuu, on kuitenkin eliön lisääntymistodennäköisyys. Luonnonvalinta ei koskaan näe yksittäisiä dna-koodin kirjaimia.

Tilanne onkin samankaltainen, kuin prinsessan, joka yrittäisi lukea mittavia sokeankirjoituksella kirjoitettuja kirjoja lukuisten patjojen läpi. Kaikkien mutaatioiden vaikutus ei toki ole sokeankirjoituspisteen kokoinen, vaan välillä se on merkittävämpi, kuten keilapallon kokoinen – tämä on kuitenkin äärimmäisen harvinaista, ja luonnonvalinnan toiminta tällaisia niin sanottuja keilapallomutaatioita vastaan on ilmeistä. Valtaisa enemmistö mutaatioista vaikuttaa kuitenkin kuin sokeankirjoituksen kirjain.

Nukleotidien ja yksilön välinen maailma ovat hyvin erilaiset. Osa tästä erilaisuudesta tulee koosta. Jos nukleotidista tehdään herneen kokoinen, tulee ihmisestä karkeasti otettuna 16 000 kilometriä pitkä. Yksittäinen nukleotidi ei myöskään suoraan vaikuta kuin tietyn geenin käännökseen, ja sitä kautta mRNA:n tuotantoon. Se vaikuttaa taas tietyn entsyymin määrään, joka vaikuttaa taas tiettyyn aineenvaihduntaväylään. Tämä voi edelleen vaikuttaa jonkin solun osaan, ja solun toiminta kudoksen toimintaan. Tämä voi edelleen vaikuttaa eliöön ja siihen todennäköisyyteen, miten tämä mutaatio siirtyy seuraavalle sukupolvelle.

Jokainen toiminnallisuuden taso heikentää mutaation vaikutusta kertaluokkia. Yksilön tasolla tapahtuvan valinnan ja genomissa tapahtuvien muutosten eroa voidaan kuvata uudenlaisella tavalla kehittää yliopiston biokemian oppikirjoja. Siinä jokaiseen kirjaan luodaan kaikenlaisia kirjoitusvirheitä, jotka vastaavat esimerkiksi pistemutaatioita, deleetioita ja insertioita. Tämän jälkeen parhaimmin menestyneiden opiskelijoiden kirjat kopioidaan seuraaville opiskelijoille, ja edelleen niihin tuotetaan vastaavia virheitä.

Tämä menetelmä ei kuitenkaan tuota parempia oppikirjoja, sillä virheiden merkitys menestyksen kannalta on hyvin pieni kaiken muun rinnalla, mitä opiskelijoiden menestykseen vaikuttaa (motivaatio, luokkahuoneet, opettajat, rakkauselämä jne.) Parhaat tulokset eivät synny vähävirheisimmän oppikirjan, vaan monien muiden syiden seurauksena. Nämä muut tekijät ovat kohinaa, joka estää kirjoitusvirheiden tehokkaan valinnan.

Jos tämän järjestelmän annetaan toimia pidempään, oppikirjat vioittuvat entisestään ja ennen pitkää oppimistulokset laskevat. Tekstin virheiden ja opiskelijoiden menestyksen välinen yhteys on suurelta osin olematon, eikä siksi oppikirjojen vioittumista voida estää. Tämä kuvaa hyvin evoluutioteorian toimintaperiaatetta – vielä sillä lisäyksellä, että tällainen mekanismi tuotti biokemian oppikirjan alunperinkin.

Prinsessa ja nukleotidi -paradoksia pahentaa edelleen homeostaasi-ilmiö, joka tarkoittaa sitä, että eliöt sopeutuvat erilaisiin ympäristöihin, esimerkiksi tasalämpöiset eläimet kylmään ilmastoon. Homeostaasi vaatii hyvin monimutkaista tunnistimien ja säätimien järjestelmää jokaisessa solussa, ja sen seurauksena yksittäisten mutaatioiden vaikutus edelleen vähenee. Tähän vertautuu se, että prinsessan patjat olisivat itseoikaisevia – vaikka patjojen alle pantaisiin tennispallo, ne oikaisisivat itsensä niin, ettei sitä pystyisi havaitsemaan.

Kun Mendelin periaatteet jälleen löydettiin 50 vuotta Mendelin jälkeen, havaittiin eliöissä olevan lukuisia toistaan erillisiä geneettisiä yksiköitä, ja että valinta on ongelmissa, jos näiden yksiköiden määrä kasvaa kovin suureksi. Tämä on prinsenssa ja nukleotidi -paradoksi, vaikka sillä nimellä ei tätä luonnollisesti kutsuttukaan.

Niinpä tutkijat keksivät määritellä populaatiot geenipooleiksi, jossa geenit ovat kuin varastossa ja valinta valitsee niistä parhaita yksitellen. Tämä suoranaisesti pelasti koko evoluutioteorian, mutta on täysin virheellinen: populaatiot ovat erittäin kaukana geenien varastosta.31

Jotta populaation määrittely geenipooliksi onnistuisi, on tutkijoiden täytynyt olettaa useita virheellisiä olettamuksia tosiksi:

  1. Oletettiin, että kukin nukleotidi valitaan ja peritään yksittäin, eli että genomissa ei ole yhteenliittymiä, joissa useampia nukleotideja perittäisiin kokonaisuuksina. Tällaisia yhteenliittymiä kuitenkin on olemassa.
  2. Nukleotidien välillä ei ole vuorovaikutusta (epistasia). Tätä on havaittu olevan.
  3. Populaatioiden koot oletettiin äärettömiksi. Ne eivät kuitenkaan ole sitä ilmiselvästi koskaan.
  4. Valinnalle oletettiin rajattomasti aikaa. Aikaa on kuitenkin rajallisesti.
  5. Oletettiin, että rajattomasti ominaisuuksia voidaan valita yhtä aikaa. (Sanford osoittaa tämän virheelliseksi myöhemmin kirjassa. Todellisuudessa vain kourallista ominaisuuksia voidaan valita tehokkaasti yhtä aikaa.)

Nämä olettamukset eivät vastaa biologista todellisuutta, jossa todelliset eliöt elävät. Näillä tutkijoilla oli kuitenkin Sanfordin mukaan valtava ”älyllisen auktoriteetin sädekehä”, jonka varjolla nämä olettamukset hyväksyttiin. Olivathan biologitkin evoluutioteoriaan uskovia, joten heistä oli vain hienoa, että saavat olla samaa mieltä populaatiogenetiikan gurujen kanssa, vaikka eivät pitäneetkään kuvausta populaatioista geenipooleina täysin järkevänä. Sanford itsekin muistelee hyväksyneensä tämän selityksen: hänhän tiesi evoluution olevan totta, joten ei ollut niin tärkeää, vaikka hän ei pitänytkään itseään riittävän fiksuna ymmärtämään populaatioita geenipooleina.32

Todellisuudessa populaatiot eivät ole geenipooleja, vaan geenit ovat sitoutuneet yksilöihin. Genomissa on myös isoja yhteen liittyneitä ryhmiä, joissa on 10 000:sta miljoonaan nukleotidia. Nämä ryhmät eivät hajoa koskaan, vaan niitä käsitellään aina yhtenä kokonaisuutena. Prinsessa ja nukleotidi -paradoksi on siis edelleen ratkaisematta. Se osoittaa yksinään evoluutioteorian virheelliseksi, mutta on vasta ongelmien alkusoittoa. Sanford antaa kuitenkin loppukirjansa ajan teoreetikkojen pitää olettamuksensa populaatioista geenipooleina ja nukleotidien tasolla toimivasta valinnasta.

Perustavimmat valintaongelmat

  1. Valinnan hinta
  2. Näkymättömien mutaatioiden havaitseminen
  3. Järjestelmällinen lisääntymiskykyisten karsinta.

1. Valinnan hinta

Valinnalla on hintansa33, 34, 35, 36, 37. Se voi kohdistua vain ylimääräiseen populaatioon. Esimerkiksi ihmisellä populaation koon ylläpitämiseksi kahden vanhemman on tuotettava yli kaksi jälkeläistä, sillä osa ihmisistä ei lisäänny genetiikasta riippumattomista syistä. Vasta tämän ylittävästä populaatiosta voidaan estää yksilöitä lisääntymästä valinnallisista syistä. Haldanen33 mukaan vain 10% ihmispopulaatiosta voidaan valinnallisesti karsia. Suuremmasta karsimisesta seuraisi nopeasti sukupuutto.

Joillakin lajeilla genetiikasta riippumattomista syistä lisääntyminen epäonnistuu puolella yksilöistä. Näillä lajeilla tarvitaan neljä jälkeläistä kahta yksilöä kohti ainoastaan populaation koon säilyttämiseksi. Lisäksi monet geneettiset ominaisuudet eivät periydy. Jotkin geenit toimivat hyvin tietynlaisena yhdistelmänä, mutta muuten niistä on hienoista haittaa. Tämä on totta heteroosissa ja epistasiassa. Valinta tällaisia muutoksia vastaan menee hukkaan, koska ominaisuudet eivät periydy. Ennen todellista valintaa täytyy maksaa nämä kaikki muut lisääntymishinnat, ja tämänkin jälkeen on varaa karsia vain sen verran, ettei populaation koko laske.

Yleinen biologinen toiminnallisuus, eli kelpoisuus on hyvin heikosti periytyvä ominaisuus. Kimuran mukaan periytyvyys on 0,004 (jos periytyvyys on 0, ominaisuus ei periydy ollenkaan, jos 1, ominaisuus periytyy täysin). Ympäristötekijät määräävätkin kelpoisuuden lähes täysin, ja näin ollen ylivoimainen enemmistö kaikkien muiden lisääntymisen estäneiden tekijöiden jälkeenkin tapahtuvasta valinnasta menee hukkaan. Ylimääräisestä populaatiosta voidaan valita tehokkaasti vain erittäin pieni osa. Jatkossa kuitenkin oletetaan, että koko ylimääräinen populaatio on täysin käytettävissä tehokkaaseen valintaan.

Valinnan hinnan jättäminen huomiotta on Sanfordin mukaan teoreetikkojen suurimpia virheitä. He olettavat, että voivat käyttää valintaa kuinka paljon tahansa, mikä muistuttaa esimerkiksi lännenelokuvien seriffiä, joka pystyy ampumaan kuudesti laukeavallaan moninkertaisesti useamman kerran. Teoreetikoilla ei kuitenkaan ole lännenelokuvien käsikirjoittajien tapaan taiteilijan vapautta, vaan heidän on kirjanpitäjän tavoin pidettävä kirjaa käytetystä valinnasta ja sen hinnoista, jotta ne voidaan maksaa.

2. Näkymättömät mutaatiot

Useat tutkijat ovat havainneet38, 39, 40, 41, 42, 43, että suuri osa mutaatioista on näkymättömiä. Ne eivät saa aikaan sellaista vaikutusta, että ne voitaisiin tunnistaa. Tällaisia on suurin osa pistemutaatioista. Tämä tekee myös valinnasta mielivaltaista, sillä se on kuin yrittäisi valita kirjakaupassa tietosanakirjasarjan, josta tietää, että kussakin tietosanakirjasarjasetissä on omat 10 000 kirjoitusvirhettä. Millä tavoin voisi valita vähävirheisimmän tietosanakirjasarjan?

3. Lisääntymiskykyisten lisääntymisen järjestelmällinen estäminen

Yksikään yhteiskunta maailmassa ei pyri hallitsemaan tarkoin ihmisten lisääntymistä. Natsisaksan kokeilun seuraukset olivat katastrofaaliset, eivätkä nykyiset syntyvyyden säännöstelyohjelmatkaan ole olleet tehokkaita mutaatioiden poistamiseksi. Ihmisten lisääntyminen on enimmäkseen satunnaista, ja tähän tekee poikkeuksen vain tapaukset, joissa mutaatio tai useampi aiheuttaa selvän geneettisen vian.

Ihmispopulaatiosta emme siis voi valita yhtäkään pistemutaatiota. Vaikka näin voitaisiin tehdä, eli mutaatiot voitaisiin havaita ja mutantteja estää lisääntymästä, seuraa nopeasti valinnan hinnan tuottama raja, jota enempää ei voida valita. Tästä tulee erityisen merkittävä ongelma silloin, kun valitaan useita mutaatioita vastaan yhtäaikaisesti. Valinta ei olekaan siis alkuunkaan helppoa.

Luonnonvalintaa koskee samat ongelmat kuin keinotekoistakin valintaa. Se ei näe näkymättömiä muutoksia, eikä pysty valitsemaan useita mutaatioita vastaan yhtä aikaa valinnan hinnan takia. Keinotekoinen valinta on itse asiassa tehokkaampaa, koska siinä epäkelvot eliöt hävitetään, kun taas luonnonvalinnassa ainoastaan epäkelvon lisääntymistodennäköisyys laskee.

Valinta kuitenkin toimii. Se on todellinen luonnossa havaittava ilmiö, jolla on kuitenkin yhtä todelliset rajansa. Sanford pystyi menestyksekkäästi valinnan avulla jalostamaan kasveja ja luonnonvalinta on poistanut ihmispopulaatiostakin kaikkein pahimmat mutaatiot. Luonnonvalinnan toimivuuden sanford tiivistää lauseeseen:

”Valinta voi joskus toimia geenitasolla, mutta epäonnistuu järjestelmällisesti genomin tasolla.”44

Luku 5 Genomitason valinnan ongelmat

Geneetikkojen käytäntönä on Sanfordin mukaan ollut yleistää yhden mutaation valintaa koskevat päätelmät koskemaan kaikkia mutaatioita periaatteella, se mikä toimii yhdellä, toimii kaikilla. Tämä on kuitenkin kuin väittäisi, että jos jollakulla on varaa ostaa yksi auto, hänellä on varaa ostaa miten monta autoa tahansa.

1. Valinnan hinta

Ihmisen geeniperimä käsittää kahtena kopiona kolme miljardia dna-koodin kirjainta. Jokainen on tuonut tähän perimään sata uutta muutosta, mutta perinyt myös kaikki aiemmat muutokset. Tämä tarkoittaa, että jokainen ihminen on mutantti. Kaikkien mutaatioiden valinta samalla tarkoittaisi välitöntä sukupuuttoa. Jo oman sukupolvemme aikana, ihmiskuntaan on tullut 700 miljardia uutta mutaatiota (7 miljadia ihmistä x 100 mutaatiota).

Ihmisistä voidaan kuitenkin estää lisääntymästä vain alle kolmasosaa, jolloin tämä julma toimenpide poistaisi ihmispopulaatiosta reilut 233 miljardia mutaatiota. Tämänkin jälkeen jäisi jäljelle yli 467 miljardia mutaatiota. Vaikka oletettaisiin, että kaksi kolmasosaa mutaatioista on täysin neutraaleja, jäljellä on silti yli 155 miljardia mutaatiota. Vaikka karsimisen määrä kaksinkertaistettaisiin, eli kahta kolmasosaa ihmisistä estettäisiin lisääntymästä, jäljellä olisi edelleen yli 77 miljardia mutaatiota. Näin voimakkaaseen valintaan meillä ei kuitenkaan ole varaa.

2) Huomaamattomat ja merkitykseltään vähäiset mutaatiot

Tappavat tai lähes tappavat mutaatiot eivät ole populaation näkökulmasta valinnan ongelma, sillä ne ovat harvinaisia ja ne karsiutuvat itsestään. Erityisesti lyhyellä aikavälillä populaation kannalta ongelmallisimpia ovat merkitykseltään vähäiset mutaatiot34s.53, jotka pitää karsia tai populaatio rappeutuu nopeasti. Vaikka ne saataisiinkin karsittua, jäljellä on edelleen lähes neutraalit mutaatiot. Näin ollen genomit väistämättä rappeutuvat.

2a) lähes neutraalit mutaatiot

Suurin osa mutaatioista on vaikutukseltaan lähes neutraaleja ja niiden vaikutus jää kaikenlaisen biologisen kohinan jalkoihin.38, 35, 34 Näillä mutaatioilla on kuitenkin vaikutusta, sillä ne tuhoavat näissä nukleotidipaikoissa olevaa informaatiota. Ne vastaavat autossa ruostumista, joka tapahtuu atomi kerrallaan. Vaikka hajonneita osia autosta voikin korjata, kaikkialla tapahtuvaa ruostumista ei pysty pysäyttämään. Sama pätee myös ihmisen ikääntymiseen, vaikka elimiä voidaan vaihtaa, vanhenemista aiheuttavia mutaatioita soluissa ei voida pysäyttää. Tämä ongelma on saanut yhden tunnetun populaatiogeneetikon kirjoittamaan tutkimuksen otsikolla "Why have we not died 100 times over?"43.

Homogeenisessa ympäristössä elävässä bakteeripopulaatiossa valinta on tehokasta ja jokainen solu on itsenäisesti valinnan kohde. Niiden genomit ovat pieniä ja geenien väliset vuorovaikutukset suhteellisen vähäisiä. Ne lisääntyvät nopeasti ja mutaatioita tulee vain vähän kuhunkin genomiin. Huomaamattomia mutaatioita on tällaisessa populaatiossa vähän. Ihmispopulaatiossa ja muilla nisäkkäillä tällaista etua ei kuitenkaan ole, sillä genomit ovat isoja, geenien välillä on paljon vuorovaikutusta, ja lisääntymiskohinaa on paljon. Näin ollen meillä on valinnan ulottumattomissa olevia nukleotideja paljon enemmän kuin mikrobeilla.

2b) Merkitykseltään vähäiset mutaatiot

Heti lähes neutraaleja mutaatioita suurempivaikutukselliset mutaatiot ovat merkitykseltään vähäisiä mutaatioita. Niillä on havaittavissa oleva vaikutus, vaikka se onkin pieni. Jalostajilla on vaikeuksia nähdä näitä, mutta luonnonvalinta usein ”huomaa” ne, jos populaatiolla on riittävästi kokoa ja aikaa on riittävästi käytettävissä. Tällä on kuitenkin rajoituksensa, sillä näiden mutaatioiden vaikutus on pieni ja muiden tekijöiden vaikutus voi olla suurta. On kuin yrittäisi nähdä myrskyävästä merestä sinne heitetyn kiven aiheuttamat aallot.

Merkitykseltään vähäisten mutaatioiden vaikutuksen yli ajaa mm.

  • Populaation suuri satunnainen kuolleisuus
  • Tappavat ja lähes tappavat mutaatiot
  • Suurin osa mutaatioista on peittyviä
  • Geenien välinen vuorovaikutus (epistasia)
  • Pienissä populaatioissa seksuaalisen rekombinaation satunnaisuus

Nämä tekijät aiheuttavat geneettistä ajautumista. Vaikka luonnonvalinta pystyykin poistamaan useita tällaisia merkitykseltään vähäisiä mutaatioita, tulee näistä mutaatioista kohinaa toisilleen, kun niiden määrä kasvaa. Valinnan teho tippuu nollaan hyvin nopeasti, kun valittavana olevien mutaatioiden määrä kasvaa. Kimura35 viittaa tähän valintainterferenssiksi kutsuttuun ilmiöön, ja esittää (s. 30), että vain 138 nukleotidipaikkaa on yhtä aikaa valittavissa, vaikka populaatiosta voitaisiin poistaa 50% joka sukupolvessa ja yhtä ominaisuutta vastaan valitaan heikosti (s = 0,01).

Useampien satojen mutaatioiden yhtäaikainen valintayritys pysäyttää valinnan vauhdin täysin ja näin varsin rajoitettuunkin määrään mutaatiota vaikuttamiseen menee satoja tuhansia sukupolvia. Tämä rajoitus tekee genominlaajuisen valinnan mahdottomaksi.

Lisääntymisen estäminen

Mutantteja ei voida järjestelmällisesti estää lisääntymästä logistisista syistä, mikä tuottaa ongelman valinnan kannalta.33, 45, 43 Toivottu ominaisuus on tyypillisesti yksilössä, jossa on myös jokin ei-toivottu ominaisuus, eikä näitä ominaisuuksia voida erottaa toisistaan. Koska mutaatioista suurin osa on haitallisia, päätyy näitä väkisin enemmän seuraavalle sukupolvelle, kun valitaan jonkin hyödyllisen puolesta.

Jos otetaan samasta populaatiosta kaksi yksilöä, joilla kummallakin on omat 10 000 mutaatiota perimässään. Näin ollen kahden yksilön välillä on 20 000 eroa, ja kummallakin on 10 000 hyvää ja saman verran huonoja nukleotidipaikkoja toiseen yksilöön nähden. Keskiarvoinen ero on pieni ja kelpoisuuden kannalta sen ratkaisevat harvat merkittävät mutaatiot, joihin valinta kohdistuu samalla kun enemmistö mutaatioista jää valinnan ulottumattomiin. Näin ei voida estää mutaatioiden kertymistä, vaikka lisääntymisen suhteen voitaisiinkin ylläpitää täydellistä kontrollia.

Fyysinen kytkentä

Koko genomi koostuu suurista yhteenlinkittyneistä ryhmistä46. Jokainen tällainen blokki sisältää vahingollisia muutoksia, vaikka se sisältäisi jonkun merkittävän hyödyllisenkin mutaation. Ryhmän kokonaisvaikutus kelpoisuuteen on siis vahingollinen, vieläpä, kun kuhunkin tällaiseen ryhmään ehtii kertyä tuhansia vahingollisia mutaatioita ennen ensimmäistäkään hyödyllistä.

Vuonna 2006 julkaistun tutkimuksen47 mukaan ihmisen olisi pitänyt kuolla sukupuuttoon evolutiivisella aikajanalla. Tutkimuksessa käsiteltiin kuitenkin vain mitokondrion dna:ta, ja se on vain yksi ihmisen 100 000 – 200 000:sta yhdistyneestä ryhmästä. Näin ollen tutkimus aliarvioi yhteenliittymien ongelman jopa 200 000-kertaisesti.

Kirjallisuus

  • Sanford, John C.: Eliömaailma rappeutuu – geneettinen entropia ja perimän salaisuus. Datakirjat, 2015. 978-952-68258-1-6.

Aiheesta muualla

Viitteet

  1. ^ Sanford, s. 25
  2. ^ The ENCODE Project Consortium: An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature, 2012, nro 489, s. 57-74.
  3. ^ Eyre-Walker, A. ja Keightley, P.D.: The distribution of fitness effects of new mutations. Nat Rev Genet, 2007, nro 8, s. 610-618.
  4. ^ Kimura M.: Model of effective neutral mutations in which selective constraint is incorporated. PNAS, 1979, nro 76, s. 3440-3444.
  5. ^ https://luominen.fi/css_images/kimuras_distribution_question.png
  6. ^ Muller H.J.: The relation of recombination to mutational advance. Mutation research, 1964, nro 1, s. 2-9.
  7. ^ Sanford, s. 30
  8. ^ Gerrish P.J ja R. Lenski: The fate of competing benefical mutations in an asexual population. Genetica, 1998, nro 102/103, s. 127-144.
  9. ^ Bataillon T.: Estimaton of spontaneous genome-wide mutation rate parameters: whither benefical mutations?. Heredity, 2000, nro 84, s. 497-501.
  10. ^ Elena S.F. ym.: Distribution of fitness effects caused by random insertion mutations in bacteria. Genetica, 1998, nro 102/103, s. 349-358.
  11. ^ Sanford, s. 32
  12. ^ Sanford, s. 33
  13. ^ Bergman J.: Research on the deterioration of the genome and Darwinism: why mutations result in degeneration of the genome. (Intelligent design Conference, Biola University) ', 22.-23.4.2004.
  14. ^ Montañez, G., Marks R., Fernandez J. ja Sanford J.: Multiple overlapping genetic codes profoundly reduce the probability of beneficial mutation. Marks II R.J. ym. (toim.) Biological Information – New Perspectives, 2013, s. 139-167. Artikkelin verkkoversio (viitattu 3.7.2020).
  15. ^ Barrick, J.E. ym.: Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature, 2009, nro 461, s. 1243-1247.
  16. ^ Lenski, R.E.: Evolution in Action: a 50,000-generation salute to Charles Darwin. Microbe, 2011, nro 6(1), s. 30-33.
  17. ^ Bataillon, T. ja Bailey, S.F.: Effects of new mutations on fitness: insights from models and data. Ann. N.Y. Acad. Sci., 2014, s. 1-17. Artikkelin verkkoversio (viitattu 3.7.2020).
  18. ^ Muller, H.J.: Our load of mutations. Amer. J. Human Genetics, 1950, nro 2, s. 111-176.
  19. > 19,0 19,1 Lynch, M.: Rate, molecular spectrum, and consequences of human mutation. PNAS, 2010, nro 107 (3), s. 961-968.
  20. ^ Nachman, M.W. ja Crowell, S.L.: Estimate of the mutation rate per nucleotide in humans. Genetics, 2000, nro 156, s. 297-304.
  21. > 21,0 21,1 Kondrashov, A.S.: Direct Estimate of human per nucleotide mutation rates at 20 loci causing Mendelian diseases. Human Mutation, 2002, nro 21, s. 12-27.
  22. ^ Campbell, C.D. ja Eichler. E.E.: Properties and rates of germline mutations in humans. Trends in Genetics, 2013, nro 29, s. 575-584.
  23. ^ Xue, Y. ym.: Human Y chromosome base-substitution mutation rate measured by direct sequencing in a deep-rooting pedigree. Current Biology, 2009, nro 19, s. 1453-1457.
  24. ^ Sanford, s. 36
  25. ^ Parsons, T.J. ym.: A high observed substitution rate in the human mitochondrial DNA control region. Nature Genetics, 1997, nro 15, s. 363-368.
  26. ^ Sutherland, G.R. ja R.I. Richards: Simple tandem repeats and human disease. PNAS, 1995, nro 92, s. 3636-3641.
  27. ^ Ellegren, H.: Microsatellite mutations in the germline: implications for evolutionary inference. TIG, 2000, nro 16, s. 551-558.
  28. ^ Sanford, s. 42-43
  29. ^ Bernardes, A.T.: Mutation load and the extinction of large populations. Physica ACTA, 1996, nro 230, s. 156-173.
  30. ^ Crow, J.F.: The high spontaneous mutation rate: is it a health risk?. PNAS, 1997, nro 94, s. 8380-8386.
  31. ^ Sanford, s. 50
  32. ^ Sanford, s. 50-51
  33. > 33,0 33,1 33,2 Haldane, J.B.S.: The cost of natural selection.. J. Genetics, 1957, nro 55, s. 511-524.
  34. > 34,0 34,1 34,2 Kimura, M. ja Ohta, T.: Theoretical Aspects of Population Genetics. Princeton University Press, Princeton, NJ, 1971, s. ss. 26-31, s. 53.
  35. > 35,0 35,1 35,2 Kimura, M.: Neutral Theory of Molecular Evolution, s. s. 26, ss. 30-31. Cambridge Univ. Press, 1983.
  36. ^ ReMine, W.: The Biotic Message: Evolution versus Message Theory. St. Paul Science, St. Paul, MN, 1993.
  37. ^ ReMine, W.: Cost of Selection Theory. Technical Journal, 2005, nro 19, s. 113-125.
  38. > 38,0 38,1 Kimura, M.: Evolutionary rate at the molecular level. Nature, 1968, nro 217, s. 624-626.
  39. ^ Ohta, T.: Slightly deleterious mutant substitutions in evolution. Nature, 1973, nro 246, s. 96-98.
  40. ^ Ohta, T.: Mutational pressure as the main cause of molecular evolution and polymorphism. Nature, 1974, nro 252, s. 351-354.
  41. ^ Ohta, T.: The nearly neutral theory of molecular evolution. Ann Rev Ecol Syst, 1992, nro 23, s. 263-286.
  42. ^ Ohta, T.: Near-neutrality in evolution of genes and gene regulation. PNAS, 2002, nro 99, s. 16134-16137.
  43. > 43,0 43,1 43,2 Kondrashov, A.S.: Contamination of the genome by very slightly deleterious mutations: why have we not died 100 times over?. J. Theor. Biol., 1995, nro 175, s. 583-594.
  44. ^ Sanford, s. 57
  45. ^ Lynch, M., Conery J., ja Burger R.: Mutation accumulation and the extinction of small populations. Am. Nat., 1995, nro 146, s. 489-518.
  46. ^ Tishkoff, S.A. ja Verrelli, B.C.: Patterns of human genetic diversity: implications for human evolutionary history and disease.. Annual Review of Genomics and Human Genetics, 2003, nro 4, s. 293-340.
  47. ^ Loewe, L.: Quantifying the genome decay paradox due to Muller’s ratchet in human mitochondrial DNA. Genetic Research, 2006, nro 87, s. 133-159.

Noudettu kohteesta ”https://apowiki.fi/index.php?title=Eliömaailma_rappeutuu_(kirja)&oldid=12618”