Генетика
Креацентр > Статьи > Генетика > Полезные мутации: реальные или воображаемые? — часть 2

Полезные мутации: реальные или воображаемые? — часть 2

В первой части речь шла о роли Р. А. Фишера в создании неодарвинистской теории (НДТ) на основе идеи о том, что рецессивные вредные мутации могут стать доминирующими и полезными. Генетики сегодня все еще используют его экспоненциальное распределение эффектов приспособленности мутаций. Первые экспериментальные данные для строгой проверки теории Фишера были опубликованы в 2011 году, и они противоречили ей. Это увеличивает растущее согласие, что НДТ мертва и всегда была мертва. Мертвая теория обманула нас и теперь правит миром! Новые данные могут быть объяснены недавними разработками в молекулярной системной биологии: теорией упрощенной вариации Киршнера и Герхарта, теорией иерархических сетей регуляции генов Эрика Дэвидсона, основанной на булевой логике (логический тип данных, или булев тип, или булевый тип (от англ. Boolean или logical data type) — примитивный тип данных, принимающий два возможных значения, иногда называемых истиной и ложью — прим. ред.), и теорией перенагруженных бараномов Пеера Терборга, которые поставляются со встроенными вариационно-индуцирующими генетическими элементами. Все эти теории основаны — либо явно (Киршнер-Герхарт, Терборг), либо неявно (Дэвидсон) — на модулярных вариационно-индуцирующих механизмах, встроенных в исходные виды жизни. Полезные мутации реальны, но они не производят ничего нового, только запускают в действие встроенные способы изменения. Идея о том, что случайные ошибки копирования ДНК могут привести к появлению новинок, которые естественный отбор мог бы затем собрать, чтобы объяснить всю жизнь на Земле, — это просто мечта Дарвина. Реальность все больше похожа на Бытие 1-11!

В первой части этой статьи1 рассказывалось об некоторых аспектах истории концепции «полезной мутации», включая ее отсутствие в недавних крупномасштабных исследованиях генома человека. Без доминирующих полезных мутаций для производства новинок неодарвинистская теория (НДТ) мертва. Рецессивные полезные мутации не подходят для этой работы. В 1927 году Д. Б. С. Холдейн рассчитал, что если рецессивная полезная мутация действительно возникнет, то она должна будет повторяться около 500 раз, прежде чем сможет распространиться достаточно широко, чтобы закрепиться в популяции путем естественного отбора.2 Только доминантные полезные мутации могут преодолеть эту проблему отбора.

В 1930 году лучшими данными о мутациях, был список из 500 зарегистрированных у плодовой мухи дрозофилы. Все они были рецессивными и вредными, а «новинки» зачастую чудовищными. Чтобы спасти дарвинизм от забвения, английский статистик (и ярый евгеник) Р. А. Фишер решил сделать ряд предположений, с помощью которых вредные рецессивные мутации могут «стать» полезными и доминирующими.3 Полученное им экспоненциальное распределение эффектов пригодности продолжало использоваться генетиками на протяжении всего 20-го века. В обзоре 2010 года было выражено сожаление по поводу того, что «Мы все еще не располагаем достаточными данными для того, чтобы сделать уверенные выводы о распределении эффектов или доминировании полезных мутаций». Однако год спустя, наконец, появился первый адекватный набор данных. Но это противоречило Фишеру и ставило в тупик его соавторов.4

Теперь мы можем видеть, что НДТ является и всегда была мертвой теорией, потому что ее основа в генетике никогда не существовала. Это не единичный вывод. Креационисты РеМин, Сэнфорд и Уильямс7 задокументировали множество других фатальных недостатков в этой теории. В июле 2013 года почетный профессор физиологии Оксфорда Денис Нобл объявил, что «Все основные предположения современного синтеза (часто также называемого неодарвинизмом) были опровергнуты».8

Что такое «полезные мутации»?

Природа мутаций и их вклад в историю жизни были подробно рассмотрены в креационистской литературе.5,9,10,11,12 Общий вывод характеризуется этой цитатой из генетика растений Джона Сэнфорда:

«Все, что касается истинного распределения мутаций, свидетельствует против их возможной роли в дальнейшей эволюции [акцент в оригинале]» (стр. 25).6

В отличие от НДТ, Сэнфорд показал, что наши геномы страдают от «генетической энтропии» — сублетальные вредные мутации накапливаются неудержимо, приводя нас к неизбежному вымиранию. Эволюционисты привели ряд мутаций, которые могут быть полезны в некоторых популяциях при определенных обстоятельствах.13,14 Креационисты изучили эти случаи15 и согласились с тем, что некоторые из них заслуживают доверия, но другие являются двусмысленными/сомнительными (с потенциальными преимуществами или недостатками) и большинство из них связаны с потерей генетической информации, согласующейся с теорией Сэнфорда (и противоречащей НДТ). Тем не менее, ни один из этих примеров никогда не используется генетическими теоретиками, потому что им нужны большие наборы данных, которые показывают пригодность как больших, так и малых генетических изменений.

Рисунок 3. Предположение Фишера о том, что наименьшие мутации имеют наибольшую вероятность стать полезными для вида. Мутации с большими эффектами постепенно становятся менее полезными. Перерисовано с Фишер3, рисунок 3, стр. 40, с небольшим сжатием в горизонтальном масштабе.

Для целей настоящей статьи наиболее важным предположением Фишера было то, что только самые маленькие мутации могут стать полезными.16 Те из них, которые будут иметь все более значительные последствия, станут все менее выгодны. Он проиллюстрировал это предположение на своем рисунке 3, воспроизведенном здесь на рисунке 1. Пунктирная линия на рисунке 1 описывает «экспоненциальную» кривую. Фишер ожидал, что наиболее полезные мутации будут иметь лишь незначительный эффект и, следовательно, возникнут почти с нуля на горизонтальной шкале. Ему нужно было много полезных изменений, чтобы заставить его теорию работать так, чтобы их максимальная частота также была близка к нулю, сопровождаемому уменьшением частот мутаций, дающих большие эффекты. Чтобы проверить теорию Фишера, генетикам требовалось распределение частот мутаций в диапазоне от малых до больших эффектов. Ни один из приведенных выше примеров соответствующих этому критерию, не имеет чего-либо подобного из недавнего крупномасштабного секвенирования геномов человека, как указано в части 1.1 Недавний патент «Дизайнерский ребенок» (дети из генетически отредактированных эмбрионов — прим. ред.)  также не поможет, так как в большей степени он касается минимизации риска заболевания. Единственными потенциальными положительными факторами были толерантность к лактозе и мышечная работоспособность (спринт против выносливости).17 Ни один из них не обеспечивает проверку теории Фишера.

У генетиков есть еще одно требование к подходящим данным. Им нужно больше образцов полезных мутаций до того, как отбор начнет работать над ними, а не после, как во всех приведенных выше примерах. Исследование 2006 года, пытающееся достигнуть этого в бактериальных экспериментах, заявило, что «распределение эффектов пригодности среди полезных мутаций неотличимо от ... приблизительно экспоненциального распределения со многими мутациями небольшого эффекта и несколькими  большими эффектами».18Теория Фишера, похоже, подтвердилась. Однако в исследовании 2009 года был достигнут несколько более другой результат:

Рисунок 4. Пригодность влияет на приспособленность полезных мутаций, измеренных впервые (заштрихованные столбцы, представляющие 100 мутаций в бактериальных колониях). Генетики-теоретики ожидали экспоненциального распределения (как пунктирная линия), но данные лучше соответствовали нормальному распределению (пунктирная линия). (Из MакДональд и др.4 рис. 1а.)

«В соответствии с теорией [Фишера] эффекты полезных мутаций экспоненциально распределяются там, где приспособленность дикого типа является умеренной или высокой. Однако, когда приспособленность дикого типа низкая, данные больше не следуют экспоненциальному распределению, потому что многие полезные мутации оказывают большое влияние на приспособленность. Не существует популяционной генетической теории, которая могла бы объяснить этот уклон в сторону мутаций с большими эффектами [курсив добавлен]».19

Первые эксперименты по полному решению проблемы отбора были опубликованы в 2011 году, а результаты представлены на рисунке 2. Вместо того, чтобы соответствовать одностороннему экспоненциальному распределению Фишера, он дал двустороннее нормальное распределение.4 Этот результат был настолько «любопытным», что авторы заявили, что их эксперименты не были «проверкой существующей [т. е. фишеровской] теории». Но «даже в отсутствие [новой] теории нашего детального понимания карты генотип-фенотип, лежащей в основе [полезных мутаций], должно быть достаточно, чтобы попытаться объяснить наблюдаемое нормальное распределение. Однако, применив свое «детальное понимание», они вынуждены были признать, что «непонятно, почему [мутации] должны соответствовать нормальному распределению».

Сравнение вредных и полезных мутаций

Теперь, когда у нас есть некоторые «достоверные данные» о полезных мутациях, которые противоречат экспоненциальному распределению Фишера, стоит найти некоторые столь же «достоверные данные» о вредных мутациях, чтобы сравнить их. Это особенно важно в свете того факта, что генетическое теоретизирование по этому вопросу на протяжении всего 20-го века основывалось на предположениях, а не на данных. Например, «Нейтральная теория молекулярной эволюции" Мото Кимуры основана на принципе, что естественный отбор не способен обнаружить эффекты большинства мутаций.20 Поэтому его теория основана главным образом на незнании генетических последствий, что является антитезой тому, что здесь необходимо. Как оказалось, это фундаментальная проблема во всех видах исследований мутаций. Чрезвычайно трудно экспериментально проверить причинно-следственные связи между генетическими изменениями и фенотипическими последствиями. Проблема настолько велика, что большинство исследователей даже не пытаются ее решить. Они просто делают компьютерные «исследования ассоциаций по всему геному» (genome wide association studies — GWAS)21, а затем размышляют о причинах и последствиях.

Вредные мутации должны следовать экспоненциальной кривой Фишера, поскольку мы могли бы ожидать, что одиночные нуклеотидные вариации, подобно ржавчине в машине, будут лишь постепенно приводить к ухудшению функций организма. Согласно модели, разработанной физиком и теоретиком информации Хьюбертом Йоки, белки должны допускать многочисленные замены между аминокислотами, имеющими сходные свойства, прежде чем функция всей молекулы будет нарушена.22 То есть мутации в кодирующих белок областях должны приводить только к постепенному снижению приспособленности по мере увеличения мутационной нагрузки, как и предсказывал Фишер. Кажется, однако, что Фишер и Йоки оба были неправы.

Рисунок 3. Распределение эффектов приспособленности для вредных аминокислот-изменяющих мутаций у людей (темно-серые колонки слева, представляющие 47 576 мутаций от 35 субъектов, Бойко и др.23 табл.5), по сравнению с полезными мутациями (светло-серые столбцы справа, микробные данные, рисунок 2 выше). Пунктирные линии являются наиболее подходящими теоретическими кривыми (гамма слева, нормаль справа), а пунктирные линии с обеих сторон — ожидаемые экспоненциальные распределения Фишера.

Результаты крупнейшего исследования влияния аминокислотно-изменяющих мутаций в геномах человека, скорректированные на эффекты отбора,23 представлены на рисунке 3 наряду с полезными мутациями из рисунка 2. Данные не похожи на экспоненциальное распределение Фишера (пунктирная линия слева), но хорошо вписываются в гамма-распределение, как показано пунктирной линией. Эта кривая была ограничена для прохождения через нулевую частоту при нулевом эффекте, чтобы проиллюстрировать одну из нескольких моделей, протестированных авторами, где вредные мутации принадлежат к другому классу нейтральных мутаций.24 Она также была вынуждена пройти через нулевую частоту, в крайнем левом углу, где вредные мутации становятся смертельными.

Ожидаемые экспоненциальные кривые Фишера показаны одинакового размера для обоих эффектов, потому что он предположил, что оба произошли с одинаковой частотой (в отличии от его данных).25 Его кривые не имеют ничего общего ни с одним из представленных здесь распределений. Эти два набора данных ясно описывают два совершенно разных класса биологических событий.

Сравнения на рисунке 3 нуждаются в некотором уточнении, чтобы исправить ложное предположение Фишера о том, что полезные и вредные мутации происходят с одинаковой частотой. Сегодня мы знаем, что полезные мутации очень редки. Если бы современный генетик исправил ошибочное предположение Фишера (как это сделал Сэнфорд6 в своем рисунке 3), то результат мог бы выглядеть примерно так, как на рисунке 4.

Рисунок 4. Иллюстрация ожидаемого распределения пригодности эффектов Фишера для всех мутаций, скорректированная с учетом крайней редкости полезных мутаций (маленький шлейф справа от нулевого эффекта).

Кривая на рисунке 4 теперь имеет странную форму, но это не проблема, потому что статистические распределения бывают разных форм и размеров. Важным моментом на рис.4 является то, что генетики еще со времен Фишера ожидали, что полезные мутации будут не более чем правым шлейфом распределения всех мутаций по эффекту приспособленности. У них был только один механизм для создания новинок через полезные мутации — случайные ошибки копирования ДНК (см. часть 1) — и это был тот же самый механизм, который генерировал вредные мутации. Ожидаемое распределение будет иметь максимальное значение в нуле или около нуля, с уменьшающимися шлейфами с обеих сторон, показывающих экспоненциальные кривые.26 Максимальное значение около нуля означает, что небольшие изменения с небольшим или нулевым эффектом являются наиболее частыми для обоих видов, причем большие изменения в обоих направлениях становятся все более редкими.

Генетики не ожидали, что полезные мутации (или вредные мутации) приведут к появлению отдельно стоящих двусторонних распределений с максимальными значениями, далекими от нулевого эффекта приспособленности мутаций. Это означало бы, что полезные мутации возникают из другого класса процессов, отличных от тех, которые производят вредные мутации. И именно поэтому новые полезные данные вызвали такой ужас — потому что у них не было теории, чтобы объяснить это. Но креационисты могут объяснить это с помощью статистики и последних разработок в области молекулярной системной биологии.

Молекулярная системная биология

Теория Фишера была построена на его геноцентричном взгляде на наследственность, который возник у Менделя и ранних генетиков. В современных терминах ДНК мы теперь знаем, что наименьшая возможная мутация — это всего лишь одно изменение нуклеотида. Для бактерии эта разница составила бы около 0,0001% (1 изменение в геноме  с 1 миллионном нуклеотидов), а у человека это будет разница около 0,00000003% (1 изменение в геноме с 3 миллиардами нуклеотидов). Такие крошечные изменения, скорее всего, будут совершенно незначительными по своему воздействию на организм.27 Мы также знаем из секвенирования генома, что однонуклеотидные изменения являются наиболее распространенными. Проект «1000 геномов», упомянутый в 1-й части, обнаружил 38 миллионов изменений однонуклеотидов, 1,4 миллиона инделей (разница 1-50 нуклеотидов в результате вставок и/или делеций) и 14 000 крупных делеций (>50 нуклеотидов). Эти результаты следуют ожиданиям Фишера — небольшие изменения являются наиболее распространенными, в то время как крупные изменения становятся все более редкими. Фишер также предположил, что сумма ущерба, нанесенного мутацией, будет пропорциональна величине изменения (на современном языке,  количество задействованных нуклеотидов), что приведет к аналогичной экспоненциально убывающей кривой. Ни один из наборов данных на рисунке 3 не соответствует этому шаблону, поэтому что-то еще должно происходить.

Когда физиолог Денис Нобл объявил о кончине НДТ в 2013 году, он выступал за новый взгляд на жизнь, основанный на клетках, с геномом, являющимся просто органом внутри клетки.8 Молекулярная системная биологя28 и эволюционная биология развития (evodevo)29 являются центральными дисциплинами в построении этого нового взгляда на жизнь. В новаторской книге 1997 года «Клетки, эмбрионы и эволюция: на пути к клеточному и эволюционному пониманию фенотипических вариаций и эволюционной адаптивности» профессор Беркли Джон Герхарт и профессор Гарварда Марк Киршнер описали эволюционный парадокс, который открыла молекулярная биология. С одной стороны, происходит необычайное сохранение молекулярной структуры и функций в основных процессах жизни. Все прокариотические клетки имеют сходную структуру и метаболические функции.

Все эукариотические клетки имеют сходную структуру и метаболические функции (до специализации).

Все многоклеточные животные используют одни и те же соединения и внеклеточный матрикс. Метаболические процессы настолько хорошо сохраняются, что ген человеческого инсулина может быть вставлен в геном бактерии или дрожжей, и именно получается человеческий инсулин. Планы тела остаются точно такими же во всем типе. С другой стороны, существует необычайное разнообразие в анатомии, физиологии и поведенческих стратегиях отдельных видов. Как может так много вещей, которые остаются неизменными, производить так много разных способов? Киршнер и Герхарт не смогли решить парадокс в 1997 году, но им удалось идентифицировать это как серьезную проблему для эволюционистов-биологов. НДТ полностью зависит от случайных ошибок копирования ДНК при получении новизны, поэтому они ожидали найти случайные изменения во всем. Что-то явно было не так!

В 2005 году Киршнер и Герхарт преуспели в том, что они называли первой всеобъемлющей теорией того, как жизнь работает на молекулярном уровне: теория упрощенных вариаций. Рассмотренный ранее в этом журнале30,31 он был положительно воспринят32,33 Национальной Академией наук,34 и получил поддержку в исследовании компьютерного моделирования.35 Они определили «слабую регуляторную связь» между «модульными сохраненными основными процессами» как решение парадокса. Они сравнили модульные компоненты с блоками Lego — по отдельности их трудно сломать (сохранить), но они легко разбираются и переставляются (слабо связаны) для создания различных видов, размеров и форм органов и организмов. Кроме того, они утверждали, что адаптивность и, следовательно, «эволюционируемость» встроены. Генетические вариации и мутации не должны быть творческими; им нужно только запустить творческий потенциал, встроенный в организм.36 Это утверждение является ошеломляющим опровержением дарвинизма, но авторы не смогли его подтвердить.37 Одним из следствий этого является то, что уникальные полезные мутации больше не требуются, потому что весь потенциал для изменения в любой конкретной линии уже встроен, просто в ожидании, чтобы быть выраженным через генетическое изменение. Одним из достижений их теории является то, что она обеспечивает механизм, посредством которого вредные мутации могут иметь полезные результаты. Сбылась ли мечта Фишера? Киршнер и Герхарт ссылались на механизмы, лежащие в основе вариаций клюва в галапагосских вьюрках Дарвина в качестве поддержки их теории. НДТ потребует длительной последовательности мутаций, происходящих независимо в верхнем и нижнем клюве и прилегающей черепно-лицевой системе, а также многих поколений отбора, чтобы медленно производить постепенные морфологические и функциональные изменения. Но исследования показали, что для объяснения наблюдаемого естественного изменения необходимы только два модульных регуляторных изменения.

Белок морфологии костной ткани BMP4 при экспрессии ранее или позже в эмбриогенезе вызывает широкое или узкое развитие клюва, а более или менее кальциевый регуляторный белок кальмодулин продуцирует длинные или короткие клювы. Эти модификации происходят через изменения в регуляторных системах, которые не мешают механизму строить черепно-лицевые особенности.38 Полевые наблюдения подтверждают, что размер и форма клюва изменяются по мере изменения климата и наличия пищи.39

Киршнер и Герхарт не спекулировали на форме распределения эффектов приспособленности мутаций, которые предсказывает их теория. Однако, если мы добавим в их рамки теорию Пеера Терборга о фронтально нагруженных бараномах, которые поставляются со встроенными вариационно-индуцирующими генетическими элементами (variation-inducing genetic elements — VIGEs),40 вместе с недавним пониманием сетей регуляции генов, то креационисты могут сделать такие прогнозы.

Геном регулирования 

Система кодирования белка в ДНК составляет всего около 1,5% генома человека. Последние отчеты по кодированию (ENCODE) показывают, что остальные 98,5% «полны функциональных элементов»41, и они «широко транскрибированы».42 Исследователи сказали, что РНК, а не ДНК, теперь должна быть идентифицирована как носитель наследования, и концепция «гена» должна быть пересмотрена, чтобы учесть все регуляторные взаимодействия вплоть до появления фенотипа, который он производит.43 Это утверждение предвещает огромную революцию в биологическом мышлении — вывести его из генно-ориентированной парадигмы и поместить его прямо в парадигму клетки/организма, к которой призывал Ноубл.

Огромное количество РНК, транскрибируемых из некодирующей ДНК, в значительной степени ограничено ядром, где они работают над регуляцией генов.43 Вот где происходит настоящее дело жизни. Регуляторный геном, как теперь известно, состоит из сложного набора генных регуляторных сетей (Gene Regulatory Networks, GRNs) в комбинациях, уникальных для каждого вида. «GRNs состоят из нескольких подсхем, то есть отдельные задачи регулирования, в которые может быть проанализирован процесс, выполняются каждой данной подсхемой GRN».44 это означает, что GRNs являются «модулями», как определено Киршнером и Герхартом. GRNs используют базовые логические схемы (операторы AND, OR и NOT) для обработки биологических данных в своих «цис-регуляторных» узлах точно сопоставимым образом с тем, что в современных компьютерах.45 Из этих базовых логических операций могут быть получены даже самые сложные схемы переключения. Геномы человека содержат около 8 миллионов таких регуляторных узлов,46 поэтому разработка схем для создания человека — и выявление различий между людьми и шимпанзе — будет огромным предприятием. Никто даже не делает необходимых исследований, чтобы выяснить это, потому что эксперименты на эмбрионах человека и шимпанзе запрещены.

Идея о том, что гены могут регулироваться логическими схемами, возникла в 1969 году с физиком Манхэттенского проекта Роем Бриттеном и биологом по развитию Эриком Дэвидсоном.47 Они провели остаток своей карьеры, изучая GRNs в пурпурном морском еже Strongylocentrotus purpuratus. Они искали участки переключения на ДНК выше генов, которые они контролируют, измеряли временной ход РНК, полученных из этих участков, а затем сравнивали их со стадиями развития в раннем эмбрионе. Теперь у них есть схемы GRN, которая превращает ДНК в ранний эмбрион.48

В 2006 году Дэвидсон написал первый учебник по этому предмету.49 Он показал, что  GRNs работают на трех уровнях иерархического контроля. На верхнем уровне находятся элементы управления планом тела, которые не переносят никаких изменений (мутанты умирают). Контроль второго уровня развивает системы органов и придатков в пределах плана тела и очень консервативен (некоторые изменения могут редко допускаться). Но элементы контроля третьего уровня допускают, возможно, бесконечные изменения, и именно здесь, по мнению Дэвидсона, происходит большинство видов и изменений на уровне рода. Это резко меняет ландшафт пригодности для мутаций, потому что их эффекты будут зависеть от уровня иерархии GRN, в которой они происходят.50 Инвариантность планов тела в разных типах представляет собой серьезную проблему для эволюции:

«Сильный вывод состоит в том, что эволюционный процесс, порождающий ... базовые планы тела эвметазоа, во многом сильно отличался от эволюционных изменений, которые можно наблюдать на видовом уровне у современных животных [курсив добавлен]».51

В 2011 году Дэвидсон получил Международную премию по биологии за свою работу.

Интеграция молекулярной биологии и статистики

Теперь мы можем попытаться объяснить, почему полезные мутации соответствуют нормальному распределению, почему вредные мутации соответствуют гамма-распределению и почему ни одна из них не соответствует экспоненциальному распределению Фишера. Экспоненциальное распределение Фишера полностью понятно в его геноцентрическом взгляде на жизнь, как было показано ранее, и оно не объясняет данные на рисунке 3. Его идея о том, что вредные мутации могут стать полезными, по-видимому, оправдана теорией Киршнера-Герхарта, но их механизм настолько радикально отличается, что он представляет собой явное отрицание механизма Фишера. Полезные мутации, которые следуют за нормальным распределением, могут быть объяснены модульной структурой жизни на молекулярном уровне. Модульность признана фундаментальной в метафоре блоков Lego Киршнера и Герхарта, в иерархических логических регуляторных цепях генов Дэвидсона и в VIGEs Терборга. В отличие от Фишера, ни один из этих авторов не описывает основную роль однонуклеотидных вариаций (single-nucleotide variations, Snv) в истории жизни. Генетическая информация не заключается в накоплении Snv с течением времени (как предполагает НДТ); она заключается в генетических информационных системах, которые всегда приходят в модульной форме.52

Фактически все внутри клетки является модульным, потому что она состоит из больших макромолекул, либо по отдельности, либо в сочетании с одним или многими другими, чтобы создать внутриклеточные машины. Белки также являются модульными по структуре, причем разные модули делают разные вещи, и каждый из них обычно делает то же самое в разных белках. Гены — в их хрестоматийном представлении — являются модульными и состоят из нескольких отдельных сегментов экзона и интрона. Булева логика указывает на дискретную (комковатую, скачкообразную или ступенчатую структуру), а не на непрерывные (гладкие) результаты — модули либо присутствуют, либо отсутствуют; они либо включены либо выключены, и они работают вместе или отдельно от других модулей. Все в здоровой клетке имеет свою цель. Использованные детали быстро разбираются, а компоненты быстро перерабатываются, поэтому никогда не бывает большого количества мелких предметов, лежащих вокруг, которые не оказывают существенного влияния на физическую форму организма. Это означает, что никогда не существует максимальной частоты модулей в или около нуля на шкале эффектов приспособленности мутаций, как предполагала теория Фишера.

Все виды способны переносить и приспосабливаться к определенному количеству вариаций в своих условиях жизни. Разумный создатель, скорее всего, сотворит VIGEs, способных дать большой импульс для повышения физической формы, а не просто маленький, чтобы переместить вид из одного «адаптивного диапазона» в другой. Терборг перечислил эндогенные ретровирусы, последовательности вставки, линии, синусы, микроспутники и транспозоны среди своих кандидатов VIGEs. Это полинуклеотидные последовательности размером до нескольких тысяч нуклеотидов в длину. Таким образом, преимущество пригодности, полученное путем перестройки VIGEs в процессе регулирования, с большей вероятностью приведет к большим полезным изменениям, чем к небольшим. Поэтому, распределение полезных эффектов приспособленности мутаций должно иметь максимальное значение значительно выше нуля, как это наблюдается.

Напротив, когда дело доходит до вредных аминокислотных мутаций, это были бы те виды событий, которые нарушают структурные или функциональные модули на основе белка, а не просто перестраивают регуляторные цепи. Такой разрыв с большей вероятностью приведет к образованию крупных вредных дефектов, а не мелких, как показано на рис.3. Благоприятным ответом в бактериальных экспериментах было перепроизводство целлюлозы, что позволило колонии образовываться и плавать на поверхности жидкой среды. Бактерии были спроектированы так, что мутации, которые вызвали перепроизводство, также активировали ген устойчивости к антибиотикам. Бактерии были выращены на среде, содержащей антибиотик, поэтому выжили только мутанты, в то время как нерезистентный наследственный тип был уничтожен. Таким образом, преимущества мутаций могут быть выявлены до того, как произойдет какой-либо отбор для образования колоний (отбор, который действительно произошел, был произведен антибиотиком).

Было 39 различных метаболических путей, в которых мутация теоретически могла бы дать наблюдаемый результат, но на самом деле она наблюдалась только в трех путях, и каждый раз она была в регуляторном компоненте.53 Чтобы проверить наличие других видов мутаций, авторы реконструировали наследственную форму бактерии, в которой отсутствовала какая-либо из наблюдаемых мутаций, и обнаружили (в течение несколько более длительного периода), что точно такие же мутации происходят снова. Они пришли к выводу, что «эволюция», которую они наблюдали, не была случайной, а ограниченной предшествующей генетической архитектурой. Эти результаты точно соответствуют тому, что предложили Киршнер и Герхарт: во-первых, что генная регуляция является «слабой связью», которая позволяет легко перестраивать функциональные модули (производство целлюлозы, образование колоний), а во-вторых, что уже существующая генетическая архитектура облегчает этот полезный вид вариации!

Обратите внимание, что эти мутации не внесли ничего нового в вид. Они только настроили существующее оборудование для производства целлюлозы, чтобы добиться положительного результата. Ограничение «эволюции» мутациями только в 3 из 39 возможных путей также соответствует открытию Дэвидсона, что иерархические GRNs легко переносят изменения только в своих цепях управления самого низкого уровня. В данном случае достаточное количество дополнительной целлюлозы, позволяющее колонии плавать, стало оптимальным, а, следовательно, и наиболее распространенным результатом, приводящим к пику распределения. Некоторые мутации, возможно, вызвали переизбыток целлюлозы, которая могла бы истощить ресурсы для других функций, и они сформировали бы верхнюю часть распределения. Другие мутации могли иметь недостаток целлюлозы, вызывая меньшее количество бактерий для репликации и/или присоединения к колонии, тем самым способствуя более нижнему уровню распределения. Мутации, вызвавшие лишь незначительный переизбыток целлюлозы, мало помогли бы в формировании колоний, поэтому они, вероятно, выжили практически с нулевой частотой, как наблюдалось.

В отличие от нормального распределения, кривая гамма-распределения на рисунке 3 говорит нам нечто совершенно иное. Во-первых, крайняя левая часть кривой переходит на нулевую частоту, чтобы показать, что повреждение мутации за этой точкой является смертельным. Не существует никакого сопоставимого верхнего предела на положительной стороне (далеко справа от нормальной кривой), потому что положительные преимущества теоретически могут выходить далеко за пределы показанной точки. Максимум гамма-кривой справа от смертельной зоны говорит нам, что большинство мутаций, изменяющих аминокислоты, вызывают сублетальные, но все же почти смертельные повреждения — они в значительной степени влияют на репродуктивную пригодность. Это те виды мутаций, которые естественный отбор не может удалить, и они накапливаются, как описывает модель Сэнфорда.

Обсуждение и выводы

В течение ста лет дарвинисты возлагали свои надежды на полезные мутации, которые должны были стать источником новизны, которую естественный отбор мог накопить, чтобы произвести все разнообразие жизни на Земле. Но когда они, наконец, появились, они так же быстро исчезли снова. Нет такой вещи, как полезная мутация, которая может произвести что-то новое, чего не было раньше. Для естественного отбора нет ничего нового, чтобы таким образом осуществить дарвиновскую мечту.

Теория Фишера, изобретенная для спасения дарвинизма от забвения, полностью противоречит этим новым данным. Полезные мутации не следуют экспоненциальному распределению с максимальным значением около нуля, как он ожидал. Они описывают двустороннее нормальное распределение с максимальным значением значительно выше нуля. Аналогичным образом, вредные мутации, изменяющие аминокислоты у людей, также не соответствуют его теории — они имеют максимальное значение значительно ниже нуля.

Оба эти результата могут быть объяснены модульностью: модульность в структуре жизни (блоки Lego Киршнера и Герхарта), модульность в сетях регуляции генов (иерархия булевых логических схем Дэвидсона) и модульные встроенные вариационно-индуцирующие механизмы (VIGEs Терборга). Все эти новые теории молекулярной системной биологии основаны либо явно (Киршнер-Герхарт, Терборг), либо неявно (Дэвидсон) на одном и том же неизбежном предположении — что функциональное разнообразие жизни происходит из модульных перестроек того, что было изначально построено. Это не происходит от того, какие мутации и естественный отбор накопились с течением времени. Каждый пример явно полезной мутации в литературе может быть объяснен небольшими изменениями в уже существующих биологических структурах и функциях, которые либо были разработаны, чтобы реагировать таким образом, либо когда повреждение таких механизмов приводит к полезным последствиям. Не создается ничего нового, чего не было раньше. Единственное, что накопила жизнь с течением времени — это постоянно растущее бремя суб-летальных вредных мутаций, ведущих нас к неминуемому вымиранию!

Со временем теория Фишера превратилась в почти универсальную «научную истину», согласно  которой все разнообразие жизни на Земле «эволюционировало через мутации и естественный отбор». Но принцип генетической энтропии Сэнфорда выявил бессилие естественного отбора, и здесь я раскрыл ошибку, лежащую в основе концепции полезной мутации Фишера. Подробная научная правда об истории жизни еще не раскрыта, но мы делаем гигантские шаги в этом направлении. Дорожная карта была очерчена, и она указывает далеко от великой схемы дарвиновской мечты и прямо к главам с 1 по 11Бытие.

Выражение благодарности

Д-р Дон Баттен и три анонимных референта оказали большую помощь в комментариях к более ранним проектам этой статьи.


Автор: Алекс Уильямс

Дата публикации: август 2014

Источник: creation.com


Перевод: Недоступ А.

Редактор: Недоступ А.


Ссылки и заметки

1. Уильямс, А. Р., Полезные мутации: реальные или воображаемые? часть 1, J. Creation 28(1): 122-127, April 2014; creation.com/mutations-part1. вернуться к тексту

2. Холдейн, Д. Б. С., Математическая теория естественного и искусственного отбора, Часть V: отбор и мутация, Math Proc Cambridge 23(7):838-844, 1927 / doi: http://dx.doi.org/10.1017/S0305004100015644. вернуться к тексту

3. Фишер, Р. A., Генетическая теория естественного отбора, издательство Оксфордского университета, Лондон, стр. 53, 1930. Вернуться к тексту

4. MакДональд М.Д., Cooper, T. F., Beaumont, H. J. E. and Rainey, P. B., Распределение эффектов пригодности новых полезных мутаций в Pseudomonas fluorescens, Biol. Lett. 7(1): 98-100, 2011 | doi: 10.1098/rsbl.2010.0547. Вернуться к тексту

5. РеМайн, В. Д., Биотическое сообщение: эволюция против теории сообщений, St. Paul Science, MN,  ч. 7-9, 1993. Вернуться к тексту

6. Сэнфорд, Д. C., Генетическая энтропия и тайна генома, 3-е изд., FMS Publications, New York, 2008. Вернуться к тексту

7. Уильямс, А., Распад генома человека и происхождение жизни, J. Creation 28(1):91-97, апрель 2014 года; creation.com/human-genome-decay. Вернуться к тексту

8. Ноубл, Д., Физиология раскачивает основы эволюционной биологии, Exp Physiol. 98 (8): 1235-43 | doi: 10.1113/expphysiol.2012.071134. Вернуться к тексту

9. Спетнер, Л., Не случайно! Разрушение современной теории эволюции, The Judaica Press, Brooklyn, 1997. Вернуться к тексту

10. Трумэн Р., Проблема информации для теории эволюции: действительно ли Том Шнайдер решил ее? trueorigin.org, дата обращения 21 января 2014 года. Вернуться к тексту

11. Уильямс, А., Мутации: двигатель эволюции становится концом эволюции, J. Creation 22 (2):60-66, август 2008; creation.com/evolutions-end. вернуться к тексту

12. Картер, Р. В., Могут ли мутации создавать новую информацию?, J. Creation 25(2): 92-98, август 2011; creation.com/new-info. вернуться к тексту

13. Кэрролл, Б. С., Бесконечные самые красивые формы: новая наука Evo Devo, Norton, New York, ч. 8-9 2005,. Вернуться к тексту

14. rationalwiki.org, по состоянию на 6 марта 2014 года; Примеры полезных мутаций и естественного отбора, gate.net, дата обращения 6 марта 2014 года. Вернуться к тексту

15. creation.com/search?q=beneficial+мутации. Вернуться к тексту

16. Я решил продолжить акцент Фишера на слове «стать», чтобы читатели знали о его изобретении. Вернуться к тексту

17. Войцицкий А. и соавт., Отбор доноров гамет на основе генетических расчетов, патент США№. US 8,543,339 B2, 24 сентября 2013г. Вернуться к тексту

18. Kaссен, Р. и Батайон, T., Распределение эффектов пригодности среди полезных мутаций до отбора в экспериментальных популяциях бактерий, Nature Genetics 38:484-488, 2006 | doi: 10.1038/ng1751. Вернуться к тексту

19. Maклин, Р. К. и Баклинг, A., Распределение эффектов пригодности полезных мутаций в Pseudomonas aeruginosa, PLoS Genet. 5(3): e1000406, 2009 | doi:10.1371/journal.пген.1000406. Вернуться к тексту

20. Кимура, М., Нейтральная теория молекулярной эволюции, Cambridge University Press, 1983. Вернуться к тексту

21. Политика GWAS Национальных институтов здравоохранения иллюстрирует этот момент, gds.nih.gov, дата обращения 26 февраля 2014 года. Вернуться к тексту

22. Йоки, H. P., Теория информации, эволюция и происхождение жизни, Cambridge University Press, ch. 6, 2005. Вернуться к тексту

23. Бойко, А. Р. и др., Оценка эволюционного влияния аминокислотных мутаций в геноме человека, PLoS Genetics 4 (5):e1000083, 2008 | doi: 10.1371/journal.пген.1000083. Рисунок 3 основан на четырех категориях эффектов пригодности, представленных в их таблице 5: s < 0.00001, 0.00001 < s < 0.0001, 0.0001 < s < 0.001, 0.01 < s, где s-коэффициент отбора и S = 1 означает летальный исход, s = 0 означает нейтральный. Вернуться к тексту

24. Несколько авторов предположили, что не может быть действительно нейтральных мутаций. Одно из возможных объяснений внешне нейтральных мутаций — генетическая избыточность. См. Teрборг П., Свидетельство для сотворения жизни: часть 1— генетическая избыточность, J. Creation 22(3): 79-84, December 2008; creation.com/baranomes-design. вернуться к тексту

25. Данные Фишера были представлены в его таблице 1, стр. 51, и его предположение о равной частоте на стр. 18-19 и 38-39. Кривые Фишера на рисунке 3 имеют максимальные значения выше, чем другие, потому что площадь под всеми кривыми отражает пропорции сравниваемых мутаций и должна быть приблизительно сопоставима. Вернуться к тексту

26. Ряд модификаций экспоненциальной формы были сделаны более поздними авторами, но все они по-прежнему квалифицируются как «экспоненциальные» с максимумом, близким к нулю. Вернуться к тексту

27. Несколько очень редких заболеваний вызваны изменением одного нуклеотида. Вернуться к тексту

28. Молекулярная системная биология, msb.embopress.org, дата обращения 10 сентября 2013 года. Вернуться к тексту

29. evodevojournal.com, дата обращения 26 февраля 2014 года. Вернуться к тексту

30. Уильямс, А., Облегченная вариация: новая парадигма появляется в биологии, J. Creation 22(1): 85-92, апрель 2008. Вернуться к тексту

31. Лайтнер, Д. K., Предназначен населять Землю: обзор правдоподобности жизни: разрешение дилеммы Дарвина Марком В. Киршнером и Джоном К. Герхартом, Yale University Press, New Haven, CT, 2005, J. Creation 22(1):33-36, апрель 2008. Вернуться к тексту

32. Эвайз, Д. C. и Aйала, Ф. Д., В свете эволюции I: адаптация и сложный дизайн, PNAS 104(Supp. 1): 8563-8566, 2007 | doi: 10.1073/pnas.0702066104. Вернуться к тексту

33. Уилкинс, А. С., Между «дизайном» и «бриколажем»: генетические сети, уровни отбора и адаптивная эволюция, PNAS 104(Supp. 1): 8590-8596, 2007 | doi: 10.1073/pnas.0701044104. Вернуться к тексту

34. Герхарт, Д., и Киршнер, М., Теория облегченной вариации, PNAS 104 (Supp. 1): 8582-8589, 2007 | doi: 10.1073/pnas.0701035104. Вернуться к тексту

35. Партер, M., Kaштан, Н. и Aлон, У., Упрощенная вариация: как эволюция учится из прошлых сред обобщать в новые среды, PLoS Computational Biology 4(11): e1000206, 2008 | doi: 10.1371/journal.pcbi.1000206. Вернуться к тексту

36. Киршнер, М. В. и Герхарт, Д. C., Правдоподобие жизни: решение дилеммы Дарвина, издательство Йельского университета, стр. 227, 2005.  Вернуться к тексту

37. Я подозреваю, что именно по этой причине теория — даже если она основана на твердых доказательствах, предложена такими выдающимися учеными и была хорошо принята на самом высоком уровне в научном истеблишменте — с тех пор так широко игнорируется. Вернуться к тексту

38. Киршнер и Герхарт, ссылка 34, стр.230-236. Вернуться к тексту

39. Грант, П. Р. и Грант, Б. Р., Как и почему виды размножаются: изучение вьюрков Дарвина, издательство Принстонского университета, 2008. Вернуться к тексту

40. Teрборг, П., Доказательства для дизайна жизни: часть 2 — Baranomes, J. Creation 22(3): 68-76, декабрь 2008. Teрборг, П., Доказательства для дизайна жизни: часть 3 — введение в изменение, вызывающее генетические элементы, J. Creation 23(1): 99-106, апрель 2009. Вернуться к тексту

41. Саньял, А. и соавт., Ландшафт долгосрочного взаимодействия промоторов генов, Nature 489 (7414):109-115, 2012 | doi:10.1038/nature11279. Вернуться к тексту

42. Вентерс, Б. Д. и Пью, Б. Ф., Геномная организация комплексов инициации транскрипции человека, Nature 502 (7469):53-58, 2013 | doi:10.1038/nature12535. Вернуться к тексту

43. Джебали С. и соавт., Ландшафт транскрипции в клетках человека, Nature 489 (7414):101-108, 2012 | doi:10.1038/nature11233. Вернуться к тексту

44. Дэвидсон, Е. Х., Новые свойства регуляторных сетей генов животных, Nature 468(7326):911-20, 2010 | Дои:10.1038/nature09645. Вернуться к тексту

45. Истраил С., Де-Леон С.Б. и Istrail, S., De-Leon, S. B. и Дэвидсон, Е. Х., Регуляторный геном и компьютер, Developmental Biology 310(2):187-195, 2007. Вернуться к тексту

46. Неф, С. и соавт., Экспансивная регуляторная человеческая лексика, закодированная в следах транскрипционного фактора, Nature 489 (7414):83-90, 2012 | doi: 10.1038/nature11212. Вернуться к тексту

47. Бриттен Р. Д. и Дэвидсон, Е. Х., Регулирование гена для высших клеток: теория, Science 165(3891): 349-357, 1969. Вернуться к тексту

48. Лаборатория Давидсона, Краткий обзор исследований, its.caltech.edu, дата обращения 20 ноября 2013 года. Вернуться к тексту

49. Давидсон, Е. Х., Регуляторный геном: генные регуляторные сети в процессе развития и эволюции, Academic Press, San Diego, CA, 2006,. Вернуться к тексту

50. Эрвин, Д. Х. и Давидсон, Е. Х., Эволюция иерархических сетей регуляции генов, Nature Reviews Genetics 10 (2):141-148, 2009 | doi:10.1038/nrg2499. Вернуться к тексту

51. Давидсон, Е. Х., и Эрвин, Д. Х., Интегрированный взгляд на докембрийскую эволюцию эвметазоа, Симпозиум Cold Spring Harbour по количественной биологии 74: 65-80, 2009 | doi: 10.1101/sqb.2009.74.042. Вернуться к тексту

52. Трумэн, Р., Теория информации — часть 3: введение в кодированные информационные системы, J. Creation 26(3): 115-119, декабрь 2012. Вернуться к тексту

53. МакДональд, М. Д. и соавт., Адаптивная дивергенция в экспериментальных популяциях Pseudomonas fluorescens. IV. генетические ограничения направляют эволюционные траектории в параллельном адаптивном излучении, Genetics 183 (3):1041-1053, 2009 | doi: 10.1534/генетика.109.107110. Вернуться к тексту







Написать коментарий