Генетика
Креацентр > Статті > Генетика > Корисні мутації: реальні або уявні? — частина 2

Корисні мутації: реальні або уявні? — частина 2

У першій частині мова йшла про роль Р. А. Фішера у створенні неодарвіністської теорії (НДТ) на основі ідеї про те, що рецесивні шкідливі мутації можуть стати домінуючими й корисними. Генетики сьогодні все ще використовують його експоненційний розподіл ефектів пристосованості мутацій. Перші експериментальні дані для суворої перевірки теорії Фішера були опубліковані в 2011 році, і вони суперечили їй. Це збільшує згоду, що НДТ мертва і завжди була мертва. Мертва теорія обдурила нас і тепер править світом! Нові дані можуть бути пояснені останніми розробками в молекулярній системній біології: теорією спрощеної варіації Кіршнера й Герхарта, теорією ієрархічних мереж регуляції генів Еріка Девідсона, заснованої на булевої логіці (логічний тип даних, або булев тип, або булевий тип (від англ. Boolean або logicaldatatype) — примітивний тип даних, що приймає два можливих значення, іноді званих істиною і брехнею — прим. ред.), і теорією перенавантажених бараномів Пєєра Терборга, які поставляються із вбудованими варіаційно-індукуючими генетичними елементами. Усі ці теорії грунтуються — або явно (Кіршнер-Герхарт, Терборг) або неявно (Девідсон) — на модулярних варіаційно-індукційних механізмах, вбудованих у вихідні види життя. Корисні мутації реальні, але вони не роблять нічого нового, тільки запускають у дію вбудовані засоби зміни. Ідея про те, що випадкові помилки копіювання ДНК можуть призвести до появи новинок, які природний відбір міг би потім зібрати, щоб пояснити все життя на Землі, — це просто мрія Дарвіна. Реальність все більше схожа на Буття 1-11!

У першій частині цієї статьи1 розповідалося про деякі аспекти історії концепції «корисної мутації», включаючи її відсутність у недавніх великомасштабних дослідженнях геному людини. Без домінуючих корисних мутацій для виробництва новинок неодарвіністська теорія (НДТ) мертва. Рецесивні корисні мутації не підходять для цієї роботи. У 1927 році Д. Б. С. Холдейн розрахував, що якщо рецесивна корисна мутація дійсно виникне, то вона повинна буде повторюватися близько 500 разів, перш ніж зможе поширитися досить широко, щоб закріпитися в популяції шляхом природного відбору.2 Тільки домінантні корисні мутації можуть подолати цю проблему відбору.

У 1930 році кращими даними про мутації, був список з 500 зареєстрованих у плодової мухи дрозофіли. Всі вони були рецесивними й шкідливими, а «новинки» часто жахливими. Щоб врятувати дарвінізм від забуття, англійський статистик (і затятий євгеник) Р. А. Фішер вирішив зробити ряд припущень, за допомогою яких шкідливі рецесивні мутації можуть стати корисними й домінуючими.3 Отриманий ним експоненційний розподіл ефектів придатності продовжував використовуватися генетиками протягом усього 20-го століття. В огляді 2010 року було висловлено співчуття з приводу того, що «Ми все ще не володіємо достатніми даними для того, щоб зробити впевнені висновки про розподіл ефектів або домінуванні корисних мутацій». Проте рік потому, нарешті, з'явився перший адекватний набір даних. Але це суперечило Фішеру й ставило в безвихідь його співавторів.4

Тепер ми можемо бачити, що НДТ є і завжди була мертвою теорією, тому що її основа в генетиці ніколи не існувала. Це не поодинокий висновок. Креаціоністи РеМін, Сенфорд і Уільямс7 задокументували безліч інших фатальних недоліків у цій теорії. У липні 2013 року почесний професор фізіології Оксфорда Деніс Нобл оголосив, що «Всі основні припущення сучасного синтезу (часто також називають неодарвінізмом) були спростовані».8

Що таке «корисні мутації»?

Природа мутацій та їх внесок в історію життя були детально розглянуті в креаціоністській літературі.5,9,10,11,12 Загальний висновок характеризується цією цитатою з генетики рослин Джона Сенфорда:

«Все, що стосується істинного розподілу мутацій, свідчить проти їхньої можливої ролі в подальшій еволюції [акцент в оригіналі]» (стор 25).6

На відміну від НДТ, Сенфорд показав, що наші геноми страждають від «генетичної ентропії» — сублетальні шкідливі мутації накопичуються нестримно, приводячи нас до неминучого вимирання. Еволюціоністи призвели низку мутацій, які можуть бути корисні в деяких популяціях при певних обставинах.13,14 Креаціоністи вивчили ці випадки15 й погодилися з тим, що деякі з них заслуговують довіри, а інші є двозначними/сумнівними (з потенційними перевагами або недоліками) і більшість з них пов'язані з втратою генетичної інформації, яка узгоджується з теорією Сенфорда (і суперечить НДТ). Проте, не один з цих прикладів ніколи не використовується генетичними теоретиками, тому що їм потрібні великі набори даних, які показують придатність як великих, так і малих генетичних змін.

Малюнок 3. Припущення Фішера про те, що найменші мутації мають найбільшу ймовірність стати корисними для виду. Мутації з великими ефектами поступово стають менш корисними. Перемальовано з Фишер3, малюнок 3, стор 40, з невеликим стисненням у горизонтальному масштабі.

Для цілей цієї статті найбільш важливим припущенням Фішера було те, що тільки найменші мутації можуть стати корисними.16 Ті з них, які матимуть все більш значні наслідки, стануть все менш вигідні. Він проілюстрував це припущення на своєму малюнку 3, відтвореного тут на малюнку 1. Пунктирна лінія на малюнку 1 описує «експоненційну» криву. Фішер очікував, що найбільш корисні мутації будуть мати лише незначний ефект і, отже, виникнуть майже з нуля на горизонтальній шкалі. Йому потрібно було багато корисних змін, щоб змусити його теорію працювати так, щоб їхня максимальна частота також була близька до нуля, супроводжуваному зменшенням частот мутацій, які дають великі ефекти. Щоб перевірити теорію Фішера, генетикам потрібен розподіл частот мутацій у діапазоні від малих до великих ефектів. Жоден з наведених вище прикладів відповідних цьому критерію, не має будь-чого схожого з недавнім великомасштабним секвенуванням геномів людини, як зазначено в частині 1.1 Недавній патент «Дизайнерська дитина» (діти з генетично відредагованих ембріонів — прим. ред.) також не допоможе, так як в більшій мірі він стосується мінімізації ризику захворювання. Єдиними потенційними позитивними факторами були толерантність до лактози й м'язова працездатність (спринт проти витривалості).17 Жоден з них не забезпечує перевірку теорії Фішера.

У генетиків є ще одна вимога до підходящих даних. Їм потрібно більше зразків корисних мутацій до того, як відбір почне працювати над ними, а не після, як у всіх наведених вище прикладів. Дослідження 2006 року,яке намагається досягти цього в бактеріальних експериментах, заявило, що «розподіл ефектів придатності серед корисних мутацій неможливо відрізнити від ... приблизно експоненціального розподілу з багатьма мутаціями невеликого ефекту й кількома великими ефектами».18Теорія Фішера, схоже, підтвердилася. Проте в дослідженні 2009 року був досягнутий дещо інший результат:

Малюнок 4. Придатність впливає на пристосованість корисних мутацій, виміряних вперше (заштриховані стовпчики, представляють 100 мутацій в бактеріальних колоніях). Генетики-теоретики очікували експоненціальний розподіл (як пунктирна лінія), але дані краще відповідали нормальному розподілу (пунктирна лінія). (З МакДональд та ін 4 мал. 1а.)

«У відповідності з теорією [Фішера] ефекти корисних мутацій експоненціально розподіляються там, де пристосованість дикого типу є помірною або високою.Проте, коли пристосованість дикого типу низька, дані більше не слідують експоненціальному розподілу, тому що багато корисних мутацій впливають на пристосованість. Не існує популяційної генетичної теорії, яка могла б пояснити цей ухил в сторону мутацій з великими ефектами [курсив додано]».19

 Перші експерименти по повному вирішенню проблеми відбору були опубліковані в 2011 році, а результати представлені на малюнку 2. Замість того, щоб відповідати односторонньому експоненціальному розподілу Фішера, він дав двосторонній нормальний розподіл.4 Цей результат був настільки «цікавим», що автори заявили, що їхні експерименти не були «перевіркою існуючої [тобто фішеровської] теорії». Але «навіть за відсутності [нової] теорії нашого детального розуміння карти генотип-фенотип, що лежить в основі [корисних мутацій], має бути достатньо, щоб спробувати пояснити спостережений нормальний розподіл. Однак, застосувавши своє «детальне розуміння», вони змушені були визнати, що «незрозуміло, чому [мутації] повинні відповідати нормальному розподілу».

Порівняння шкідливих і корисних мутацій

 Тепер, коли у нас є деякі «достовірні дані» про корисні мутації, які суперечать експоненціальному розподілу Фішера, варто знайти деякі настільки ж «достовірні дані» про шкідливі мутації, щоб порівняти їх.Це особливо важливо в світлі того факту, що генетичне теоретизування з цього питання протягом усього 20-го століття грунтувалося на припущеннях, а не на даних. Наприклад, «Нейтральна теорія молекулярної еволюції» Мото Кімури заснована на принципі, що природний відбір не здатний виявити ефекти більшості мутацій.20 Тому його теорія заснована, головним чином, на незнанні генетичних наслідків, що є антитезою того, що тут необхідно. Як виявилося, це фундаментальна проблема в усіх видах досліджень мутацій. Надзвичайно важко експериментально перевірити причинно-наслідкові зв'язки між генетичними змінами й фенотипічними наслідками. Проблема настільки велика, що більшість дослідників навіть не намагаються її вирішити. Вони просто роблять комп'ютерні «дослідження асоціацій по всьому геному» (genome wide studies association — GWAS)21, а потім розмірковують про причини й наслідки.

Шкідливі мутації повинні слідувати експоненційної кривої Фішера, оскільки ми могли б очікувати, що поодинокі нуклеотидні варіації, подібно іржі в машині, лише поступово будуть погіршувати функції організму. Згідно моделі, розробленої фізиком і теоретиком інформації Х'юбертом Йокі, білки повинні допускати численні заміни між амінокислотами, що мають подібні властивості, перш ніж функція всієї молекули буде порушена.22 Тобто, мутації в областях, які кодують білок повинні призводити тільки до поступового зниження пристосованості по мірі збільшення мутаційного навантаження, як і передбачав Фішер. Здається, однак, що Фішер і Йокі обидва були неправі.

Малюнок 3. Розподіл ефектів пристосованості для шкідливих амінокислотно-змінюючих мутацій у людей (темно-сірі колонки зліва, представляють 47 576 мутацій від 35 суб'єктів, Бойко та ін. 23 табл.5) порівняно з корисними мутаціями (світло-сірі стовпці праворуч, мікробні дані, малюнок 2 вище). Пунктирні лінії є найбільш відповідними теоретичними кривими (гамма зліва, нормаль праворуч), а пунктирні лінії з обох сторін — очікувані експоненціальні розподіли Фішера.

Результати найбільшого дослідження впливу амінокислотно-змінюючих мутацій й геномів людини, скориговані на ефекти відбору,23 представлені на малюнку 3 поряд з корисними мутаціями з малюнка 2. Дані не схожі на експоненційний розподіл Фішера (пунктирна лінія зліва), але добре вписуються в гамма-розподіл, як показано пунктирною лінією. Ця крива була обмежена для проходження через нульову частоту при нульовому ефекті, щоб проілюструвати одну з декількох моделей, протестованих авторами, де шкідливі мутації належать до іншого класу нейтральних мутацій.24Вона також була змушена пройти через нульову частоту, у крайньому лівому кутку, де шкідливі мутації стають смертельними.

Очікувані експоненціальні криві Фішера показано однакового розміру для обох ефектів, тому що він припустив, що обидва відбулися з однаковою частотою (на відміну від його даних).25 Його криві не мають нічого спільного ні з одним з представлених тут розподілів. Ці два набори даних ясно описують два абсолютно різних класи біологічних подій.

Порівняння на малюнку 3 потребують деякого уточнення, щоб виправити помилкове припущення Фішера про те, що корисні й шкідливі мутації відбуваються з однаковою частотою. Сьогодні ми знаємо, що корисні мутації дуже рідкісні. Якби сучасний генетик виправив помилкове припущення Фішера (як це зробив Сенфорд6 у своєму малюнку 3), то результат міг би виглядати приблизно так, як на малюнку 4.

Малюнок 4. Ілюстрація очікуваного розподілу придатності ефектів Фішера для всіх мутацій, скоригована з урахуванням крайньої рідкості корисних мутацій (маленький шлейф праворуч від нульового ефекту).

Крива на малюнку 4 тепер має дивну форму, але це не проблема, тому що статистичні розподіли бувають різних форм і розмірів. Важливим моментом на мал.4 генетики ще з часів Фішера очікували, що корисні мутації будуть не більш ніж правим шлейфом розподілу всіх мутацій за ефектом пристосованості. У них був тільки один механізм для створення новинок через корисні мутації — випадкові помилки копіювання ДНК (див. частину 1) — і це був той самий механізм, який генерував шкідливі мутації. Очікуваний розподіл буде мати максимальне значення на нулі або близько нуля, із шлейфами, що зменьшуються з обох сторін, які показують експоненціальні криві.26 Максимальне значення близько нуля означає, що невеликі зміни з невеликим або нульовим ефектом є найбільш частими для обох видів, причому великі зміни в обох напрямках стають все більш рідкісними.

Генетики не очікували, що корисні мутації (або шкідливі мутації) призведуть до появи окремо розташованих двосторонніх розподілів з максимальними значеннями, далекими від нульового ефекту пристосованості мутацій. Це означало б, що корисні мутації виникають з іншого класу процесів, відмінних від тих, які виробляють шкідливі мутації. І саме тому нові корисні дані викликали такий жах, тому що в них не було теорії, щоб пояснити це. Але креаціоністи можуть пояснити це з допомогою статистики та останніх розробок в області молекулярної системної біології.

Молекулярна системна біологія

Теорія Фішера була побудована на його геноцентричному погляді на спадковість, який виник у Менделя й ранніх генетиків. У сучасних термінах ДНК ми тепер знаємо, що найменша можлива мутація — це всього лише одна зміна нуклеотиду. Для бактерії ця різниця склала б близько 0,0001% (1 зміна в геномі з 1 мільйоном нуклеотидів), а у людини це буде різниця близько 0,00000003% (1 зміна в геномі з 3 мільярдами нуклеотидів). Такі крихітні зміни, швидше за все, будуть зовсім незначними за своїм впливом на організм.27 Ми також знаємо з секвенування генома, що однонуклеотидні зміни є найбільш поширеними. Проект «1000 геномів», згаданий у 1-й частині, виявив 38 мільйонів змін однонуклеотидів, 1,4 мільйона інделей (різниця 1-50 нуклеотидів в результаті вставок і/або делецій) і 14 000 великих делецій (>50 нуклеотидів). Ці результати слідують очікуванням Фішера — невеликі зміни є найбільш поширеними, в той час як великі зміни стають все більш рідкісними. Фішер також припустив, що сума збитків, завданих мутацією, буде пропорційна величині зміни (сучасною мовою, кількість задіяних нуклеотидів), що призведе до аналогічної експоненціально спадної кривої. Ні один з наборів даних на малюнку 3 не відповідає цьому шаблону, тому що ще щось повинно відбуватися.

Коли фізіолог Деніс Нобл оголосив про смерть НДТ в 2013 році, він виступав за новий погляд на життя, заснований на клітинах, з геномом, є просто органом всередині клітини.8 Молекулярна системна биологія28 і еволюційна біологія розвитку (evodevo)29 є центральними дисциплінами в побудові цього нового погляду на життя. У новаторській книзі 1997 року «Клітини, ембріони та еволюція: на шляху до клітинного та еволюційного розуміння фенотипових варіацій і еволюційної адаптивності» професор Берклі Джон Герхарт і професор Гарварду Марк Кіршнер описали еволюційний парадокс, який відкрила молекулярна біологія. З одного боку, відбувається надзвичайне збереження молекулярної структури й функцій в основних процесах життя. Всі прокаріотичні клітини мають подібну структуру й метаболічні функції.

Всі еукаріотичні клітини мають подібну структуру й метаболічні функції (до спеціалізації).

Усі багатоклітинні тварини використовують одні й ті ж з'єднання та позаклітинний матрикс. Метаболічні процеси настільки добре зберігаються, що ген людського інсуліну може бути вставлений в геном бактерії або дріжджів, і саме виходить людський інсулін. Плани тіла залишаються такими самими у всьому типі. З іншого боку, існує надзвичайна розмаїтість в анатомії, фізіології і поведінкових стратегіях окремих видів. Як може так багато речей, які залишаються незмінними, виробляти так багато різних способів? Кіршнер і Герхарт не змогли вирішити парадокс у 1997 році, але їм вдалося ідентифікувати це як серйозну проблему для еволюціоністів-біологів. НДТ повністю залежить від випадкових помилок копіювання ДНК при отриманні новизни, тому вони очікували знайти випадкові зміни у всьому. Щось явно було не так!

У 2005 році Кіршнер і Герхарт досягли успіху в тому, що вони називали першою всеосяжною теорією того, як життя працює на молекулярному рівні: теорія спрощених варіацій.Розглянутий раніше в цьому журналі30,31 він був позитивно спринятий32,33 Національною Академією наук, 34 і отримав підтримку в дослідженні комп'ютерного моделірованія.35 Вони визначили «слабкий регуляторний зв'язок» між «модульними збереженими основними процесами» як рішення парадоксу. Вони порівняли модульні компоненти з блоками Lego — окремо їх важко зламати (зберегти), але вони легко розбираються і переставляються (слабо пов'язані) для створення різних видів, розмірів і форм органів і організмів. Крім того, вони стверджували, що адаптивність і, отже, «еволюціоніруємість» вбудовані. Генетичні варіації і мутації не повинні бути творчими; їм потрібно тільки запустити творчий потенціал, вбудований в організм.36 Це твердження є приголомшуючим спростуванням дарвінізму, але автори не змогли його подтвердити.37 Одним із наслідків цього є те, що унікальні корисні мутації більше не потрібні, тому що весь потенціал для зміни в будь-якій конкретній лінії вже вбудований, просто в очікуванні, щоб бути вираженим через генетичну зміну. Одним з досягнень їхньої теорії є те, що вона забезпечує механізм, за допомогою якого шкідливі мутації можуть мати корисні результати. Збулася мрія Фішера? Кіршнер і Герхарт посилалися на механізми, що лежать в основі варіацій дзьоба в галапагосских юрках Дарвіна в якості підтримки їхньої теорії. НДТ потребують тривалої послідовності мутацій, що відбуваються незалежно в верхньому й нижньому дзьобі та прилеглої черепно-лицевої системі, а також багатьох поколінь відбору, щоб повільно виробляти поступові морфологічні та функціональні зміни. Але дослідження показали, що для пояснення спостережуваної природної зміни необхідні тільки дві модульних регуляторних зміни.

 Білок морфології кісткової тканини BMP4 при експресії раніше або пізніше в ембріогенезі викликає широкий або вузький розвиток дзьоба, а більш-менш кальцієвий регуляторний білок кальмодулін продукує довгі або короткі дзьоби. Ці модифікації відбуваються через зміни в регуляторних системах, які не заважають механізму будувати черепно-лицьові особливості.38Польові спостереження підтверджують, що розмір і форма дзьоба змінюються по мірі зміни клімату й наявності їжи.39

Кіршнер і Герхарт не спекулювали на формі розподілу ефектів пристосованості мутацій, які пророкує їхня теорія. Проте, якщо ми додамо в їхні рамки теорію Пєєра Терборга про фронтально навантажених бараномах, які поставляються із вбудованими варіаційно-індукуючими генетичними елементами (variation-inducing genetic elements — VIGEs),40 разом з недавнім розумінням мереж регуляції генів, то креаціоністи можуть зробити такі прогнози.

Геном регулювання 

Система кодування білка в ДНК становить усього близько 1,5% геному людини. Останні звіти по кодуванню (ENCODE) показують, що інші 98,5% «повні функціональних елементів»41, і вони «широко транскрибовані».42 Дослідники сказали, що РНК, а не ДНК, тепер повинна бути ідентифікована як носій спадкування, і концепція «гена» повинна бути переглянута, щоб врахувати всі регуляторні взаємодії аж до появи фенотипу, який він виробляє.43 Це твердження віщує велику революцію в біологічному мисленні — вивести його з генно-орієнтованої парадигми й помістити його прямо в парадигму клітини/організму, до якої закликав Ноубл.

Величезна кількість РНК, транскрибуючих з некодуючою ДНК, значною мірою обмежена ядром, де вони працюють над регулюванням генів.43 Ось де відбувається справа життя. Регуляторний ген, як тепер відомо, складається із складного набору генних регуляторних мереж (Gene Regulatory Networks, GRNs) в комбінаціях, унікальних для кожного виду. «GRNs складаються з декількох подсхем, тобто окремі завдання регулювання, які може бути проаналізований процес, що виконуються в кожній даній підсхемі GRN».44 це означає, що GRNs є «модулями», як визначено Киршнером і Герхартом. GRNs використовують базові логічні схеми (оператори AND, OR і NOT) для обробки біологічних даних у своїх «цис-регуляторних» вузлах точно аналогічним чином з тим, що в сучасних комп'ютерах.45 З цих базових логічних операцій можуть бути отримані навіть найскладніші схеми перемикання. Геноми людини містять близько 8 мільйонів таких регуляторних вузлів,46 тому розробка схем для створення людини — і виявлення відмінностей між людьми і шимпанзе — буде величезним підприємством. Ніхто навіть не робить необхідних досліджень, щоб з'ясувати це, тому що експерименти на ембріонах людини і шимпанзе заборонені.

Ідея про те, що гени можуть регулюватися логічними схемами, виникла в 1969 році з фізиком Манхеттенського проекту Роєм Бриттеном і біологом з розвитку Еріком Девідсоном.47 Вони провели залишок своєї кар'єри, вивчаючи GRNs в пурпурному морському їжі Strongylocentrotus purpuratus. Вони шукали ділянки перемикання на ДНК вище генів, які вони контролюють, вимірювали тимчасової хід РНК, отриманих з цих ділянок, а потім порівнювали їх зі стадіями розвитку в ранньому ембріоні. Тепер у них є схема GRN, яка перетворює ДНК в ранній ембріон.48

У 2006 році Девідсон написав перший підручник з цього предмету.49 Він показав, що GRNs працюють на трьох рівнях ієрархічного контролю. На верхньому рівні знаходяться елементи управління планом тіла, які не переносять ніяких змін (мутанти вмирають). Контроль другого рівня розвиває системи органів і придатків в межах плану тіла йє дуже консервативним (деякі зміни рідко можуть допускатися). Але елементи третього рівня контролю допускають, можливо, нескінченні зміни, і саме тут, на думку Девідсона, відбувається більшість видів і змін на рівні роду. Це різко змінює ландшафт придатності для мутацій, тому що їхні ефекти залежатимуть від рівня ієрархії GRN, в якій вони відбуваються.50 Інваріантність планів тіла в різних типах являє собою серйозну проблему для еволюції:

«Сильний висновок полягає в тому, що еволюційний процес, породжує ... базові плани тіла евметазоа, багато в чому сильновідрізнявся від еволюційних змін, які можна спостерігати на видовому рівні в сучасних тварин [курсив додано]».51

У 2011 році Девідсон отримав Міжнародну премію з біології за свою роботу.

Інтеграція молекулярної біології і статистики

Тепер ми можемо спробувати пояснити, чому корисні мутації відповідають нормальному розподілу, чому шкідливі мутації відповідають гамма-розподілу й чому жодна з них не відповідає експоненціальному розподілу Фішера. Експоненційний розподіл Фішера повністю зрозуміло в його геноцентричному погляді на життя, як було показано раніше, і воно не пояснює дані на малюнку 3. Його ідея про те, що шкідливі мутації можуть стати корисними, мабуть, виправдана теорією Кіршнера-Герхарта, але їхній механізм настільки радикально відрізняється, що він являє собою явне заперечення механізму Фішера. Корисні мутації, які слідують за нормальним розподілом, можуть бути пояснені модульною структурою життя на молекулярному рівні. Модульність визнана фундаментальною в метафорі блоків Lego Кіршнера і Герхарта, в ієрархічних логічних регуляторних ланцюгах генів Девідсона і в VIGEs Терборга. На відміну від Фішера, жоден з цих авторів не описує основну роль однонуклеотидних варіацій (single-nucleotіde variations, Snv) в історії життя. Генетична інформація не полягає в накопиченні Snv з плином часу (як передбачає НДТ); вона полягає в генетичних інформаційнихсистемах, які завжди приходять в модульній формі.52

Фактично все всередині клітини є модульним, тому що вона складається з великих макромолекул, або окремо, або в поєднанні з одним або багатьма іншими, щоб створити внутрішньоклітинні машини. Білки також є модульними за структурою, причому різні модулі роблять різні речі, і кожен з них зазвичай робить те ж саме в різних білках. Гени — в їхньому хрестоматійному поданні — є модульними й складаються з декількох окремих сегментів екзону та інтрону. Булева логіка вказує на дискретну (грудкувату, стрибкоподібну або ступеневу структуру), а не на безперервні (гладкі) результати — модулі або є, або відсутні; вони або включені або вимкнені, і вони працюють разом або окремо від інших модулів. Все в здоровій клітині має свою мету. Використані деталі швидко розбираються, а компоненти швидко переробляються, тому ніколи не буває великої кількості дрібних предметів, що лежать навколо, які не чинять істотного впливу на фізичну форму організму. Це означає, що ніколи не існує максимальної частоти модулів на нулі або близько нуля на шкалі ефектів пристосованості мутацій, як передбачала теорія Фішера.

Всі види здатні переносити й пристосовуватися до певної кількості варіацій у своїх умовах життя. Розумний творець, швидше за все, створить VIGEs, здатних дати великий імпульс для підвищення фізичної форми, а не просто маленький, щоб перемістити вигляд з одного «адаптивного діапазону» в інший. Терборг перерахував ендогенні ретровіруси, послідовності вставки, лінії, синуси, микроспутники й транспозони серед своїх кандидатів VIGEs. Це полінуклеотидні послідовності розміром до декількох тисяч нуклеотидів у довжину. Таким чином, перевага придатності, отримана шляхом перебудови VIGEs в процесі регулювання, з більшою ймовірністю призведе до великих корисних змін, ніж до невеликих. Тому, розподіл корисних ефектів пристосованості мутацій повинен мати максимальне значення значно вище нуля, як це спостерігається.

Навпаки, коли справа доходить до шкідливих амінокислотних мутацій, це були б ті види подій, які порушують структурні або функціональні модулі на основі білка, а не просто перебудовують регуляторні ланцюги. Такий розрив з більшою ймовірністю призведе до утворення великих шкідливих дефектів, а не дрібних, як показано на мал.3. Сприятливою відповіддю в бактеріальних експериментах було перевиробництво целюлози, що дозволило колонії утворюватися й плавати на поверхні рідкого середовища. Бактерії були спроектовані так, що мутації, які викликали перевиробництво, також активували ген стійкості до антибіотиків. Бактерії були вирощені на середовищі, що містить антибіотик, тому вижили тільки мутанти, в той час як нерезистентный спадковий тип був знищений. Таким чином, переваги мутацій можуть бути виявлені до того, як станеться який-небудь відбір для утворення колоній (відбір, який дійсно стався, був проведений антибіотиком).

Було 39 різних метаболічних шляхів, в яких мутація теоретично могла б дати результат, але насправді вона спостерігалася тільки в трьох шляхах, і кожен раз вона була в регуляторному компоненті.53 Щоб перевірити наявність інших видів мутацій, автори реконструювали спадкову форму бактерії, в якій була відсутня будь-якаіз спостережуваних мутацій, і виявили (протягом більш тривалого періоду), що точно такі ж мутації відбуваються знову. Вони прийшли до висновку, що «еволюція», яку вони спостерігали, не була випадковою, а обмеженою попередньою генетичною архітектурою. Ці результати відповідають тому, що запропонували Кіршнер і Герхарт: по-перше, що генна регуляція є «слабким зв'язком», яка дозволяє легко перебудовувати функціональні модулі (виробництво целюлози, утворення колоній), а по-друге, що вже існуюча генетична архітектура полегшує цей корисний вид варіації!

Зверніть увагу, що ці мутації не внесли нічого нового у вид. Вони тільки налаштували наявне обладнання для виробництва целюлози, щоб домогтися позитивного результату. Обмеження «еволюції» мутаціями тільки в 3 з 39 можливих шляхів також відповідає відкриттю Девідсона, що ієрархічні GRNs легко переносять зміни тільки в своїх ланцюгах управління найнижчого рівня. В даному випадку достатню кількість додаткової целюлози, що дозволяє колонії плавати, стало оптимальним, а, отже, і найбільш поширеним результатом, що призводить до піку розподілу. Деякі мутації, можливо, викликали надлишок целюлози, яка могла б виснажити ресурси для інших функцій, і вони сформували верхню частину розподілу. Інші мутації могли мати недолік целюлози, викликаючи меншу кількість бактерій для реплікації і/або приєднання до колонії, тим самим сприяючи більш нижнього рівня розподілу. Мутації, що викликали лише незначний надлишок целюлози, мало допомогли б у формуванні колоній, тому вони, ймовірно, вижили практично з нульовою частотою, як спостерігалося.

На відміну від нормального розподілу, крива гамма-розподілу на малюнку 3 говорить нам щось зовсім інше. По-перше, крайня ліва частина кривої переходить на нульову частоту, щоб показати, що пошкодження мутації за цією точкою є смертельним. Не існує ніякої порівнянної верхньої межі на позитивній стороні (далеко праворуч від нормальної кривої), тому що позитивні переваги теоретично можуть виходити далеко за межі показаної точки. Максимум гамма-кривої праворуч від смертельної зони говорить нам, що більшість мутацій, що змінюють амінокислоти, викликають сублетальні, але все ж майже смертельні ушкодження — вони значною мірою впливають на репродуктивну придатність. Це ті види мутацій, що природний відбір не може видалити, і вони накопичуються, як описує модель Сенфорда.

Обговорення і висновки

Протягом ста років дарвіністи покладали свої надії на корисні мутації, які повинні були стати джерелом новизни, яку природний відбір міг накопичити, щоб зробити все розмаїття життя на Землі. Але коли вони, нарешті, з'явилися, вони так само швидко зникли знову. Немає такої речі, як корисна мутація, яка може зробити щось нове, чого не було раніше. Для природного відбору немає нічого нового, щоб таким чином здійснити дарвіновскую мрію.

Теорія Фішера, винайдена для порятунку дарвінізму від забуття, повністю суперечить цим новим даним. Корисні мутації не слідують експоненціальному розподілу з максимальним значенням близько нуля, як він очікував. Вони описують двосторонній нормальний розподіл з максимальним значенням значно вище нуля. Аналогічним чином, шкідливі мутації, які змінюють амінокислоти у людей, також не відповідають його теорії — вони мають максимальне значення значно нижче нуля.

Обидва ці результати можуть бути пояснені модульністью: модульність в структурі життя (блоки Lego Кіршнера й Герхарта), модульність у мережах регуляції генів (ієрархія булевих логічних схем Девідсона) і модульні вбудовані варіаційно-індукуючи механізми (VIGEs Терборга). Всі ці нові теорії молекулярної системної біології засновані або явно (Кіршнер-Герхарт, Терборг) або неявно (Девідсон) на одному й тому ж неминучому припущенні — що функціональне розмаїття життя відбувається з модульних перебудов того, що було побудовано. Це не походить від того, які мутації і природний відбір накопичилися з плином часу. Кожен приклад явно корисної мутації в літературі може бути пояснений невеликими змінами в уже існуючих біологічних структурах і функціях, які або були розроблені, щоб реагувати таким чином, або коли пошкодження таких механізмів призводить до корисних наслідків. Не створюється нічого нового, чого не було раніше. Єдине, що накопичило життя з плином часу — це постійно зростаючий тягар суб-летальних шкідливих мутацій, що ведуть нас до неминучого вимирання!

З часом теорія Фішера перетворилася на майже універсальну «наукову істину», згідно якої усе різноманіття життя на Землі еволюціонувало через мутації й природний відбір». Але принцип генетичної ентропії Сенфорда виявило безсилля природного відбору, і тут я розкрив помилку, яка лежить в основі концепції корисної мутації Фішера. Детальна наукова правда про історію життя ще не розкрита, але ми робимо гігантські кроки в цьому напрямку. Дорожна карта була окреслена, і вона вказує далеко від великої схеми дарвінівської мрії і прямо до розділів з 1 по 11 Буття.

Вираз подяки

Д-р. Дон Баттен і три анонімних рефері надали велику допомогу в коментарях до більш ранніх проектах цієї статті.


Автор: Алекс Вільямс

Дата публікації: серпень 2014

Джерело: creation.com


Переклад: Горячкіна Г.

Редактор: Недоступ А.


Посилання та примітки

1. Вільямс, А. Р., Корисні мутації: реальні або уявні? частина 1, J. Creation 28(1):122-127, April 2014; creation.com/mutations-part1. повернутися до тексту

2. Холдейн, Д. Б. С., Математична теорія природного й штучного відбору, Частина V: відбір і мутація, Math Proc Cambridge 23(7):838-844, 1927/doi: http://dx.doi.org/10.1017/S0305004100015644. повернутися до тексту

3. Фішер, Р. A., Генетична теорія природного відбору, видавництво Оксфордського університету, Лондон, стор 53, 1930. Повернутися до тексту

4. МакДональд М. Д., Cooper, T. F., Beaumont, H. J. E. and Rainey, P. B., Розподіл ефектів придатності нових корисних мутацій в Pseudomonas fluorescens, Товарbiol. Lett. 7(1): 98-100, 2011 | doi: 10.1098/rsbl.2010.0547. Повернутися до тексту

5. РеМайн, В. Д., Біотичне повідомлення: еволюція проти теорії повідомлень, St. Paul Science, MN, ч. 7-9, 1993. Повернутися до тексту

6. Сенфорд, Д. C., Генетична ентропія і таємниця геному, 3-євид., FMS Publications, New York, 2008. Повернутися до тексту

7. Вільямс, А., Розпад геному людини та походження життя, J. Creation 28(1):91-97, квітень 2014 року; creation.com/human-genome-decay. Повернутися до тексту

8. Ноубл, Д., Фізіологія розхитує основи еволюційної біології, Exp Physiol. 98 (8):1235-43|doi: 10.1113/expphysiol.2012.071134. Повернутися до тексту

9. Спетнер, Л., Не випадково! Руйнування сучасної теорії еволюції, The Judaica Press, Brooklyn, 1997. Повернутися до тексту

10. Трумен Р., Проблема інформації для теорії еволюції: чи справді Том Шнайдер вирішив її? trueorigin.org, дата звернення 21 січня 2014 року. Повернутися до тексту

11. Вільямс, А., Мутації: двигун еволюції стає кінцем еволюції, J. Creation 22 (2):60-66, серпень 2008; creation.com/evolutions-end. повернутися до тексту

12. Картер, Н. В., Можуть мутації створювати нову інформацію?, J. Creation 25(2): 92-98, серпень 2011; creation.com/new-info. повернутися до тексту

13. Керролл, Б. З., Нескінченні найкрасивіші форми: нова наука Evo Devo, Norton, New York, ч. 8-9 2005, Повернутися до тексту

14. rationalwiki.org станом на 6 березня 2014 року; Приклади корисних мутацій і природного відбору, gate.net, дата звернення 6 березня 2014 року. Повернутися до тексту

15. creation.com/search?q=beneficial+мутації. Повернутися до тексту

16. Я вирішив продовжити акцент Фішера на слові «стать», щоб читачі знали про його винахід. Повернутися до тексту

17. Войціцький А. і співавт., Відбір донорів гамет на основі генетичних розрахунків, патент США№. US 8,543,339 B2, 24 вересня 2013р. Повернутися до тексту

18. Кассен, Р. і Батайон, T., Розподіл ефектів придатності серед корисних мутацій до відбору в експериментальних популяціях бактерій, Nature Genetics 38:484-488, 2006|doi: 10.1038/ng1751. Повернутися до тексту

19. Маклін, Р. К. і Баклинг, A., Розподіл ефектів придатності корисних мутацій в Pseudomonas aeruginosa, PLoS Genet. 5(3): e1000406, 2009|doi:10.1371/journal.пген.1000406. Повернутися до тексту

20. Кімура, М., Нейтральна теорія молекулярної еволюції, Cambridge University Press, 1983. Повернутися до тексту

21. Політика GWAS Національних інститутів охорони здоров'я ілюструє цей момент, gds.nih.gov, дата звернення 26 лютого 2014 року. Повернутися до тексту

22. Йокі, H. P., Теорія інформації, еволюція й походження життя, Cambridge University Press, ch. 6, 2005. Повернутися до тексту

23. Бойко, А. Р. та ін., Оцінка еволюційного впливу амінокислотних мутацій в геномі людини, PLoS Genetics 4 (5):e1000083, 2008|doi: 10.1371/journal.пген.1000083.Малюнок 3 заснований на чотирьох категоріях ефектів придатності, представлених в їх таблиці 5: s <0.00001, 0.00001  

 24. Кілька авторів припустили, що не може бути дійсно нейтральних мутацій. Одне з можливих пояснень зовні нейтральних мутацій — генетична надмірність. Див. Teрборг П., Свідоцтво для створення життя: частина 1 генетична надмірність, J. Creation 22 (3):79-84, December 2008; creation.com/baranomes-design. повернутися до тексту

 25. Дані Фішера були представлені в його таблиці 1, стор. 51, і його припущення про рівну частоту на стор. 18-19 та 38-39. Криві Фішера на малюнку 3 мають максимальні значення вище, ніж інші, тому що площа під усіма кривими відображає пропорції порівнюваних мутацій і повинна бути приблизно порівнянна. Повернутися до тексту

26. Ряд модифікацій експоненційної форми були зроблені більш пізніми авторами, але всі вони, як і раніше, кваліфікуються як «експоненціальні» з максимумом, близьким до нуля. Повернутися до тексту

27. Кілька дуже рідкісних захворювань викликані зміною одного нуклеотиду. Повернутися до тексту

28. Молекулярна системна біологія, msb.embopress.org, дата звернення 10 вересня 2013 року. Повернутися до тексту

29. evodevojournal.com, дата звернення 26 лютого 2014 року. Повернутися до тексту

30. Вільямс, А., Полегшена варіація: нова парадигма з'являється в біології, J. Creation 22(1):85-92, квітень 2008. Повернутися до тексту

31. Лайтнер, Д. K., Призначений населяти Землю: огляд правдоподібності життя: дозвіл дилеми Дарвіна Марком Ст. Киршнером і Джоном К. Герхартом, Yale University Press, New Haven, CT, 2005, J. Creation 22(1):33-36, квітень 2008. Повернутися до тексту

32. Эвайз, Д. C. і Айала, Ф. Д.,У світлі еволюції I: адаптація й складний дизайн, PNAS 104(Supp. 1):8563-8566, 2007 | doi:10.1073/pnas.0702066104. Повернутися до тексту

33. Уілкінс, А. С.,Між «дизайном» і «бриколажем»: генетичні мережі, рівні відбору й адаптивна еволюція, PNAS 104(Supp. 1):8590-8596, 2007|doi:10.1073/pnas.0701044104. Повернутися д отексту

34. Герхарт, Д.,і Кіршнер, М., Теорія полегшеної варіації, PNAS 104 (Supp. 1):8582-8589, 2007|doi:10.1073/pnas.0701035104. Повернутися до тексту

35. Партер, M., Каштан, Н. і Алон, У., Спрощена варіація: як еволюція навчається з минулих середовищ узагальнювати в нові середовища, PLoS Computational Biology 4(11): e1000206, 2008|doi:10.1371/journal.pcbi.1000206. Повернутися до тексту

36. Кіршнер, М. В. і Герхарт, Д. C., Правдоподібність життя: рішення дилеми Дарвіна, видавництво Єльського університету, стор 227, 2005. Повернутися до тексту

37. Я підозрюю, що саме з цієї причини теорія — навіть якщо вона заснована на твердих доказах, запропонована такими видатними вченими й була добре прийнята на найвищому рівні в науковому істеблішменті — з тих пір так широко ігнорується. Повернутися до тексту

38. Кіршнер і Герхарт, посилання 34, стор 230-236. Повернутися до тексту

39. Грант, П. Н. і Грант, Б. Р., Як і чому види розмножуються: вивчення в'юрків Дарвіна, видавництво Прінстонського університету, 2008. Повернутися до тексту

40. Терборг, П., Докази для дизайну життя: частина 2 — Baranomes, J. Creation 22(3):68-76, грудень 2008. Терборг, П., Докази для дизайну життя: частина 3 — введення в зміну, що викликає генетичні елементи, J. Creation 23(1):99-106, квітень 2009. Повернутися до тексту

41. Саньял, А. і співавт., Ландшафт довгострокової взаємодії промоторів генів, Nature 489 (7414):109-115, 2012|doi:10.1038/nature11279. Повернутися до тексту

42. Вентерс, Б. Д. і П'ю, Б. Ф., Геномна організація комплексів ініціації транскрипції людини, Nature 502 (7469):53-58, 2013|doi:10.1038/nature12535. Повернутися до тексту

43. Джебалі С. і співавт., Ландшафт транскрипції в клітинах людини, Nature 489 (7414):101-108, 2012 | doi:10.1038/nature11233. Повернутися до тексту

44. Девідсон, Е. Х., Нові властивості регуляторних мереж генів тварин, Nature 468(7326):911-20, 2010|Дої:10.1038/nature09645. Повернутися до тексту

45. Істраіл С., Де-Леон С. Б. і Istrail, S., De-Leon, S. B. і Девідсон, Е. Х., Регуляторний геном і комп'ютер, Developmental Biology 310(2):187-195, 2007. Повернутися до тексту

46. Неф, С. і співавт., Експансивна регуляторна людська лексика, закодована в слідах транскрипційного фактору, Nature 489 (7414):83-90, 2012|doi: 10.1038/nature11212. Повернутися до тексту

47. Бріттен Р. Д. і Девідсон, Е. Х., Регулювання гену для вищих клітин: теорія, Science 165(3891):349-357, 1969. Повернутися до тексту

48. Лабораторія Давідсона, Короткий огляд досліджень, its.caltech.edu, дата звернення 20 листопада 2013 року. Повернутися до тексту

49. Давідсон, Е. Х., Регуляторний ген: генні регуляторні мережі в процесі розвитку й еволюції, Academic Press, San Diego, CA, 2006,. Повернутися до тексту

50. Ервін, Д. Х. і Давідсон, Е. Х., Еволюція ієрархічних мереж регуляції генів, Nature Reviews Genetics 10 (2):141-148 2009|doi: 10.1038/nrg2499. Повернутися до тексту

 51. Давідсон, Е. Х., і Ервін, Д. Х., Інтегрований погляд на докембрійську еволюцію евметазоа, Симпозіум Cold Spring Harbour за кількісною біологією 74:65-80 2009|doi: 10.1101/sqb.2009.74.042. Повернутися до тексту

 52. Трумен, Р., Теорія інформації — частина 3: введення в кодовані інформаційні системи, J. Creation 26 (3):115-119, грудень 2012. Повернутися до тексту

 53. МакДональд, М. Д. і співавт., Адаптивна дивергенція в експериментальних популяціях Pseudomonas fluorescens. IV. генетичні обмеження направляють еволюційні траєкторії в паралельному адаптивному випромінюванні, Genetics 183 (3):1041-1053 2009|doi: 10.1534 / генетіка.109.107110. Повернутися до тексту

Написати коментар