Bakterije ‘evoluiraju u laboratoriju’?
‘Trn u oku anti-evolucionista’?
Objavljeno: 14. lipnja 2008. (GMT+10)
Neke bakterije uzgojene u laboratoriju stekle su sposobnost korištenja citrata kao izvora energije. Zaprimili smo mnogo pitanja vezanih za tu temu, a ovo je naš odgovor svima koji su postavili pitanje.
Članak objavljen u New Scientist-u obznanjuje:
Lenski-jev eksperiment je također još jedan trn u oku anti-evolucionista, kaže Jerry Coyne, evolucijski biolog sa Sveučilišta u Chicago-u. “Ono što mi se najviše sviđa je to što te složene osobine mogu nastati kombinacijom malo vjerojatnih događaja,” tvrdi on. “To je upravo ono za što kreacionisti kažu da nije moguće.”1
Brojni komentari na web-stranici New Scientist-a pokazuju u kolikoj mjeri su ateisti uzbuđeni ovim izvještajem. Oni naprosto likuju.
Kontekst
Godine 1988, Richard Lenski, Michigan State University, East Lansing, načinio je 12 kultura bakterije E.coli, te ih uzgajao u laboratoriju, generaciju za generacijom, dvadeset godina (zaslužuje bodove za upornost!). Medij za uzgoj kultura sadržavao je malo glukoze i mnogo citrata, pa nakon što bi mikrobi konzumirali svu glukozu, nastavili bi se razvijati samo ako bi bili u stanju razviti neki način da koriste citrat. Lenski je očekivao vidjeti evoluciju na djelu. Bilo je to prikladno očekivanje nekoga tko vjeruje u evoluciju, jer se bakterije brzo razmnožavaju, te mogu stvoriti ogromne populacije, kao u ovom slučaju. Također mogu pretrpjeti više stope mutacija od organizama koji imaju veće genome, poput kralježnjaka kakvi smo mi.2 Sve to vodi, prema neodarvinizmu, ka sigurnom primjećivanju velikog broja evolucijskih promjena u realnom vremenu (umjesto da se zamišlja kako se evolucija događa u prošlosti koju nije moguće promatrati). S kratkim generacijskim intervalima, tijekom 20 godina to je rezultiralo s nekih 44,000 generacija, ekvivalentno približno milijun godina kada govorimo o generacijama ljudske populacije (no evolucijske mogućnosti ljudi bi bile daleko, daleko manje, zbog brojčano malih populacija što ograničava broj mutacijskih mogućnosti; te značajno većeg genoma, koji ne može podnijeti sličnu stopu mutacija da pri tome ne dođe do katastrofe uslijed grešaka; tj. izumiranja; a spolna reprodukcija sexual reproduction znači da postoji 50% vjerojatnosti da neće doći do korisnih mutacija ).
Kao što je već rečeno (vidi ‘Giving up on reality’), Lenski je izgleda odustao od ‘evolucije u laboratoriju’ te pribjegao računalnom modeliranju ‘evolucije’ pomoću programa zvanog Avida (vidi evaluaciju dr. Royal Truman-a , Part 1 i Part 2, tehnički tekstovi). Zaista, Lenski je imao dobar razlog da napusti nadu. Izračunao je1 da su se sve moguće jednostavne mutacije morale dogoditi nekoliko puta, no bez ikakvog dodavanja čak i jednostavne adaptivne osobine.
Lenski i kolege sada tvrde ta su konačno uočili priželjkivanu evoluciju u laboratoriju.
Znanost: što su pronašli?
U radu objavljenom u Proceedings of the National Academy of Science, Lenski i njegovi suradnici opisuju kako je jedna od 12 kultura njihovih bakterija razvila sposobnost metaboliziranja citrata kao izvora energije u aerobnim uvjetima.3
Do toga je došlo tijekom 31,500-te generacije. Koristeći zaleđene uzorke bakterija iz prijašnjih generacija pokazali su da se nešto, što je utrlo put da samo ta linija stekne sposobnost da prebaci svoj metabolizam na citrat, desilo oko 20,000-ite generacije. Pretpostavili su, sasvim razumno, da je to bila mutacija koja je omogućila kasniju mutaciju zaslužnu za korištenje citrata.
Ovo je blizu onome što Michael Behe naziva ‘The Edge of Evolution’(rub evolucije) – granica onoga što ‘evolucija’ (neinteligentan prirodan proces) može ostvariti. Primjerice, prilagodba koja zahtijeva jednu mutaciju mogla bi se slučajno dogoditi svako toliko. To je razlog zbog kojeg se uzročnik malarije može prilagoditi većini lijekova; no za rezistenciju na klorokin bilo je potrebno mnogo više vremena jer su se na jednom genu morale dogoditi dvije specifične mutacije. Čak i ova malena promjena je izvan dosega organizama, poput čovjeka, s mnogo većim generacijskim vremenom.4 Kod bakterija, postoji mogućnost i za čak tri koordinirane mutacije, no nije vjerojatno da su Lenski-jeve’s E. coli postigle više od dvije mutacije, pa nisu niti dosegle Behe-ov rub, a još manje napredovale na putu ka slonovima ili krokodilima.
Sada populističko predstavljanje ovog istraživanja (u New Scientist-u) ostavlja dojam da je E. coli razvila sposobnost metaboliziranja citrata, dok ju navodno nije posjedovala ranije. Međutim, to očito nije slučaj, budući da ciklus limunske kiseline, trikarboksilne kiseline (TCA), ili Krebs, (sve nazivi za istu stvar) generira i koristi citrat u svom normalnom oksidativnom metabolizmu glukoze i drugih ugljikohidrata.5
Nadalje, E. coli je normalno u stanju koristiti citrat kao izvor energije u anaerobnim uvjetima, s cijelim nizom gena uključenih u njegovu fermentaciju. To uključuje i gen koji kodira transportni protein unutar stanične stjenke koji unosi citrat u stanicu.6 Taj slijed gena (operon) je normalno aktivan samo u anaerobnim uvjetima.
Pa, što se dogodilo? Još nije jasno iz objavljenih informacija, no vjerojatan scenarij je taj da su mutacije blokirale regulaciju tog operona tako da bakterije stvaraju transporter citrata bez obzira na oksidativno stanje okoline bakterije (to jest, on je trajno uključen). To je slično žarulji koja se pali pošto zađe Sunce – senzor detektira nedostatak svjetla i pali žarulju. Greška senzora mogla bi rezultirati time da je žarulja konstantno upaljena. To je tip promjene o kojoj govorimo.
Druga mogućnost je da je postojeći gen za transport, poput onoga koji normalno vezuje tartrat,3 koji u normalnom slučaju ne transportira citrat, mutirao tako da je izgubio specifičnost te je tada u stanicu mogao transportirati citrat. Takav gubitak specifičnosti je također očekivan ishod nasumičnih mutacija. Gubitak specifičnosti jednak je gubitku informacije, no evolucija bi trebala stvarati nove informacije; informacije koje specificiraju enzime i kofaktore novih biokemijskih pathway-a [Bilješka Prevoditelja: pathway zahtijeva funkcioniranje više enzima, što je nemoguće ostvariti nasumičnim evolucijskim procesima. Ovo je složeniji pojam od npr. biokemijske funkcije na kakvu nailazimo u ovom primjeru, tj. nastanku sposobnosti korištenja citrata u aerobnim uvjetima], kako načiniti perje i kosti, živce ili komponente i sklop složenih motora poput ATP-a complex motors such as ATP synthase.
Međutim, mutacije su dobre u uništavanju, ne stvaranju. Ponekad uništavanje nečega može biti korisno (adaptivno),7 no to ne objašnjava nastanak zapanjujuće količine informacija sadržanih u DNK živih organizama. Behe je (u The Edge of Evolution) usporedio ulogu mutacija kod rezistencije na antibiotike i patogene, primjerice, s ratovanjem u rovovima, pri čemu mutacije uništavaju neke funkcije cilja ili domaćina kako bi prevladale osjetljivost. To je poput stavljanja žvakaće gume u mehanički sat; to nije način na koji je sat mogao biti stvoren.
Puno buke oko ničega (opet)
Behe je sasvim u pravu; ovdje ne nalazimo ništa što prelazi ‘rub evolucije’, a to znači da ovo nije relevantno kada se radi o porijeklu enzima i katalitičkih funkcija koje evolucija treba objasniti.8
Dodatak (ožujak 2016)
Daljnja istraživanja provedena na bakterijama koje probavljaju citrat razjasnila su dobar dio biokemijskog mehanizma zaslužnog za to da bakterije mogu koristiti citrat u prisustvu kisika, a ne samo u odsustvu kisika.1
Zachary Blount na ovome je temeljio svoj doktorat, te je to jedan impresivan rad.2 Zapravo, on je odradio ogroman posao kako bi ustanovio što se dogodilo, daleko veći od onoga što mnogi drugi odrade kako bi im se dodijelio doktorat. Blount je ustanovio da se razvoj sposobnosti korištenja citrata odigrao u tri koraka:
- Potenciranje: korak koji je uključivao najmanje dvije mutacije. Identificirao je jednu vjerojatnu mutaciju, jednu promjenu nukleotida (‘SNP’) koja je oštetila gen poznat kao arcB, zbog čega dolazi do pojačane regulacije enzima TCA (Krebs) ciklusa, što rezultira bržim metaboliziranjem citrata.
- Aktualizacija: dupliciranje gena koji proizvodi protein za transport citrata, a koji omogućuje uzimanje citrata iz okoline. Dupliciranje ovog gena izvan njegove normalne kontrolne sekvence omogućilo je da on bude aktivan u prisutnosti kisika (jer je potpao pod kontrolu postojećeg promotora koji je bio ‘uključen’ u prisustvu kisika). To je ključan korak koji je rezultirao slabom sposobnosti korištenja citrata u aerobnoj okolini.
- Rafiniranje: daljnja duplikacija te sekvence, koja je rezultirala s 3 ili više kopija, poznata kao amplifikacija. Ovo pojačano ‘doziranje gena’ za posljedicu je imalo veću proizvodnju proteina za transport citrata, povećavajući tako unos citrata.
Prije no što je ovo istraživanje učinjeno, pretpostavio sam gore navedeno kao moguć način na koji bi mutacije vjerojatno uzrokovale ovu mogućnost korištenja citrata u prisustvu kisika. Prvi prijedlog kojeg sam dao je da je kontrolni sustav, koji u prisustvu kisika zaustavlja korištenje citrata, oštećen. Iako je stvar kompleksnija od jednostavnog oštećenja kontrole (koja potiskuje proizvodnju transportnog proteina kada je kisik prisutan), ispalo je da je to prilično blisko onome što se zaista dogodilo, a to pokazuje da je krecionističko razmišljanje čini dobra znanstvena predviđanja.
Iako postojeće kontrole i gen za transport citrata nisu bili oštećeni, transportni gen je kopiran na drugu lokaciju, podalje od postojećeg kontrolnog niza tako da proizvodnja transportera više nije potisnuta u prisustvu kisika. Zaista, duplicirani gen je dospio pod nadzor postojećeg promotora (rnk promotor) koji je uključen u prisustvu kisika. Originalan gen je i dalje isključen u prisutnosti kisika, ali je duplikat aktivan u prisutnosti kisika. Time je sposobnost stanice da nadzire proizvodnju transportera za citrat zapravo oštećena (stanica više nije u stanju isključiti proizvodnju transportera).
Stanice sada stvaraju transporter za citrat bez obzira na potrebe stanica. To jest, kontrola je pokvarena. Mutirane stanice ne mogu isključiti rad gena za stvaranje transportera za citrat.
Usprkos uzbuđenju na evolucionističkim blogovima, uključujući i onaj samog Blount-a, ja nisam rekao da ‘evolucijska’ inovacija nije moguća (niti to tvrde drugi biolozi kreacionisti koje poznajem; vidi Can mutations create new information?). Ono što tvrdimo jest da tip ‘evolucijske’ (čitaj ‘prirodne’) inovacije, kakva se ovdje uočava, ne podupire ideju da se mikrobi mogu preobraziti u mikrobiologe. To bi uključivalo ne samo dupliciranje postojećih gena, kvarenje kontrolnih sustava ili kooptiranje postojećih kontrolnih sustava (bilješka prevoditelja: u ovom kontekstu kooptiranje znači ‘posuđivanje’, drugog, već postojećeg kontrolnog sustava; tj. gen koje je potrebno uključiti kako bi se koristio citrat je dupliciran, a kopija je potpala pod kontrolni sustav nekog drugog gena, te ga taj sustav aktivira u aerobnim uvjetima), već i nastanak tisuća potpuno novih porodica gena (svaka se porodica gena tako zove jer su one međusobno značajno drugačije) koje nedostaju mikrobima, zajedno sa njihovim sustavima kontrole
Usput rečeno, mutirane E. coli imaju za oko 20% umanjenu sposobnost hranjenja glukozom, pa su ovim mutacijama s obzirom na korištenje glukoze izgubile prilagođenost. Nadalje, gubitkom sposobnosti da isključe rad gena za transport citrata, bakterije troše resurse na stvaranje transportera za citrat kada im on nije potreban. Uzgojen je toliki broj generacija E.coli da se u njihovom genomu dogodila svaka moguća mutacija, a ovo je najbolje što su pronašli! To jedva da je primjer velikog evolucijskog skoka naprijed! U stvarnosti to naglašava ograničenja mutacija u pogledu stvaranja novih porodica gena neophodnih da bi evolucija bila valjan znanstveni model porijekla raznolikosti života.
Broj generacija E.coli laboratorijskih eksperimenta je sada znatno veći od 60,000. To je ekvivalentno 1.5 milijuna godina u generacijama čovjeka (25 godina po generaciji). To je ’s ¼ pretpostavljenog vremena proteklog od navodnog zajedničkog pretka s čimpanzama. Uzimajući u obzir koliko malo ‘evolucije’ je ostvareno u slučaju E.coli, što je s pričom evolucije čovjeka kroz mutacije i prirodnu selekciju? Genom čovjeka i čimpanze razlikuju se 30 ili više posto, ili otprilike 900 milijuna baznih parova, što je ekvivalentno gotovo 200 E.coli genoma! Dugotrajan E.coli eksperiment predstavlja ogroman problem evolucijskoj priči i naglašava Haldan-ovu dilemu Haldane’s Dilemma, koja je sažeta u tome da čak i uz najpovoljniji zamišljeni scenarij, jednostavno nije bilo dovoljno vremena da se evolucijom dogode potrebne promjene.
Ovo je zanimljivo istraživanje, no tu nema ničega što podupire evoluciju od-mikroba-do-čovjeka; niti blizu. Kao što sam rekao, ovdje ne postoji ništa što prelazi ‘rub evolucije’ koji Michael Behe opisuje u svojoj knjizi vezanoj za tu temu his book on the topic. Bez obzira, postoji velik ushit oko toga, posebice kod ateista i teističkih evolucionista. Stoga očekujem da će to postati ‘dokaz A’ u udžbenicima o evoluciji, jer je to po svoj prilici najbolje što mogu koristiti kako bi poduprli sekularni mit o stvaranju.
Osobno na stranu: U jednom postu na blogu Richard-a Lenki-a (telliamedrevisited.wordpress.com) u kojem je Zachary Blount uvredljivo kritičan spram kreacionista (primičući se nivou okrutnosti nekih ateističkih blogera), Blount, koji potječe iz Georgia-e, govori o svojoj ‘pobožnoj baki’. Izgleda da je on još jedan od onih koji su se izgubili. Ili su možda njegovi roditelji ti koji su se izgubili, budući da Zachary opisuje jedino svoju baku kao ‘pobožnog baptista’. Još jednom, primjećujemo mit evolucije uključen u sekularizaciju nekad kršćanskog društva. Kao što je Niles Eldredge jednom prilikom komentirao, “Darwin je učinio više za sekularizaciju (de-kršćanizaciju) zapada od bilo kojeg drugog pojedinačnog mislioca.”3
Reference i bilješke
- Blount, Z.D., et al., Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population, Nature 489:513–518, 27 September 2012; doi:10.1038/nature11514.
- Blount, Z.D., Borland, C.Z. and Lenski, R.E., Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli, Proc. Nat. Acad. Sciences 105(23):7899–906, 2008; doi:10.1073/pnas.0803151105.
- Eldredge, N., Darwin: discovering the tree of life, W.W. Norton, USA, 2006.
Dodatne bilješke
Znanstvenici na University of Idaho izveli su eksperiment na E. coli sojevima kako bi vidjeli mogu li ‘evoluirati’ aerobno korištenje citrata kao što je to Lenski naposljetku postigao nakon 33,000 generacija, za što je bilo potrebno 15 godina. Pokazali su da je tek 12 generacija bilo potrebno da se počnu uviđati početci korištenja citrata i svega 100 generacija da se uoči rafinacija. Još jednom, nije došlo do stvaranja novih gena, samo dupliciranja i prerazmještaja postojećih, kao što sam već opisao. Autori su zaključili:
Zaključujemo da je raritet LTEE (Lenski-evog dugoročnog evolucijskog eksperimenta - Lenski’s long-term evolution experiment) mutanta artefakt eksperimentalnih uvjeta, a ne jedinstven evolucijski događaj. Nije došlo do stvaranja novih genetskih informacija (novih funkcija gena.
- Van Hofwegen DJ, Hovde CJ, Minnich SA, Rapid Evolution of Citrate Utilization by Escherichia coli by Direct Selection Requires citT and dctA, J Bacteriology 198(7):1022–34; Feb. 1, 2016. doi: 10.1128/JB.00831-15.
Preporučene bilješke
- Holmes, Bob, Bacteria make major evolutionary shift in the lab, NewScientist.com news service, 09 June 2008. Natrag na tekst.
- Ovo je objašnjeno u Weasel, a flexible program for investigating deterministic computer demonstrations of evolution—vidi ulomak ‘Error catastrophe’. Stopa mutiranja od 1 na 100,000,000 baza po generaciji stvara jednu ili dvije mutacije po stanici za tipičnu bakteriju, uz šansu da neke neće biti štetne, no ista stopa mutiranja u ljudi bi stvorila više od 1,000 novih po osobi, a svaka osoba bi stekla više štetnih mutacija. Natrag na tekst.
- Blount, Z.D., Borland, C.Z. and Lenski, R.E., Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli, PNAS 105:7899–7906; objavljeno on-line on 4. lipnja, 2008, 10.1073/pnas.0803151105. Ovo je Lenski-ev inauguralni rad kao novog člana National Academy of Sciences, USA—yet another dyed-in-the-wool atheistic evolutionist in that august body (vidi: National Academy of Science is godless to the core Nature survey). Natrag na tekst.
- See Batten, D., Clarity and confusion, a review of The Edge of Evolution by Michael Behe, Journal of Creation 22(1):28–32, April 2008. Natrag na tekst.
- Postojanje TCA ciklusa u živih organizama je još jedna ogromna prepreka koju evolucionisti trebaju objasniti: složen ciklus koji uključuje desetak različitih enzima i kofaktora neophodnih za velik dio biokemije stanice. Natrag na tekst.
- Pos, K.M., Dimroth, P. and Bott, M., The Escherichia coli Citrate Carrier CitT: a Member of a Novel Eubacterial Transporter Family Related to the 2-Oxoglutarate/Malate Translocator from Spinach Chloroplasts, J. Bacteriol. 180(16):4160–4165, 1998; www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=107412. Natrag na tekst.
- See, for example, Beetle Bloopers (defects can be an advantage sometimes). Natrag na tekst.
- Michael Behe’s Amazon Blog, 6 June 2008. Natrag na tekst.
Readers’ comments
Comments are automatically closed 14 days after publication.