Also Available in:

Genetska entropija i jednostavni organizmi

Ako je genetska entropija stvarna, zašto i dalje postoje bakterije?

napisao
preveo Mladen Čirjak

Objavljeno: 25. listopada 2012. (GMT + 10)
morgueFile.com

Sažetak

Genetska entropija (GE) erodira genome svih živih organizama jer se mutacije nasljeđuju iz generacije u generaciju. Mnogi se pitaju zašto, ako je GE stvarna, bakterije još uvijek postoje? Više je razloga za to, uključujući i činjenicu da su njihovi genomi jednostavniji, imaju velike populacije i kratka generacijska vremena, te imaju niže ukupne stope mutacija. Ta kombinacija čini ih jako otpornima na izumiranje. Od svih oblika života na Zemlji, bakterije su najbolji kandidati za dugoročno preživljavanje GE učinaka. To ne znači da one to mogu činiti zauvijek, ali objašnjava zašto postoje i danas.

Što je to genetska entropija?

Nakon objave rada Genetska entropija i misterija genoma profesora dr. John-a Sanford-a sa Sveučilišta Cornell, od nas se često tražilo da pružimo dodatne pojedinosti o ovom, teoriji evolucije, velikom izazovu. Središnji dio Sanford-ovog argumenta je da se mutacije (pravopisne pogreške u DNK) akumuliraju tako brzo u nekim stvorenjima (osobito ljudima) da prirodna selekcija ne može zaustaviti funkcionalnu degradaciju genoma - a kamoli upravljati evolucijskim procesom koji može pretvoriti majmune u ljude.

Jednostavna analogija bi bila korozija koja se vremenom počela širiti po cijelom automobilu. Svaki komadić hrđe (sličan jednoj mutaciji u organizmu) sam po sebi ne ostavlja posljedice, ali ako se proces korodiranja ne može zaustaviti, on će na kraju uništiti automobil. Točnija analogija bila bi zamisliti primjerak Enciklopedije Britannica na računalu koje ima virus koji tijekom vremena nasumice zamjenjuje, mijenja, briše i invertira slova. Neko vrijeme ne bi bilo gotovo nikakvog vidljivog učinka, ali s vremenom bi tekst sadržavao sve više i više pogrešaka, sve dok ne bi postao besmislen. U biološkom smislu, došlo bi do 'mutacijskog kraha'.

sxc.hu/schulergd

Kada se živa bića reproduciraju, ona naprave kopiju svoje DNK i prenesu to na svoje potomstvo. S vremena na vrijeme javljaju se pogreške, a sljedeća generacija nema savršenu kopiju izvorne DNK. Te pogreške kopiranja poznate su kao mutacije. Većina ljudi misli da 'prirodna selekcija' može ukloniti štetne mutacije eliminirajući pojedince koji ih nose. Ali pravilno definirana 'prirodna selekcija' jednostavno znači 'diferencijalna reprodukcija', što znači da neki organizmi stvaraju više potomaka od drugih s obzirom na mutacije koje nose i okoliša u kojem žive. Štoviše, na reproduktivni uspjeh utječu samo mutacije koje imaju značajan učinak. Osim ako mutacije ne uzrokuju značajno smanjenje reproduktivnih stopa, organizmi koji ih nose će biti jednako uspješni u stvaranju potomstva kao i svi ostali. Drugim riječima, ako mutacije nisu dovoljno 'loše', selekcija ih ne može 'vidjeti', ne može ih eliminirati i one će se akumulirati. Rezultat je 'genetska entropija'. Svaka nova generacija nosi sve mutacije prethodnih generacija, plus one svoje. Vremenom, se sve te veoma malo štetne mutacije nakupljaju do te mjere da zajedno počinju ozbiljno utjecati na reproduktivnu sposobnost. Degradacija postaje nezaustavljiva, jer svaki pripadnik populacije ima isti problem: prirodna selekcija ne može birati između "prilagođenih" i "manje prilagođenih" jedinki ako je svaki član populacije, manje-više, jednako mutiran. Populaciju zahvaća bolest, te napokon izumire. Jednostavno ne postoji način da se to zaustavi.

Dr. Sanford tvrdi da ljudi jednostavno nisu mogli postojati desecima tisuća godina (a kamoli milijunima, ili milijardama ako uzmemo u obzir naše navodne evolucijske životinjske pretke) jer, sudeći po sadašnjoj stopi mutacija i broju generacija koje bi se u tim slučajevima dogodile, trebali smo već izumrijeti.

Genetska entropija kod bakterija

Povremeno dobronamjerni ljudi koji traže bolje razumijevanje, kao i oni neprijateljski raspoloženi koji nas pokušavaju izazvati, od nas traže da objasnimo zašto, ako je genetska entropija (GE) stvarna, još uvijek postoje bakterije? Uostalom, bakterije imaju izuzetno kratko generacijsko vrijeme. Neke se bakterije mogu reproducirati svakih 20 minuta, tako da bi dobile daleko više mutacija u jednom danu nego ljudi za stotinu godina. Kako su bakterije mnogo jednostavniji organizmi, trebalo bi manje vremena da se razbiju njihova genetska uputstva u usporedbi s ljudima. Zašto onda nisu davno izumrle?

Odgovor je moguće dati na nekoliko načina. Prvo, ideju GE-a razvili su populacijski genetičari radeći na složenijim genomima (tj. genomima složenijih organizama s dužim generacijskim vremenima). Velika je zagonetka zašto vrste poput ljudi već nisu izumrle ako postojimo već desecima tisuća godina kao što tvrde evolucionisti.1 U složenom organizmu, visoka stopa mutacija u kombinaciji s niskom stopom reprodukcije rezultira time je 'prirodnoj selekciji' teško iz populacije ukloniti štetne mutacije. Dakle, viši sisavci poput ljudi i slonova nisu dobri kandidati za dugoročno preživljavanje jer se mutacije akumuliraju iz jedne generacije u drugu. Za eukariotske organizme (sve one složenije od bakterija) složenost genoma čini prilično velik 'cilj mutacije' - u tim složenijim sustavima, postoji više stvari koje mogu krenuti naopako, tj. više mašinerije koja se može pokvariti.2

sxc.hu/svilen001

S druge strane, promjene u jednostavnijim genomima često će imati značajniji učinak. Promjena jednog slova među tri milijarde slova u ljudskom genomu vjerojatno neće stvoriti radikalnu razliku. Ali, na primjer, genom bakterije E. coli je oko 1,000 puta manji od ljudskog; bakterije su specijaliziranije i obavljaju manje funkcija. Veća je vjerojatnost da će svaka promjena slova učiniti nešto što će prirodna selekcija moći 'vidjeti'. To jest, vjerojatnije je da će mala promjena proizvesti dovoljno velik učinak koji će utjecati na brojnost jedinki koje u kasnijim generacijama nose tu osobinu.

Važno je napomenuti da se tu događa više stvari odjednom. Moramo u obzir uzeti kombinaciju čimbenika kako bismo razumjeli zašto bakterije još uvijek postoje. Koristimo ilustraciju. Bakterije su kao bicikli. Ljudi su poput sportskih automobila. Moguće je izvršiti brojne izmjene na oba stroja, a da ih se ne onesposobi, ali bicikl ima manje dijelova, tako da je vjerojatnije da će bilo koja modifikacija proizvesti nefunkcionalan bicikl. Potrebna su im dva kotača, volan, okvir, lanac i najmanje dva zupčanika. Postoji vrlo malo toga što možete sa njih ukloniti ili na njima razbiti prije no što ih se više ne može koristiti. Automobili, s druge strane, ne treba krov, vjetrobran ili svjetla. Postoji mnogo više modifikacija koje možete napraviti na automobilu i još ga uvijek voziti. Možda nećete na posao stići na vrijeme, jer automobil više ne radi s punim potencijalom, ali ga se još uvijek može voziti.

Zašto, ako je vjerojatnije da će mutacije ubiti ili oštetiti bakteriju, one još uvijek postoje?

Prvo, bakterije ipak pate od GE. Zapravo, i možda i kontra-intuitivno, to je ono što im omogućuje da se brzo specijaliziraju.3 Mnoge su postale otporne na antibiotike4 i barem je jedna uspjela dobiti sposobnost probavljanja ne-prirodnog, umjetnog najlona.5 To je moguće samo kroz mnogo 'genetskog eksperimentiranja', uglavnom kroz mutacije, ali ponekad kroz razmjenu gena između dvije vrste. Mnoge mutacije i mnoge generacije daju puno vremena za mnoge genetske eksperimente. Zapravo, ima mnogo primjera, uključujući i upravo spomenute, gdje razbijanje savršeno dobrog radnog sustava omogućuje razvoj nove osobine.6 Nedavno je otkriveno da oceanske bakterije imaju tendenciju da gube gene za vitalne funkcije sve dok druge vrste bakterija žive na tom području. Ovdje imamo primjer višestrukih vrsta koje gube gene, ali preživljavaju jer su podržane metaboličkim izlučevinama drugih vrsta.7 Budući da su promjene jednosmjerne i kreću se nizbrdo, ovo je još jedan oblik GE.

Niže mutacijske stope

Drugi razlog zašto bakterije još uvijek postoje jest taj što imaju nižu ukupnu stopu mutacije. Stopa mutacija u E. coli je procijenjena na oko 1 na 10-10, ili jedna mutacija na svakih 10 milijardi kopiranja slova.8 Usporedite to s veličinom genoma E. coli (oko 4,2 milijuna slova) i možete vidjeti da je mutacija po stanici rijetka. Sada usporedite ovu statistiku s procijenjenom stopom mutacije za novorođenče čovjeka (oko 100 novih mutacija po djetetu2) i možete početi uviđati problem. Dakle, u okolini su gotovo uvijek prisutne ne mutirane bakterije koje omogućuju da vrsta preživi. Međutim, uvijek su prisutne su i mutirane bakterije, tako da su vrste u mogućnosti istraživati nove ekološke niše (iako je najveći broj primjera nastao na račun dugoročnog preživljavanja).

Nevjerojatan potencijal za rast

Bakterije imaju nevjerojatnu stopu rasta. Cijela svjetska populacija vrste kao što je E. coli okreće se vrlo brzo (možda jednom na sat). Trilijuni i trilijuni tih stanica umru iz mnogo različitih razloga svaki sat. Dakle, to može biti sustav u kojem prirodna selekcija zapravo može zaustaviti neizbježan raspad. Zašto? Budući da se svaka mutacija koja daje čak i manji nedostatak (a većina njih to čini) može ukloniti diferencijalnom reprodukcijom, uz dovoljno vremena. (Vrijeme se u ovom slučaju mjeri generacijama.)

Bakterije se nakon kraha populacije mogu razmnožiti u vrlo kratkom vremenu. To je ključan razlog zbog kojeg nisu izumrle. Tako, kada su izložene antibioticima, nekoliko rezistentnih stanica unutar populacije može prerasti u veliku zamjensku populaciju u kratkom roku, iako je možda 99,99% izvornih bakterija uništeno. Ako se antibiotik ukloni, populacija se može pokrenuti još jednom, a one ne-rezistentne zamjenjuju one koje su otporne (jer je otpornost na antibiotike obično povezana s narušenim rastom, tako da originali rastu brže i u nekoliko generacija dominiraju populacijom). Ljudi to nisu u stanju učiniti. Bile bi potrebne tisuće godina da se zamijeni sadašnja populacija od 7 milijardi ljudi, a križanje koje bi se dogodio kada bi malobrojni preživjeli bili prisiljeni ženiti bliske rođake, ionako bi nas mogao odvesti do izumiranja.9

Broj bakterija daleko nadmašuje broj ljudi

Veličina populacije je još jedan faktor. Postoji mnogo više bakterija nego ljudi. No budući da su populacije bakterija relativno konstantne, nema mjesta za još više njih i konkurencija je ekstremna. Većina linija na duge staze odumire. U velikim populacijama, s mnogo konkurencije, mutacije se mogu učinkovitije pročistiti diferencijalnom reprodukcijom. Vjerojatnije je da će svaka stanica s blagom prednošću nad drugom, kroz generacije, ustrajati.

Okolišni izvori

Sasvim je moguće da mnoge vrste bakterija prolaze kroz značajne latentne periode. Bakterije koje se bude iz latentnog stanja služile bi kao izvori starijih, manje mutiranih verzija, te bi pomogle u sprečavanju GE kroz duga vremenska razdoblja.

Mutacije se ne mogu sakriti u prokariotskim genomima

Eukarioti, poput ljudi, nasljeđuju dvije kopije svakog kromosoma - jednu od svakog roditelja.10 Dakle, svaka mutacija na jednom ljudskom kromosomu često je maskirana dobrom kopijom na drugom kromosomu. To ometa diferencijalnu reprodukciju na temelju mutacijskih razlika (npr. 'prirodnu selekciju') i povećava mutacijsko opterećenje naše vrste. To ne vrijedi za bakterije koje se reproduciraju aseksualno i nasljeđuju svoj DNK samo od jednog roditelja.

Što je s drugim organizmima koji se brzo reproduciraju?

Netko bi mogao reći: ''Ali miševi imaju genome približno velike poput ljudskog genoma i imaju mnogo kraća generacijska vremena. Zašto kod njih ne vidimo dokaze za GE? Zapravo, vidimo ih. Uobičajeni miš, Mus musculus, ima mnogo više genetske raznolikosti nego ljudi, uključujući i veliki raspon kromosomskih razlika od jedne pod-populacije do druge. Oni sigurno osjećaju efekte GE. S druge strane, čini se da oni imaju manju stopu mutacije po generaciji. Zajedno s mnogo kraćim generacijskim vremenom i mnogo većom populacijom, kao i bakterije, ima dovoljno mogućnosti za uklanjanje loših mutacija iz populacije. Dugovječne vrste s niskim stopama rasta populacije (npr. ljudi) su najugroženije, ali niti ostale nisu imune.

Zaključci

Postoje pokušaji davanja evolucijskih protuargumenata za osnovnu GE hipotezu. Oni su slabi, ali svrha ovog članka nije pružiti sveobuhvatnu obranu teorije. Dovoljno je, međutim, reći da su bakterije, od svih oblika života na Zemlji, najbolji kandidati za dugoročno preživljavanje učinaka GE. Njihovi jednostavniji genomi, velike populacijske veličine, kratka generacijska vremena i niže ukupne razine mutacija čine ih najotpornijima na izumiranje. Međutim, to ne znači da to mogu raditi zauvijek i, na kraju, će biti (uništeni zajedno sa svime drugim kad se Krist vrati).

Preporučene bilješke

  1. Kondrashov, A., Contamination of the genome by very slightly deleterious mutations: why have we not died 100 times over?, Journal of Theoretical Biology 175:583–594, 1995. Natrag na tekst.
  2. Lynch, M., Rate, molecular spectrum, and consequences of human mutation, Proceedings of the National Academy of Sciences (USA)107(3):961–968, 2010. Natrag na tekst.
  3. C.f., Sniegowski, P.D., Gerrish, P.J., Lenski, R.E., Evolution of high mutation rates in experimental populations of E. coli, Nature 387:703–704. Natrag na tekst.
  4. Bergman, J., Does the acquisition of antibiotic and pesticide resistance provide evidence for evolution?, Journal of Creation 17(1):26–32, 2003. Natrag na tekst.
  5. Batten, D., The adaptation of bacteria to feeding on nylon waste, Journal of Creation 17(3):3–5, 2003; creation.com/the-adaptation-of-bacteria-to-feeding-on-nylon-waste. See also the comment on “nylonase” below this article: creation.com/question-evolution. Natrag na tekst.
  6. See our Q&A pages on mutations and natural selection. Natrag na tekst.
  7. Morris, J.J., Lenski, R.E., Zinser, E.R., The Black Queen Hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss, mBio3(2):e00036–12, 2012. Natrag na tekst.
  8. Tago, Y., Imai, M., Ihara, M., Atofuji, H., Nagata, Y., and Yamamoto, K., Escherichia coli mutator Delta polA is defective in base mismatch correction: The nature of in vivo DNA replication errors, Journal of Molecular Biology 351:299–308, 2005. Natrag na tekst.
  9. To ne bi bio problem za ljudsku populaciju odmah nakon općeg potopa. Od Adama do tog trenutka izmijenilo se tek oko deset generacija, pa oni još ne bi nakupili sve štetne mutacije koje danas nosimo. Natrag na tekst.
  10. Iznimke uključuju crvene krvne stanice, koje nemaju jezgru, i stanice jetre, koje često imaju dodatne kopije mnogih kromosoma. Natrag na tekst.