Fałszywe przewidywania ewolucjonizmu (cz. 4) Genomy podobnych gatunków

Poprzednie części tego cyku: część pierwsza, część druga, część trzecia.

Wprowadzenie

Jedyny rysunek w O powstawaniu gatunków Karola Darwina ukazuje, jak wyobrażał on sobie proces rozdzielania się gatunków. Darwin sądził, że gatunki powstają w miarę upływu czasu z innych, formując wzorzec rozgałęziającego się drzewa. Bardzo zróżnicowane gatunki, jak słoń i pszczoła znajdują się na oddalonych od siebie „gałęziach” ewolucyjnego (filogenetycznego) drzewa. Zakłada się, że ich hipotetyczny wspólny przodek żył w bardzo odległych czasach. Konsekwentnie, podobniejsze gatunki, dajmy na to, jak orangutan i szympans plasują się znacznie bliżej siebie na ewolucyjnym drzewie niż ślimak i koliber, jako, że zakładany wspólny przodek pierwszej pary żył relatywnie niedawno (oczywiście w ewolucyjnej skali czasu).

Przewidywanie

Ponieważ podobne gatunki miały wyewoluować od wspólnego przodka niedawno, sądzi się, że w trakcie późniejszej ewolucji nie miały one wystarczająco dużo czasu, by wykształciły się pomiędzy nimi większe różnice. To wyjaśnia dlaczego są one podobne, a logiczne przewidywanie z tego wynikające jest takie, że gatunki takie nie powinny różnić się radykalnie. Również na poziomie molekularnym różnice w ich genomach nie powinny być duże, a to dlatego, że ewolucja ograniczona jest częstotliwością i tempem mutacji, które następnie mogą utrwalić się w kolejnych liniach rodowych. Ewolucja przewiduje, że dwa gatunki, które – jak się zakłada – miały wspólnego przodka „tylko” kilka milionów lat temu, jak ludzie i szympansy powinni posiadać podobne geny. Nie powinno tu pojawić się wiele nowych genów, które miałyby szansę wyewoluować w tym czasie. W istocie, ewolucjoniści przez dziesięciolecia cytowali niewielkie różnice genetyczne pomiędzy podobnymi gatunkami, jako potężne świadectwo na rzecz prawdziwości ewolucji. [1]

W ewolucyjnym rozkładzie jazdy na powstanie nowych genów potrzeba znacznie więcej czasu. Spekuluje się, że geny takie powstają poprzez duplikację już istniejących genów. [2] Jeśli taka duplikacja spowodowała powstanie nowej niefunkcjonalnej kopii istniejącego genu, gen taki mógł mutować bez żadnych szkodliwych efektów, jako, że i tak nie wykonywał on żadnej funkcji. Takie losowe mutacje kumulowały się w miarę upywu czasu i jakimś szczęśliwym zbiegiem okoliczności po dłuższym czasie taki zduplikowany gen mógł nabyć nową funkcję. Oczywiście scenariusz ten nie wyjaśnia skąd w ogóle wziął się oryginalny gen, który mógł ulec duplikacji, ale to już inny problem.

Falsyfikacja

Bez wątpienia istnieje wzorzec genetycznych podobieństw pomiędzy anatomicznie bardziej podobnymi organizmami, problem w tym, że od tej reguły istnieje szybko powiększająca się lista wyjątków, z bardzo poważnymi różnicami tam, gdzie się ich nie spodziwano. Ewolucyjne przewidywanie zostało więc sfalsyfikowane skutkiem kolejnych odkryć poważnych genetycznych różnic pomiędzy całym szeregiem teoretycznie blisko spokrewnionych organizmów. Nawet różne odmiany w obrębie tych samych gatunków posiadają liczne zestawy genów unikatowych tylko dla danego wariantu. Przykładowo każda z różnych odmian bakterii Escherichia coli posiada setki własnych, wyjątkowych dla tej odmiany genów. I wiele z nich posiada istotne kodujące funkcje. [3]

Z kolei w 2004 zespół biologów z New York University porównał geny milimetrowego nicienia Caenorhabditis elegans, który jest modelowym organizmem do laboratoryjnych badań genetycznych, z genami przedstawicieli siedmiu innych gatunków z tego samego rodzaju i czterech gatunków taksonomicznie odleglejszych. Wyniki zaszokowały badaczy, gdy okazało się, że genetyczne zróżnicowanie pomiędzy morfologicznie prawie identycznymi owadami jest większe niż w całym podtypie kręgowców. Jak stwierdzają autorzy: „Pomimo braku śladów morfologicznego zróżnicowania, większe genetyczne różnice występują w tym jednym rodzaju, niż pomiędzy wszystkimi kręgowcami”. [4] Innymi słowy, prawie identyczne owady pod względem genetycznym są bardziej zróżnicowane między sobą niż kręgowce, np. minog, flaming, rekin, salamandra, nietoperz, hipopotam, koliber i człowiek pomiędzy sobą.

Masywne genetyczne różnice zostały także odkryte pomiędzy różnymi gatunkami muszek owocowych (Drosophila). Genom tego stworzenia jest jednym z najlepiej przeanalizowanym, a w ostatnich latach podjęto kolejne systematyczne badania genów dwunastu różnych gatunków muszeki. Ewolucjoniści byli zaszkowani odkrywając unikatowe geny u każdego analizowanego gatunku. Okazywało się, że u niektórych gatunków brakuje tysięcy genów, które posiadają pozostałe, z kolei niektóre geny były obecne tylko u jednego z gatunków muszek. [5] Jak stwierdził jeden z badaczy: „Wydaje się, że zdumiewające 12 procent niedawno powstałych genów u muszek owocowych musiało wyewoluować od zera”. [6] Sądzi się, że geny te – nazywane nowymi – ewoluowały kilka milionów lat – gdzie jeszcze do niedawna sądzono, że w obrębie takiego okresu czasu tylko niewielkie genetyczne zmiany są możliwe. [7]

Co więcej, istnieje solidne świadectwo, że nowe geny mogą być generowane w odpowiedzi na środowiskową presję. Przykładowo, w latach 70. ubiegłego stulecia odkryto bakterie zdolne do metabolizmu nylonu, choć jego synteza rozpoczęła się ledwo kilkadziesiąt lat wcześniej. Bakterie te bytowały w obecności nylonu z odpadów przemysłowych z fabryk, a obecnie mogą żerować na tym nowym chemicznym materiale. Stało się tak poprzez modyfikację (głównie poprzez zmianę ramki odczytu) już istniejącego enzymu w efekcie czego powstał jego wariant zdolny do degradacji oligomerów nylonu. Wolny, bazujący na losowych zmianach mechanizm proponowany przez ewolucjonistów nie byłby w stanie reagować tak szybko. Co więcej, ten sam proces zaszedł konwergentnie w różnych miejscach, jako że nowy enzym został znaleziony więcej niż raz. Jak przyznał jeden z ewolucjonistów: „Szybkość z jaką wyewoluowały te dwa enzymy jest doprawdy znacząca, to tylko kilka dziesięcioleci – ledwie błysk w ewolucyjnej skali czasu. [8]

Nowsze dane również sugerują wyrafinowane mechanizmy powstawania nowych genów. Przykładowo wydaje się, że nowe geny mogą powstawać w wyniku tasowania zarówno sekwencji kodujących (eksonów) i sąsiednich sekwencji regulatorowych. Takie chimeryczne struktury mogą natychmiastowo nabywać nowe funkcje. Innym przykładem takiego mechanizmu to retropozycja – odwrotna transkrypcja mRNA, gdzie edytowany fragment jest ponownie inkorporowany do architektury oryginalnego genomu. Dzięki wstawieniu tej sekwencji w pobliże innej sekwencji regulatorowej, gen taki może od razu być gotowy do ekspresji w odpowiednim czasie lub okolicznościach. Interesującym przykładem retropozycji jest białko znajdowane u małp, które chroni przed niektórymi retrowirusami. Wydaje się, że jest ono kombinacją dwóch innych białek. I podobnie jak enzymy rozkładające nylon, proces ten zaszedł kilkakrotnie – białko to zostało znalezione u gatunków w Azji i Ameryce Południowej. [9] Wciąż jesteśmy jeszcze na początku drogi poznawania systemów dynamicznej regulacji genomu, ale już widać, że ewolucyjne przewidywania okazały się być nietrafione. Wiele zupełnie unikatowych genów zostało odkrytych w bliskich sobie organizmach, a wyrafinowane, szybko działające mechanizmy sterujące dynamiczną regulacją genomu przypominają wszystko, tylko nie jego losowe zmiany.

Reakcja

Wiele unikatowych genów znajdowanych u pokrewnych bakterii zaskoczyło ewolucjonistów. Początkowo wielu z nich sądziło, że zagadka zostanie rozwiązana gdy więcej genów będzie dostępnych do analizy. Przewidywali oni, że podobne geny powinny być odnajdywane w innych gatunkach. Jednak każdy zsekwencjonowany nowy genom ukazywał kolejne nowe, unikatowe geny. W istocie, im więcej zsekwencjonowanych genomów było dodawanych do bazy danych, tym wydłużała się lista nowych genów. Jak stwierdził jeden z artykułów, świadectwo sugeruje, że wiele z tych genów jest wyjątkowych dla każdego organizmu. [10]

Pomimo falsyfikacji kolejnych ewolucyjnych przewidywań darwiniści są przekonani, że geny tak czy inaczej jakoś musiały wyewoluować. Jak zauważył jeden z ewolucjonistów, przytaczając Sherlocka Holmesa: „Kiedy wyeliminujesz niemożliwe to, co pozostanie, chociaż nieprawdopodobne, musi być prawdziwe”. [11] Miał on całkowitą rację: w tym przypadku niemożliwe jest ewolucyjne przewidywanie, że nie powinno być nowych genów u blisko spokrewnionych gatunków, nieprawdopodobna jest zaś ewolucja takich genów.

---------------------------------------------------

Przypisy:

1. Przykładowo: Futuyma, D. (1982) Science on Trial: The Case for Evolution. Pantheon Books: New York, s. 50; Jukes, T.H., (1983) "Molecular evidence for evolution". [w] Godfrey, L.R. (ed) Scientists Confront Creationism. W. W. Norton and Company: New York, s. 120; Mayr, E. (2001) What Evolution Is. Basic Books: Mew York, s. 35; Berra, T. (1990) Evolution and the Myth of Creationism Stanford University Press: Stanford, s. 20.

2. Zhou, Q., Zhang, G., Zhang, Y. et al. (2008) "On the origin of new genes in Drosophila". Genome Research, vol. 18, s. 1446-1455; Ohno, S. (1970) Evolution by Gene Duplication. Heidelberg: Springer.

3. Daubin, V., Ochman, H. (2004) "Bacterial genomes as new gene homes: The genealogy of ORFans in E. coli". Genome Research, vol. 14, s. 1036-1042.

4. Kiontke, K., Gavin, N.P., Raynes, Y., Roehrig, C., Piano, F., and Fitc, D.H.A., "Caenorhabditis phylogeny predicts convergence of hermaphroditism and extensive intron loss." Proceedings of the National Academy of Sciences USA 15 June 2004, vol. 101, no. 24, s. 9003-9008.

5. Levine, M.T., Jones, C.D., Kern, A.D., Lindfors, H.A., and Begun, D.J. (2006) "Novel genes derived from noncoding DNA in Drosophila melanogaster are frequently X-linked and exhibit testis-biased expression". Proceedings of the National Academy of Sciences USA vol. 103, s. 9935-9939.

5. Le Page, M. Recipes for life: How genes evolve. New Scientist, 24 November 2008, vol. 2683.

7. Begun, D.J., Lindfors, H.A., Kern, A.D., Jones, C.D., (2007) "Evidence for de novo evolution of testis-expressed genes in the Drosophila yakuba/Drosophila erecta clade". Genetics, vol. 176, s. 1131-1137; Chen, S. Cheng, H. Barbash, D.A., Yang, H. (2007) "Evolution of hydra, a recently evolved testis-expressed gene with nine alternative first exons in Drosophila melanogaster". PLoS Genetics, July 2007, vol. 3, no. 7.

8. Ohno, S. (1981) "Birth of a unique enzyme from an alternative reading frame of the preexisted, internally repetitious coding sequence". >Proceedings of the National Academy of Sciences USA, vol., s. 2421-2425.

9. Le Page...

10. Marsden, R.L. et al. (2006) "Comprehensive genome analysis of 203 genomes provides structural genomics with new insights into protein family space". Nucleic Acids Research, vol. 34, s. 1066-1080.

11. Le Page...