Genom ośmiornicy: wprawdzie nie jest „obcy”, ale i tak stanowi ogromne wyzwanie dla darwinizmu

Casey Luskin

Genom ośmiornicy: wprawdzie nie jest „obcy”, ale i tak stanowi ogromne wyzwanie dla darwinizmu

Współcześnie regularnie sekwencjonowane są nowe genomy różnych rodzajów organizmów, a wyniki ogłaszane są drukiem. Biologowie ewolucyjni oczekują, że nowo zsekwencjonowane genomy danych organizmów będą bardzo podobne do genomów innych istot żywych, które uznaje się za ich bliskich krewniaków.

Jak już zauważono na portalu „Evolution News & Science Today”, organizm, którego genom zsekwencjonowano w ostatnim czasie, zaprzeczył tym oczekiwaniom1. Sprawa dotyczy ośmiornicy, o której genomie poinformowano na łamach czasopisma „Nature”. Genom ośmiornicy okazał się tak niepodobny do genomów innych mięczaków i bezkręgowców, że naukowcy biorący udział w badaniach nazwali go „obcym”.

Jeden z artykułów poruszających ten temat zatytułowano Don’t Freak Out, But Scientists Think Octopuses “Might Be Aliens” after DNA Study [Nie panikujcie, ale po przeprowadzeniu analizy DNA, naukowcy sądzą, że ośmiornice „mogą być istotami obcymi”]:

Nie chcemy was straszyć, ale ośmiornice są w zasadzie istotami „obcymi” – tak przynajmniej twierdzą naukowcy. Badacze stworzyli nową mapę kodu genetycznego ośmiornicy, która jest tak dziwna, że ośmiornica może być uznana za istotę „obcą”. […] „Ośmiornica wydaje się całkowicie odmienna od pozostałych zwierząt, nawet od innych mięczaków, wyróżnia ją bowiem osiem chwytnych macek, duży mózg i niezwykła umiejętność rozwiązywania problemów” – powiedział amerykański uczony dr Clifton Ragsdale z University of Chicago. […] Analiza 12 różnych tkanek ujawniła setki specyficznych genów ośmiornicy, które nie występują u żadnego innego zwierzęcia, a wiele z nich przejawia dużą aktywność w takich strukturach jak mózg, skóra i przyssawki2.

Oczywiście nikt nie uważa, że ośmiornica jest istotą „obcą”, która pochodzi z innej planety. (Na łamach „Nature News” zacytowano jednego z autorów artykułu dotyczącego genomu ośmiornicy, który przyznał, że uwaga o istotach obcych była „żartem”3.) Z pewnością jednak ośmiornica jest organizmem obcym z punktu widzenia standardowych oczekiwań ewolucjonistów, zgodnie z którymi genomy spokrewnionych ze sobą gatunków powinny być bardzo do siebie podobne. W „Nature News” wskazano wiele unikatowych genów w genomie ośmiornicy:

Nieoczekiwanie genom ośmiornicy okazał się niemal tak duży jak genom człowieka i zawiera nawet większą liczbę genów kodujących białka – około 33 000 w porównaniu z niespełna 25 000 u ludzi.

Ten nadmiar jest w głównej mierze skutkiem ekspansji kilku specyficznych rodzin genów – twierdzi Ragsdale. Jedna z najbardziej niezwykłych grup genów to protokadheryny, które regulują rozwój neuronów i krótkoterminowe interakcje między nimi. Ośmiornica ma 168 takich genów – ponad dwukrotnie więcej niż ssaki. Współgra to z nadzwyczaj dużym mózgiem tego stworzenia i z jeszcze dziwniejszą anatomią tego narządu. […]

Rodzina genów zaangażowana w proces rozwoju – czynniki transkrypcji zwane palcami cynkowymi – także uległa dużej ekspansji u ośmiornic. Zawiera około 1800 genów, jest to więc druga największa rodzina genów odkryta u zwierzęcia, a ustępuje tylko rodzinie liczącej 2000 genów kodujących receptory węchu u słonia.

Analiza wykazała również występowanie tysięcy innych genów, które są specyficzne dla ośmiornicy i ulegają wysokiej ekspresji w konkretnych tkankach. Na przykład w przyssawkach ekspresji ulega osobliwy zespół genów, które są podobne do tych kodujących receptory neuroprzekaźników acetylocholiny. Geny te najwyraźniej nadają ośmiornicom niezwykłą zdolność odczuwania smaku za pomocą przyssawek.

Naukowcy zidentyfikowali sześć genów kodujących białka nazywane reflektynami, które ulegają ekspresji w skórze ośmiornicy. Zmieniają one sposób, w jaki od ośmiornicy odbija się światło, dzięki czemu powstaje wrażenie innej barwy – a jest to jeden z kilku sposobów wykorzystywanych przez ośmiornicę do kamuflażu, obok zmiany jej tekstury, wzorców lub jasności4.

W specjalistycznym artykule wyjaśniono, że genom ośmiornicy ujawnia „masowe ekspansje dwóch rodzin genów, co do których sądzono, że uległy unikatowemu rozwojowi u kręgowców: protokadheryn, które regulują rozwój neuronów, i nadrodziny C2H2 czynników transkrypcyjnych nazywanych palcami cynkowymi”5. Co więcej:

Zidentyfikowaliśmy setki genów specyficznych dla głowonogów, a wiele z nich ukazywało większe poziomy ekspresji w takich wyspecjalizowanych strukturach jak skóra, przyssawki i układ nerwowy6.

Autorzy dochodzą do wniosku, że „nasza analiza wskazuje, iż znacząca ekspansja kilku rodzin genów, łącznie z rozległym przemodelowaniem powiązań genomowych i zawartości powtarzalnej, odegrała kluczową rolę w ewolucji nowych morfologicznych cech głowonogów, wliczając w to ich duże i złożone układy nerwowe”7. Innymi słowy, genom głowonogów jest pod ważnymi względami niezwykły i niepodobny do genomów innych organizmów, które zostały już zsekwencjonowane.

Pogląd ten nie jest do końca słuszny. Istnieją pewne osobliwe podobieństwa między genomami głowonogów a czymś innym, co naukowcy dotąd zaobserwowali – nie są to jednak podobieństwa przewidywane przez teorię wspólnoty pochodzenia. W omawianym artykule zauważono, że genomy głowonogów pod pewnymi względami niosą nieoczekiwane podobieństwo do genomów kręgowców – a skoro te podobieństwa nie są przewidywane przez teorię wspólnoty pochodzenia, naukowcy oczywiście przypisują je ewolucji konwergentnej.

niezależne ekspansje i wzbogacenie układu nerwowego w protokadheryny u głowonogów płaszczoobrosłych i kręgowców oferują uderzający przykład ewolucji konwergentnej między tymi kladami na poziomie molekularnym8.

Naukowcy znajdują też świadectwa konwergentnej ewolucji (to znaczy podobieństwa genetycznego, które nie spełniają przewidywań teorii wspólnoty pochodzenia) nawet wśród głowonogów: „To niespodziewane, ale wyniki naszych analiz filogenetycznych wskazują na to, że zasoby protokadheryn u kałamarnic i ośmiornic powstały niezależnie. Niespokrewnione protokadheryny ośmiornicy uległy ekspansji najprawdopodobniej około 135 milionów lat temu, czyli po oddzieleniu się ośmiornic od kałamarnic”9.

Cały problem dotyczy jednak dużej liczby unikatowych genów odkrytych w genomie ośmiornicy. W pracy Albertina i jego współpracowników rozwijany jest temat jednej z tych dużych grup genów:

W genomie ośmiornicy zakodowanych jest 168 egzonów (złożonych odcinków genów) protokadheryny, co stanowi niemal trzy czwarte genów występujących w podwójnych grupach w genomie, a więc jest to przykład zdumiewająco dużej ekspansji w porównaniu z 17-25 genami w genomach Lottia [czareczkowate], Crassostrea gigas [ostrygi] i Capitella [wieloszczeta]10.

W artykule w ogóle nie podjęto próby ustalenia, jak mogły powstać te unikatowe geny głowonogów. Pogląd standardowy – zgodnie z którym nowe geny powstają wskutek duplikacji genów – nie został nawet wspomniany11. Potwierdzenie hipotezy duplikacji genu wymaga jednak znalezienia innego, podobnego genu. Zważywszy na to, że głowonogi mają wiele unikatowych genów, które nie są podobne do genów znajdowanych u innych organizmów, w wielu przypadkach hipoteza duplikacji genu może nie stanowić odpowiedniego wyjaśnienia. Ciekawe, czy przyszli badacze będą uciekać się do mówienia o powstawaniu genów „de novo”.

Co to znaczy? Stephen C. Meyer wyjaśnia to w książce Darwin’s Doubt [Wątpliwość Darwina]:

Pamiętaj: geny ORF z definicji nie mają homologów. Są unikatowe – jedyne w swoim rodzaju – i milcząco przyznaje to coraz większa liczba biologów ewolucyjnych, którzy próbują „wyjaśnić” pojawienie się takich genów za pomocą hipotezy, że powstały one de novo („znikąd”). […]

Powstanie genów de novo przywołuje się w wielu innych artykułach. Na przykład Long przytacza wyniki badania przeprowadzonego w celu wyjaśnienia powstania białka przeciwdziałającego zamarzaniu u ryb antarktycznych, gdzie autorzy mówią o „amplifikacji krótkiej sekwencji DNA de novo, która doprowadziła do rozprzestrzenienia się nowego białka pełniącego nową funkcję”12. Long przywołuje też artykuł z „Science” zawierający próbę wyjaśnienia powstania dwóch ludzkich genów biorących udział w neurorozwoju. Autorzy tego artykułu powołali się na „powstanie cegiełek budulcowych de novo – pojedynczych genów lub odcinków genów kodujących domeny białkowe”, przy czym egzon spontanicznie „powstał z unikatowej sekwencji niekodującej”13. W innych artykułach znajdujemy podobne stwierdzenia. W artykule z 2009 roku poinformowano o „powstaniu de novo, od czasu oddzielenia się od szympansów, co najmniej trzech ludzkich genów kodujących białka”, a żaden z nich „nie ma kodujących białek homologów w jakimkolwiek innym genomie”14. W jeszcze nowszym artykule opublikowanym na łamach czasopisma „PLoS Genetics” podano, że odkryto „60 nowych genów kodujących białka, które powstały de novo w linii rodowej człowieka od momentu oddzielenia się od szympansów”, i uznano, że jest to liczba „dużo większa niż wynikało z wcześniejszych, niewątpliwie zachowawczych, szacunków”15.

Kolejnemu artykułowi z 2009 roku, opublikowanemu na łamach „Genome Research”, nadano adekwatny tytuł: Darwinian Alchemy: Human Genes from Noncoding RNA [Darwinowska alchemia. Powstanie ludzkich genów z niekodujących RNA]. Dotyczy on badań powstawania genów de novo, a jego autorzy przyznali, że „powstanie kompletnych, funkcjonalnych genów – posiadających promotory, otwarte ramki odczytu (ORF – open reading frames) i tworzących funkcjonalne białka – z tzw. «śmieciowego» DNA wydaje się bardzo mało prawdopodobne – niemal tak nieosiągalne jak transmutacja ołowiu w złoto, którą usiłowali przeprowadzić średniowieczni alchemicy”. Niemniej w artykule stwierdzono – bez wyjaśnienia, jak mogło do tego dojść – że „ewolucja drogą doboru naturalnego może wytworzyć całkowicie nowe, funkcjonalne elementy białka z ewidentnie niefunkcjonalnego DNA, a jest to proces, za pomocą którego ewolucja molekularna zmienia ołów w złoto”16.

Istnienie unikatowych sekwencji genów zmusza badaczy do powoływania się na powstawanie genów de novo częściej niżby chcieli. Autor jednego z badań muszek owocowych stwierdził, że „aż około 12% nowopowstałych genów w podgrupie Drosophila melanogaster mogło powstać de novo z niekodującego DNA”17, a potem przyznał, że przywoływanie tego „mechanizmu” stwarza poważny problem dla teorii ewolucji, ponieważ naprawdę nie wyjaśnia on żadnego z „nietrywialnych wymogów funkcjonalności”. Według autora pewną rolę mogła odegrać „preadaptacja”. Nie zapewnia ona jednak żadnego wyjaśnienia, ponieważ mówi tylko o tym, kiedy (zanim swoją rolę spełnił dobór naturalny) i gdzie (w niekodującym DNA) powstały nowe geny, ale nie wskazuje na to, jak do tego doszło. Nigdy nie wyjaśnia się szczegółów „preadaptacji” genów do pełnienia jakiejś przyszłej funkcji. W istocie biologowie ewolucyjni zazwyczaj używają terminu „powstanie de novo” do opisania niewyjaśnionych wzrostów informacji genetycznej – nie odnosi się on do żadnego znanego procesu mutacji18.

Innymi słowy, twierdzeń o powstaniu de novo w ogóle nie można uznać za wyjaśnienie. To raczej coś w rodzaju magicznej różdżki, którą wymachują biologowie ewolucyjni, gdy natrafią na jakiś unikatowy gen i nie wiedzą, jak wyjaśnić jego powstanie za pomocą duplikacji z jakiegoś istniejącego już genu. (Jako mechanizm ewolucyjny duplikacja genu napotyka zresztą na swoje własne problemy19.)

Niemniej w artykule opublikowanym niedawno na łamach „Quanta Magazine” pokazano, w jak wielu najnowszych badaniach naukowych powoływano się na powstawanie genów de novo:

Przez ponad 40 ostatnich lat naukowcy sądzili, że jest to główny sposób powstawania nowych genów – powstały po prostu z kopii genów już istniejących. Stara wersja genu wykonywała swoje dawne zadania, a nowa kopia mogła swobodnie ewoluować tak, aby powstały nowe funkcje.

Niektóre geny zdają się jednak przeczyć tej hipotezie. Nie mają one żadnych krewniaków i nie przypominają żadnego innego genu. Są one molekularnym odpowiednikiem tajemniczej bestii odkrytej w głębi odległego lasu deszczowego, biologiczną zagadką najwyraźniej niemającą nic wspólnego z niczym innym na Ziemi. Zagadka sposobu powstania tych sierocych genów nie dawała naukowcom spokoju przez całe dziesięciolecia. Jednak w ciągu kilku ostatnich lat niegdyś heretyckie wyjaśnienie szybko się rozpowszechniło – chodzi o wyjaśnienie, zgodnie z którym wiele tych sierocych genów powstało z tak zwanego śmieciowego, lub niekodującego, DNA, czyli z tajemniczych nici DNA występujących między genami. „Funkcjonalność genów w jakiś sposób po prostu się pojawia” – powiedział David Begun, biolog z University of California w Davis20.

Jeśli idea, że „funkcjonalność genów w jakiś sposób po prostu się pojawia”, nie brzmi dla ciebie zbyt przekonująco, to witamy w klubie. Od zwolenników hipotezy powstawania genów de novo najprawdopodobniej nie usłyszysz bardziej szczegółowych wyjaśnień. W artykule zacytowano nawet jednego zwolennika tej idei, według którego „trudno zrozumieć, jak otrzymać nowe białko z losowej sekwencji, skoro uznajemy, że losowe sekwencje sprawiają tak dużo problemów”. Ewolucjoniści mają pecha, ponieważ problem ten występuje powszechnie wśród zwierząt, o czym informuje nas dalsza część artykułu w „Quanta Magazine”:

Kiedyś uważano, że taka metamorfoza jest niemożliwa, ale coraz większa liczba przykładów znajdowanych w przypadku różnych organizmów, od drożdży i muchy po myszy i ludzi, przekonała większość naukowców, że geny powstające de novo istnieją. Według niektórych naukowców mogą być one nawet powszechne. Tylko w ciągu ostatniego miesiąca wyniki badań przedstawione na spotkaniu Society for Molecular Biology and Evolution w Wiedniu wskazały na istnienie 600 potencjalnie nowych ludzkich genów. „Istnienie genów powstałych de novo miało być zjawiskiem rzadkim”, powiedział Mar Albà, biolog ewolucyjny pracujący w Hospital del Mar Research Institute w Barcelonie, który zaprezentował te wyniki. „Badacze zaczęli jednak obserwować ich coraz więcej”21.

Za każdym razem, gdy ktoś będzie mówić o powstawaniu genów „de novo”, powinieneś wiedzieć, że biologowie ewolucyjni nie potrafią wyjaśnić, jak takie geny powstały. Naukowcy nie mieli zbyt wiele czasu na analizę genomu głowonogów, zważywszy jednak na pierwsze ogłoszenia odkryć wielu unikatowych genów, należy zorientować się, w jak często muszą oni przywoływać te tajemnicze procesy – równoznaczne z ewolucją ex nihilo – aby wyjaśnić powstanie tego „obcego” genomu.

 

Casey Luskin

Oryginał: The Octopus Genome: Not “Alien” but Still a Big Problem for Darwinism, „Evolution News & Science Today” 2015, August 28 [dostęp 14 I 2020].

 

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 14.01.2020

Literatura:

  1. Abbott A., Octopus Genome Holds Clues to Uncanny Intelligence: DNA Sequence Expanded in Areas Otherwise Reserved for Vertebrates, „Nature News” 2015, August 12 [dostęp 04 XII 2019].
  2. Albertin C.B. i in., The Octopus Genome and the Evolution of Cephalopod Neural and Morphological Novelties, „Nature” 2015, Vol. 524, s. 220–226 [dostęp 04 XII 2019].
  3. Don’t Freak Out, But Scientists Think Octopuses “Might Be Aliens” after DNA Study, „bt.com” 2015, August 13 [dostęp 04 XII 2019].
  4. Chen L. i in., Evolution of Antifreeze Glycoprotein Gene From a Trypsinogen Gene in Antarctic Notothenioid Fish, „PNAS” 1997, Vol. 94, No. 8, s. 3811–3816 [dostęp 13 XII 2019].
  5. Courseaux A., Nahon J-L., Birth of Two Chimeric Genes in the Hominidae Lineage, „Science” 2001, Vol. 291, No. 5507, s. 1293-1297 [dostęp 13 XII 2019].
  6. Guerzoni G., McLysaght A., De Novo Origins of Human Genes, „PLoS Genetics”, 2011, Vol. 7, No. 11, e1002381 [dostęp 13 XII 2019].
  7. Knowles D.G., McLysaght A., Recent De Novo Origin of Human Protein-Coding Genes, „Genome Research” 2009, Vol. 19, No. 10, s. 1752 [1752-1759] [dostęp 13 XII 2019].
  8. Luskin C., A Response to Dr. Dawkins’ “The Information Challenge”, „Discovery Institute” 2007, October 4 [dostęp 04 XII 2019].
  9. Luskin C., How to Play the Gene Evolution Game, „Evolution News & Science Today” 2010, February 22 [dostęp 04 XII 2019].
  10. Meyer S.C., Darwin’s Doubt: The Explosive Origin of Animal Life and the Case for Intelligent Design, New York 2013.
  11. Octopus Genome Defies Evolutionary Expectations, „Evolution News & Science Today” 2015, August 21 [dostęp 04 XII 2019].
  12. Siepel A., Darwinian Alchemy: Human Genes From Noncoding DNA, „Genome Research” 2009, Vol. 19, No. 10, s. 1693-1695 [dostęp 13 XII 2019].
  13. Singer E., A Surprise Source of Life’s Code: Emerging Data Suggests the Seemingly Impossible – That Mysterious New Genes Arise from “Junk” DNA, „Quanta Magazine” 2015, August 18 [dostęp 04 XII 2019].

Przypisy

  1. Por. Octopus Genome Defies Evolutionary Expectations, „Evolution News & Science Today” 2015, August 21 [dostęp 12 XII 2019].
  2. Don’t Freak Out, But Scientists Think Octopuses “Might Be Aliens” after DNA Study, „bt.com” 2015, August 13 [dostęp 04 XII 2019].
  3. A. Abbott, Octopus Genome Holds Clues to Uncanny Intelligence: DNA Sequence Expanded in Areas Otherwise Reserved for Vertebrates, „Nature News” 2015, August 12 [dostęp 04 XII 2019].
  4. Abbott, Octopus Genome Holds Clues to Uncanny Intelligence (przyp. tłum.).
  5. C.B. Albertin i in., The Octopus Genome and the Evolution of Cephalopod Neural and Morphological Novelties, „Nature” 2015, Vol. 524, s. 220 [220–226] [dostęp 04 XII 2019] (przyp. tłum.).
  6. Albertin i in., The Octopus Genome, s. 220 (przyp. tłum.).
  7. Albertin i in., The Octopus Genome, s. 220 (przyp. tłum.).
  8. Albertin i in., The Octopus Genome, s. 223 (przyp. tłum.).
  9. Albertin i in., The Octopus Genome, s. 221. Oddzielenie tych dwóch grup miało miejsce znacznie wcześniej – około 270 milionów lat temu (przyp. tłum.).
  10. Albertin i in., The Octopus Genome, s. 221 (przyp. tłum.).
  11. Por. C. Luskin, How to Play the Gene Evolution Game, „Evolution News & Science Today” 2010, February 22 [dostęp 12 XII 2019].
  12. L. Chen i in., Evolution of Antifreeze Glycoprotein Gene From a Trypsinogen Gene in Antarctic Notothenioid Fish, „PNAS” 1997, Vol. 94, No. 8, s. 3816 [3811–3816] [dostęp 13 XII 2019] (przyp. tłum.).
  13. A. Courseaux, J-L. Nahon, Birth of Two Chimeric Genes in the Hominidae Lineage, „Science” 2001, Vol. 291, No. 5507, s. 1296-1297 [1293-1297] [dostęp 13 XII 2019] (przyp. tłum.).
  14. D.G. Knowles, A. McLysaght, Recent De Novo Origin of Human Protein-Coding Genes, „Genome Research” 2009, Vol. 19, No. 10, s. 1752 [1752-1759] [dostęp 13 XII 2019] (przyp. tłum.).
  15. D. Guerzoni, A. McLysaght, De Novo Origins of Human Genes, „PLoS Genetics”, 2011, Vol. 7, No. 11, e1002381 [dostęp 13 XII 2019] (przyp. tłum.).
  16. A. Siepel, Darwinian Alchemy: Human Genes From Noncoding DNA, „Genome Research” 2009, Vol. 19, No. 10, s. 1693, 1695 [1693-1695] [dostęp 13 XII 2019] (przyp. tłum.).
  17. Siepel, Darwinian Alchemy, s. 1693 (przyp. tłum.).
  18. S.C. Meyer, Darwin’s Doubt: The Explosive Origin of Animal Life and the Case for Intelligent Design, New York 2013, s. 216, 220-221.
  19. Por. C. Luskin, A Response to Dr. Dawkins’ “The Information Challenge”, „Discovery Institute” 2007, October 4 [dostęp 04 XII 2019].
  20. E. Singer, A Surprise Source of Life’s Code: Emerging Data Suggests the Seemingly Impossible – That Mysterious New Genes Arise from “Junk” DNA, „Quanta Magazine” 2015, August 18 [dostęp 04 XII 2019] (przyp. tłum.).
  21. Singer, A Surprise Source of Life’s Code (przyp. tłum.).

Dodaj komentarz