Białka występują rzadko i są odizolowane, dlatego nie mogą ewoluowaćCzas czytania: 8 min

Czy prawa fizyki i chemii zostały precyzyjnie dostrojone w celu ułatwienia ewolucji białek? To twierdzenie jest kluczowym elementem koncepcji projektu, którą proponuje teolog Erkki Vesa Rope Kojonen. Uważa on, że Bóg zaprojektował prawa przyrody w taki sposób, aby białka i inne zjawiska biologiczne mogły ewoluować. W poprzednim poście¹ omawiałem artykuł zatytułowany On the Relationship between Design and Evolution [O relacji między hipotezą projektu a teorią ewolucji]², który napisałem wspólnie ze Stephenem Dilleyem, Caseyem Luskinem i Emily Reeves. Zarówno w tym artykule, jak i w serii postów na blogu „Evolution News & Science Today” przedstawiliśmy krytykę książki Kojonena The Compatibility of Evolution and Design [Zgodność między teorią ewolucji a hipotezą projektu]³. W książce Kojonen argumentuje, że teorię ewolucji da się pogodzić z przekonaniem, iż organizmy żywe dostarczają świadectw projektu. Tutaj rozszerzę swój wcześniejszy argument na temat białek, wykazując, że funkcjonalne białka występują rzadko i są odizolowane, dlatego nie mogą ewoluować. Jeśli mój argument jest słuszny, to proponowane przez Kojonena ujęcie projektu jest zupełnie błędne.

Związek między rzadkim występowaniem a odizolowaniem

Kojonen przyznaje, że wiele rodzajów białek ma tak rzadko występujące sekwencje, że nie mogły one powstać wskutek losowego wyszukiwania. Autor The Compatibility of Evolution and Design argumentuje jednak, że rzadkie występowanie tych sekwencji niekoniecznie świadczy o ich odizolowaniu:

Podobnie jak Kojonen, inni uczeni⁴ argumentowali, że rzadkie występowanie w przestrzeni sekwencji niekoniecznie świadczy o dostatecznie dużym odizolowaniu w tej przestrzeni, aby stanowiło to przeszkodę dla procesu ewolucji. W ramach takiego sposobu rozumowania przyjmuje się (lub dopuszcza) istnienie ciągłych ścieżek dla funkcjonalnych sekwencji – ścieżki te prowadzą od prostych białek do białek bardziej złożonych. Zgodnie z tym poglądem, nawet jeśli rodzaje białek występują rzadko, to są (bądź mogą być) zgromadzone blisko siebie. W takiej sytuacji mechanizm mutacji i selekcji nie musiałby przeszukiwać dużego regionu przestrzeni sekwencji, ponieważ potrzebowałby tylko znaleźć ciągłe i znajdujące się blisko siebie ścieżki⁵.

Statek kosmiczny szukający przejezdnej ścieżki

Odpowiadamy na ten argument w sposób następujący:

Prosta analogia pokazuje jednak, dlaczego to przekonanie jest błędne. Wyobraźmy sobie, że na biegunie północnym jakiejś planety ląduje statek kosmiczny, a astronauci chcą przedostać się na biegun południowy. Perspektywa, że tak się stanie, zależy od tego, jaki procent, p, powierzchni planety jest możliwy do przebycia. Jeśli p wynosi 70,0%, to jest prawdopodobne, że między biegunami planety istnieje ciągła ścieżka. Jeśli jednak p wynosi 0,1%, to taka ścieżka najprawdopodobniej nie istnieje. Im mniejszy procent, tym mniej prawdopodobne istnienie ścieżki.

Zastanówmy się teraz, jakie ta analogia ma zastosowanie do zagadnienia ewolucji nowych białek. Rzadkie występowanie badanej przez Douglasa Axe’a⁶ domeny beta-laktamazy jest odpowiednikiem planety o wielkości całej naszej Galaktyki, a całkowita ilość możliwego do przebycia lądu odpowiada obszarowi powierzchni o wielkości atomu. Jeśli rozszerzymy naszą analogię na białka, których rzadkość występowania wynosi 1 na 10²³, to odpowiadałoby to planecie o wielkości Jowisza, na którym całkowity możliwy do przebycia obszar ma wielkość znaczka pocztowego. Możliwa do przebycia ścieżka z jednego bieguna na drugi niemal z całkowitą pewnością by nie istniała. Inaczej mówiąc, nawet w przypadku rodzaju białka, które według Kojonena ma takie prawdopodobieństwo sekwencji, że występuje „powszechniej”, możliwość istnienia ciągłej funkcjonalnej ścieżki prowadzącej od tego rodzaju białka do jakiegoś typowego rodzaju białka jest bardzo niewielka.

Wygląda na to, że złożone białka są w przeważającej mierze odizolowane – również od prostych sekwencji aminokwasów, które mogą pełnić podstawowe funkcje. Dane, wzięte łącznie, pokazują, że białka o typowej złożoności znajdują się poza zasięgiem doboru naturalnego, losowych mutacji i innych standardowych mechanizmów ewolucyjnych⁷.

Czy prawa fizyki zostały precyzyjnie dostrojone, tak aby istnienie takich wąskich ścieżek było możliwe? Wydaje się, że nie:

Kojonen próbuje obejść ten problem, argumentując, że fizyczne właściwości białek są „precyzyjnie dostrojone”, tak aby prowadzić do gromadzenia się funkcjonalnych sekwencji, co umożliwia rozszerzenie bardzo wąskich ścieżek na złożone białka o rzadko występujących funkcjonalnych sekwencjach. To ukierunkowanie skutkowałoby większą powszechnością funkcjonalnych sekwencji na ścieżkach prowadzących do nowych białek niż w innych regionach przestrzeni sekwencji. Takie ukierunkowanie najprawdopodobniej nie wspomagałoby ewolucji większości rodzajów białek. Można sądzić, że ukierunkowanie rozkładu funkcjonalnych sekwencji w przestrzeni sekwencji za pomocą praw fizyki podlegałoby takim samym ograniczeniom, jak ukierunkowanie algorytmów stosowanych w programach wyszukiwania ewolucyjnego. W związku z tym zagadnienie ewolucji białek podpada pod twierdzenia „nic za darmo”, zgodnie z którymi żaden algorytm nie znajdzie – ogólnie rzecz biorąc – celów (na przykład nowych białek) szybciej niż wyszukiwanie losowe. Algorytm może wspomóc znalezienie jednego celu (na przykład jakiegoś specyficznego białka), ale jest równie prawdopodobne, że będzie utrudniał znalezienie innego celu. Mimo więc, że Kojonen przyznaje, iż białka występują niekiedy zbyt rzadko, by mogły powstać bezpośrednio w wyniku losowego wyszukiwania, to nie bierze on pod uwagę stopnia, w jakim rzadkie występowanie pociąga za sobą odizolowanie, i dlaczego często musi to stanowić przeszkodę dla dalszej ewolucji białek. Różne rodzaje białek mają zupełnie odmienne sekwencje aminokwasów, właściwości fizyczne, dynamikę konformacyjną i funkcje. Każde ukierunkowanie, które może wspomagać ewolucję jednego rodzaju białka, niemal na pewno będzie utrudniało ewolucję innego rodzaju białka. Inaczej mówiąc, prawdopodobieństwo istnienia ciągłych ścieżek prowadzących do niektórych rodzajów białek byłoby jeszcze mniejsze, niż gdyby rozkład funkcjonalnych sekwencji był losowy⁸.

Rzadkie występowanie funkcjonalnych sekwencji świadczy o ich odizolowaniu

Tak podsumowujemy nasz ogólny argument:

Ostatecznie trudno jest wyobrazić sobie ewolucję nowych białek przy uwzględnieniu znanych praw przyrody. To dlatego że przekonanie o istnieniu ciągłych ścieżek dla funkcjonalnych sekwencji w przestrzeni sekwencji nie jest wiarygodne, a ma to związek głównie z rzadkim występowaniem funkcjonalnych sekwencji oraz z odizolowaniem białek mających zupełnie odmienne struktury i funkcje. Najważniejsze jest tutaj to, że skrajnie rzadkie występowanie funkcjonalnych sekwencji świadczy o ich odizolowaniu w przestrzeni sekwencji. Stanowi to zasadniczy problem dla tezy Kojonena, że przyroda została zaprojektowana tak, aby możliwa była ewolucja organizmów żywych. Różne rodzaje białek, podobnie jak gwiazdy w przestrzeni kosmicznej, są oddzielone od siebie nawzajem ogromnymi odległościami⁹.

Pamiętajmy, że zgodnie z modelem Kojonena Bóg zaprojektował prawa przyrody tak, aby białka mogły ewoluować. Jest to kluczowy element proponowanej przez Kojonena hipotezy projektu. Ta hipoteza jest testowalna: czy dysponujemy świadectwami empirycznymi wskazującymi na to, że znane nam prawa przyrody umożliwiają ewolucję białek? A może jednak dane wskazują na istnienie nieprzekraczalnych przepaści między funkcjonalnymi białkami? Okazuje się, że dane wyraźnie przemawiają za tą drugą możliwością. Sekwencje funkcjonalnych białek występują rzadko i są odizolowane, a między nimi istnieją ogromne przepaści niefunkcjonalności.

Nieunikniony związek między rzadkim występowaniem a odizolowaniem białek nie tylko podważa proponowane przez Kojonena ujęcie projektu, ale też obala całą teorię ewolucji głównego nurtu. Chociaż naszym głównym celem jest proponowane przez Kojonena ujęcie projektu, to dane naukowe ewidentnie wskazują także na problemy trapiące samą teorię ewolucji.

Brian Miller

Oryginał: Proteins Are Rare and Isolated – And Thus, Cannot Evolve, „Evolution News & Science Today” 2023, November 20 [dostęp: 16 II 2024].

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Literatura: