Losowość vs kierunkowość mutacji, czyli algorytmy ewolucjiCzas czytania: 11 min

W procesie powielenia znajdującego się w komórkach materiału genetycznego, tak jak to się dzieje w innych procesach, tak i tutaj jest miejsce na błędy, w tym przypadku błędy aparatu replikującego, którego skutkiem jest niewłaściwe podstawienie nukleotydu. Część niewłaściwych pierwotnemu zapisowi podstawień zostaje rozpoznana i naprawiona przez polimerazę DNA lub za pomocą specyficznych enzymów w innym momencie cyklu komórkowego¹. Defekty zaś, którym udało się pozostać i zachować w genomie komórkowym, nazywane są mutacjami spontanicznymi².

Poza występującymi mutacjami spontanicznymi, mutacje mogą być indukowane za pomocą różnorodnych czynników zewnętrznych: fizycznych (np. promienie jonizujące), chemicznych (np. barwniki akrydynowe), a także przez niektóre wirusy i toksyny białkowe³. Za każdy z tych czynników mutacyjnych odpowiada swoisty mechanizm, który umożliwia naruszenie struktury DNA. Błędy stają się więc nieodzownym elementem w istnieniu i zachowywaniu informacji biologicznej. Zastanówmy się jednak, czy zbiór losowych mutacji, nagromadzonych błędów, jest w stanie doprowadzić do powstania złożonych i prężnie działających układów biologicznych. Czy możemy powiedzieć, że organizm jest kumulacją przypadków?

Metoda prób i błędów

Według powszechnie uznawanej teorii ewolucji twórczy czynnik życia i ewolucji polega na stopniowej akumulacji tych niewielkich zmian genetycznych, czyli błędów, które są następnie poddawane procesowi selekcji naturalnej. Motorem napędowym tego procesu, powodującym zmiany materiału genetycznego – mają być oczywiście losowe mutacje. Wynika z tego, że proces ewolucji ma charakter częściowo przypadkowy i jest efektem następowania po sobie zdarzeń losowych, warunkujących cechy przyjmowane bądź odrzucane przez środowisko na drodze selekcji. Nietrudno dostrzec w tym modelu analogię do rozwiązywania problemu metodą prób i błędów, trafnie oddającą model darwinowskiej ewolucji.

Od momentu publikacji książki Karola Darwina O powstawaniu gatunków argument niekierowanego prawa przyrody prowadzącego do powstawania skomplikowanych układów biologicznych był jednak ostro krytykowany poprzez rozważania z zakresu kombinatoryki. Udział przypadku w procesie ewolucji rozważało wielu naukowców, między innymi Harold J. Morowitz⁴, Fred Hoyle i Chandra Wickramasinghe⁵ oraz Alexander G. Cairns-Smith⁶. Ich opracowania wskazują, że prawdopodobieństwo powstania układów złożonych drogą procesów darwinowskich są znikome. W 1966 roku w Filadelfii odbyło się sympozjum pod nazwą Mathematical Challenges to the Neo-Darwinian Interpretation of Evolution⁷ [Matematyczne wyzwania dla neodarwinowskiej interpretacji ewolucji]. Wnioski płynące z konferencji podsumował Michael Denton w książce Kryzys teorii ewolucji:

Niestety, jak wskazali obecni na sympozjum matematycy, tacy jak Shutzenberger i profesor Eden z MIT, metoda prób i błędów jest absolutnie nieodpowiednia jako technika rozwiązywania problemów, jeżeli nie obejmuje sterowania specyficznymi algorytmami, co doprowadziło później do porażki symulacji darwinowskiej ewolucji za pomocą analogów komputerowych⁸.

Współcześnie niewiele się w tej kwestii zmieniło, z tą różnicą, że wiemy znacznie więcej o strukturze DNA i biochemii komórkowej. Najnowsze badania umożliwiają nawet oszacowanie, że do funkcjonowania minimalnie złożonej komórki niezbędne jest około 370 genów⁹. Jednak nawet przy najprostszych, korzystnych dla darwinowskiej teorii ewolucji założeniach, prawdopodobieństwo powstania pierwotnych układów biologicznych jest na tyle niewielkie, że ich pochodzenie dalej pozostaje zagadką.

Kierunkowość mutacji

Nie ma znaczenia, jak wiele znanych czynników zestawimy w kalkulacjach dotyczących ślepej ewolucji, ponieważ prawdopodobieństwo jej udziału w procesie powstania życia się nie zwiększy. Karol Darwin w momencie publikacji swojej teorii nie wiedział, że za dokonywane w organizmach zmiany odpowiadają mutacje materiału genetycznego. Nie miał więc też możliwości sprawdzenia, czy miejsca ich pojawienia się są całkowicie losowe. W założeniu przyjmowanym przez następców Darwina powstawanie spontanicznych mutacji powinno być jednakowo prawdopodobne na całej długości łańcucha DNA i nieskorelowane z żadnym czynnikiem.

Od 2021 roku obserwuje się zwiększone zainteresowanie tym tematem. W styczniu 2022 roku w czasopiśmie ,,Nature” opublikowano wyniki badań prowadzonych na rzodkiewniku pospolitym (Arabidopsis thaliana), które podważyły twierdzenie o losowości mutacji. Jak napisali autorzy badań – J. Grey Monroe i współpracownicy:

Wbrew oczekiwaniom odkrywamy, że mutacje występują rzadziej w funkcjonalnie ograniczonych regionach genomu – częstość mutacji jest zmniejszona o połowę w ramce odczytu i o dwie trzecie w ważnych genach. […] Wreszcie odkrywamy, że geny podlegające silniejszej selekcji oczyszczającej mają niższy współczynnik mutacji. Dochodzimy do wniosku, że epigenetyczne skłonności mutacyjne zmniejszają występowanie szkodliwych mutacji u Arabidopsis, kwestionując dominujący paradygmat, że mutacja jest nieukierunkowaną siłą ewolucji¹⁰.

Badacze nie tylko więc wskazują na nielosowość mutacji, ale również wymieniają szereg czynników wpływających na mutacje. Wśród nich znalazły się również introny, którym do dziś przypisywane są różne funkcje. Wyżej przytoczone wyniki wskazują, że ,,prawdopodobieństwo mutacji było o 90% większe w genach pozbawionych intronów i odpowiednio niższe w genach z dłuższymi intronami i większą ich liczbą”¹¹. Być może będzie to wskazówka na drodze do zrozumienia funkcji tych niekodujących sekwencji.

Jak się okazuje, wnioski autorów nie były w nauce czymś nowym. Podobne doniesienia możemy znaleźć już w 2011 roku, kiedy opublikowano wyniki badań nad ewolucyjnymi mechanizmami adaptacyjnymi roślin¹². Rafał Wóycicki i współpracownicy badający sekwencje promotorowe genów ortologicznych u ogórka siewnego (Cucumis sativus) zwrócili uwagę na różnice w ilości mutacji w promotorach, intronach i egzonach. Trzykrotnie większą ilość delecji, insercji oraz mutacji punktowych zauważono w promotorach w porównaniu z egzonami i intronami tego samego genu i genotypu. Dzieje się tak dlatego, że zmiana ekspresji genów jest prostszą i łatwiejszą formą adaptacji niż zmiana struktury i funkcji samego genu. Badania prowadzą do wniosku, że proces mutacji jest nakierowany na zmiany w promotorach i jest bardziej prawdopodobny w jednych odcinkach DNA, a mniej prawdopodobne w drugich.

Można wskazać więcej przykładów, gdzie zaobserwowano podobne zjawisko „stronniczości” mutacji. Naukowcy z Izraela i Ghany – Daniel Melamed i współpracownicy – pracujący nad genem kodującym podjednostkę ludzkiej hemoglobiny (HBB) doszli do podobnego wniosku¹³. Podstawą powyższych badań była punktowa mutacja w sekwencji HBB. Jej pojawienie się drastycznie wpływa na funkcjonalność i wygląd krwinek czerwonych, nadając im charakterystyczny sierpowaty kształt i prowadząc do powszechnie znanej choroby genetycznej zwanej anemią sierpowatą. Właściwość powiązana z tą chorobą to zwiększona odporność chorego na zarażenie malarią, ponieważ zarodziec malarii nie ma możliwości rozwijania się w zdeformowanych krwinkach. Tak więc osoby posiadające mutację w genie HBB są albo w znaczącym stopniu mniej wrażliwe na malarię, albo całkowicie na nią odporne¹⁴. Naukowcy wykazali, że ogólny wskaźnik mutacji punktowych de novo w regionie HBB jest znacznie wyższy u Afrykanów, gdzie występuje komar widliszek (odpowiedzialny za roznoszenie malarii) niż u Europejczyków. Według naukowców mutacja w genie HBB nie jest generowana losowo, ale w sposób preferencyjny pojawia się w genach i populacjach, w których ma znaczenie adaptacyjne¹⁵.

Naukowcy wykazali zatem nielosowość mutacji w odniesieniu do szeroko zakrojonych badań mutacji de novo. Ponadto stwierdzają, że powyższe dane mogą wskazywać na istnienie prawa lub mechanizmu hamującego szkodliwe mutacje i ukierunkowanego w stronę mutacji korzystnych¹⁶, a także na deterministyczne podejście mutacyjne¹⁷, co w mojej opinii podważa główny aksjomat neodarwinowskiej teorii. Napływające stopniowo informacje kierują nas ku przekonaniu, że dobór naturalny może odgrywać w ewolucji drugorzędową rolę, zaś mutacje okazują się w jej przebiegu istotniejsze niż do tej pory sądzono. Podobne przekonanie sugerował już w 2007 roku Masatoshi Nei¹⁸.

Algorytmy przewidujące nowe formy wirusa SARS-CoV-2

Oczywistą alternatywą dla twierdzenia o nielosowym pojawianiu się mutacji musi być twierdzenie o ich przewidywalności. Losowość i przewidywalność wykluczają się wzajemnie. W świetle powyższych badań stopniowo dopuszczamy więc szansę stworzenia algorytmu przewidującego miejsca mutacji.

DNA i RNA są biologiczną formą zachowania informacji, często porównywaną do innych systemów informacyjnych, jak pismo. Do dalszych rozważań niezbędne będzie przedstawienie wprowadzonego przez Claude’a Shannona pojęcia entropii informacji. Entropia informacji jest miarą niepewności lub chaosu w informacji. Tak rozumiana entropia pomaga mierzyć stopień zorganizowania układów informacyjnych. Im większa entropia, tym więcej informacji jest potrzebnych do opisania układu¹⁹. W czerwcu 2022 roku opublikowany został artykuł wykazujący ,,niezaobserwowany wcześniej związek między entropią informacyjną genomów a dynamiką ich mutacji”²⁰. Dane pochodzące z badań nad mutacjami w obrębie RNA wirusa SARS-CoV-2 wskazują na liniową zależność między entropią informacyjną genomów a liczbą mutacji genetycznych. Na tej podstawie autorzy doszli do następującego wniosku: „Biologiczne systemy informacyjne RNA i DNA mają tendencję do zmniejszania z czasem swojej wartości entropii informacyjnej w wyniku mutacji genetycznych”²¹.

Upraszczając, zachodzące mutacje w materiale genetycznym prowadzą do zwiększenia porządku i precyzji w sekwencji genetycznej, co znaczy, że mutowanie jest ukierunkowane w stronę poprawy struktury lub funkcji genów poprzez optymalizację w odpowiadających im sekwencjach. Oznacza to, że mutujący na przestrzeni czasu wirus SARS-CoV-2 i pojawiające się jego coraz to nowsze formy mają niższą entropię informacji niż ich poprzednicy. Ciągłe doskonalenie się wirusa jest osiągane jednak nie za pomocą doboru naturalnego, lecz poprzez tendencję mutacyjną. Obserwacje, które umożliwiły sformułowanie powyższego wniosku pochodzą z badań nad RNA wirusa SARS-CoV-2, ale DNA podlega zasadniczo takim samym mechanizmom mutacyjnym, przez co autorzy nie mają wątpliwości, że podobne zjawisko ma miejsce w DNA²². Powiązanie materiału genetycznego z entropią informacji Shannona jest dużym krokiem w kierunku opracowania metod predykcyjnych mutacji genetycznych i kolejnym argumentem podważającym losowość jako twórczy czynnik życia i ewolucji. Jeżeli więc ewolucja nie jest ,,ślepym procesem” i stopniowo zdajemy sobie sprawę, że jest wręcz procesem ukierunkowanym, to powstaje pytanie, czy nie jest narzędziem do osiągnięcia jakiegoś nieznanego nam biologicznego celu?

Jan Czachorowski

Stypendysta V edycji konkursu stypendialnego Fundacji En Arche

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 1.3.2024

Literatura: