Вероятность макроэволюции
Описание: После прорывных открытий и разработок, совершенных в третьем тысячелетии в сфере генетики, мы имеем больше возможностей оценить шансы макроэволюции в рамках эволюционной теории, которая возникла в истории Вселенной.
- Авторство: Ибрахим Абухарб (© 2016 I.A. Abuharb)
- Опубликовано 25 Jul 2016
- Последние изменения 14 Aug 2022
- Распечатано: 5
- Показано: 12,298 (Ежедневно: 4)
- Оценено: 77
- Отправлено почтой: 0
- Комментариев: 0
Введение
Наука совершила огромный прогресс и
развитие в генетике с начала 21 века. Ученые упорядочили и составили схему
целых геномов более чем 2800 организмов, включая человека, и счет продолжается.[1]
Макроэволюция в рамках эволюционной теории гласит, что люди, как и иные многоклеточные формы жизни, эволюционировали из примитивных одноклеточных организмов, соответствующих царству прокариотов, или еще более примитивных.[2] Прокариоты – это одноклеточные организмы, не обладающие ядром, поскольку их геном ни содержится в мембране, ни существует отдельно от остатка клетки. Это самая ранняя и наиболее примитивная форма жизни, обнаруженная на Земле.[3] Есть ли шанс, что человек эволюционировал из простой единственной клетки с течением жизни Вселенной?
Человеческий геном[4] содержит приблизительно 3 миллиарда нуклеотидных базовых пар (А, Ц, Т и Г).[5] Примерно 34 миллиона нуклеотидных баз человеческого генома зашифрованы для производства белка, жизненно важного для всех жизненных процессов.[6] Эти 34 миллиона нуклеотидов называются генами. Белки создаются аминокислотами. Каждая аминокислота состоит из кодонов (триплетов), и каждый триплет состоит из 3 нуклеотидов.
Вы можете считать, что нуклеотид – это алфавит из 4 букв, а кодоны – слова длиной в 3 буквы.
Последовательность этих нуклеотидов в генах определяет характеристики и функции живого организма и их природу – будет ли это бактерия, растение, муха, рыба или человек. Последовательность этой кодировки в человеческих генах, как и в других организмах, настолько сложна, точна и структурирована, что ее можно сравнить с последовательностью букв в поэме Шекспира, с романом, диссертацией, компьютерной программой или энциклопедией из 2 миллионов слов (или двумя томами).
Но согласно макроэволюции, эта точная последовательность, кодировка, появилась в результате случайных трансформаций[7] и естественного отбора.
Максимально возможные трансформации в ходе жизни Вселенной
Здесь мы постараемся выявить максимальное число трансформаций, которое может произойти в течение жизни Вселенной на основе предположений в пользу эволюции.
Максимальное число трансформаций человеческого генома, которое может пройти в течение эволюции от одной клетки к человеку, составляет 3 миллиарда трансформаций на одно поколение, поскольку это максимальный размер генома млекопитающих. Это предельное предположение в пользу эволюции. В действительности показатель трансформации варьируется приблизительно между 0.003 и 350 трансформаций на один геном за поколение.[8]
Наиболее короткая продолжительность поколения, зафиксированная на данный момент, это поколение Pseudomonas natriegens, морская бактерия с продолжительностью генерации в 9.8 минут.[9]
Тем не менее, возвращаясь к пределу эволюции, мы можем предположить, что каждую секунду зарождается новое поколение. Таким образом, в течение жизни Вселенной, которая составляет примерно 15 миллиардов лет[10], максимальное число поколений, которые могут зародиться, равняется:
Возраст Вселенной в годах × Число дней в году × Число
секунд в день
15 миллиардов × 365 × 86400
что равняется примерно 1018 поколений (единица с 18 нулями).
Последний блок информации, необходимой для расчета максимального числа возможных трансформаций – популяция этих одноклеточных организмов. Для этого мы возьмем в расчет самое большое число, которое не оставит места другим, - число атомов в наблюдаемой Вселенной, которое равняется примерно 1082.[11]
Таким образом, на основе предыдущих результатов и щедрых предположений, максимальное число трансформаций, которые могут возникнуть во всей Вселенной в течение ее жизни, равняется:
Число трансформаций на одно поколение × Число поколений в течение
жизни Вселенной × Популяция
3 миллиарда × 1018 × 1082
что чуть менее чем 10110 трансформаций (единица с 110 нулями).
Число случайных трансформаций, требуемое для эволюции в человека
Гены человеческого генома состоят из приблизительно 34 миллионов нуклеотидов.[12]
Крупнейший геном простых одноклеточных организмов, прокариотов, содержит около 13 миллионов нуклеотидов.[13]
Таким образом, между прокариотами и людьми есть разница в минимум 21 миллион нуклеотидов. Для клетки, чтобы эволюционировать в человека, в рамках эволюционного процесса должны трансформироваться (процесс может содержать включение) минимум 21 миллион нуклеотидов с корректной нуклеотидной базой и в правильной последовательности.
В генах каждая аминокислота (а это строительный материал для протеинов, который чрезвычайно важен для всех жизненных процессов) закодирован тремя нуклеотидами, что называется кодоном. 21 миллион нуклеотидов означает 7 миллионов кодонов.
Случайные трансформации имеют один из трех эффектов: нейтральный, вредный (пагубный) или положительный. Только положительные трансформации могут способствовать процессу эволюции.
В живых организмах существует 20 различных аминокислот и код остановки[14], то есть, в сумме 21[15]. Любое видоизменение приведет либо к стоп коду, либо к одной из 20 аминокислот.[16]
Таким образом, каждое видоизменение, происходящее внутри гена, кодирующей области генома[17] с вероятностью 1/21 может не изменить аминокислоту (то есть, кодировка с идентичной аминокислотой) и таким образом это будет нейтральной трансформацией, также есть шанс 20/21, что трансформация изменит аминокислоту.[18] 70% этих трансформаций с вероятностью 20/21 производят пагубный эффект.[19] Однако, из соображений эволюции мы предположим, что все трансформации, изменяющие аминокислоты, производят положительный эффект. Таким образом, каждая трансформация с вероятностью 20/21 может быть благоприятной.[20]
Следовательно, вероятность того, что 7 миллионов кодонов трансформируются случайным образом, равна:
Вероятность благоприятной трансформации к числу кодонов
20/21 на 7 миллионов,
что равно 1 к 10100,000 (единица с 100 000 нулей).[21]
Мог ли естественный отбор повысить шансы трансформаций в нашем случае? Никогда, так как то, что в основном происходит ввиду естественного отбора – это поддержание клеточных линий с благоприятными или нейтральными трансформациями и снижение числа линий с пагубными трансформациями. Естественный отбор не может сделать так, чтобы положительные видоизменения не произошли снова. Более того, в нашем сценарии мы предположили, что все трансформации либо нейтральны, либо благоприятны, и мы исключили пагубные трансформации. Таким образом, естественный отбор при нашем сценарии не может улучшить ситуацию.
Заключение
Таким образом, нам необходимо, чтобы возникло более чем 10100,000 (единица с 100 000 нулей) случайных трансформаций, чтобы простые одноклеточные организмы могли эволюционировать в человека, в то время как в течение жизни Вселенной мы можем получить только меньше, чем 10110 (единица с 110 нулями) трансформаций, даже когда Вселенная является стадией эволюционного процесса.
Все эти вычисления были основаны на человеческих генах, которые составляют меньше 2% генома – без учета «мусорных регионов», потребляющих приблизительно 98% человеческого генома, которые в конце концов оказались не «мусорными». Проектный консорциум «ENCODE» смог присвоить биохимические функции 80 процентам человеческого генома и обнаружил, что почти 20 процентов генома регулируют гены. Результаты пятилетнего проекта ENCODE были опубликованы в журналах «Природа», «Наука», «Биология генома» и «Исследования генома».[22] 442 исследователя, входящие в состав консорциума ENCODE, находящиеся в 32 учреждениях по всему миру, потратили 300 лет компьютерного времени и пять лет в лаборатории, чтобы получить эти результаты.
Мы надеемся, что это исследование смогло пролить свет на эту актуальную тему.
[Ваши комментарии, критику и замечания к этой статье можете направить её автору по этому адресу: comments@i-g.org].
Примечания
[2]
http://jmicro.oxfordjournals.org/content/early/2012/09/28/jmicro.dfs062.full
http://www.bbc.co.uk/nature/history_of_the_earth
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9841/
http://www.sciencemag.org/content/323/5911/198.full?sid=d1229251-19db-4c22-ad69-f77105acb632
http://www.nature.com/scitable/content/the-origin-of-mitochondria-and-chloroplasts-14747702
http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/_0/endosymbiosis_03
[3]
http://www.nature.com/scitable/definition/prokaryote-procariote-18
http://www.nature.com/scitable/content/the-origin-of-mitochondria-and-chloroplasts-14747702
http://biology.about.com/od/cellanatomy/ss/prokaryotes.htm
[4] Геном – полноценный набор ДНК и РНК организма, включающий все его гены. Каждый геном содержит всю наследственную информацию, необходимую для построения и сохранения данного организма.
[7] Виды трансформации включают в себя: замену, включение, удаление, сдвиг рамок и иные типы. (http://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/IIIC3aTypes.shtml).
[8]
http://www.genetics.org/content/148/4/1667.full
http://www.genetics.org/content/156/1/297.full
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2910838/ [Таблица 1]
http://sandwalk.blogspot.com/2007/07/mutation-rates.html
[11]
http://www.universetoday.com/36302/atoms-in-the-universe/
http://plato.stanford.edu/entries/computability/
[14] Существует 64 кодона. В среднем, каждая аминокислота и стоп-код могут быть закодированы в одним из трех кодонов [см. ссылку в примечаниях под номером #17].
[15]
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21950/ [Рисунки
10-27]
http://www.nature.com/scitable/definition/genetic-code-13
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/organic/gencode.html
[16]
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22358/ [Таблица 5.4]
http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_codon_table
http://www.nature.com/scitable/topicpage/nucleic-acids-to-amino-acids-dna-specifies-935
[17] Если трансформация происходит вне гена, она, очевидно, производит нейтральный эффект. Примечательно, что у большинства многоклеточных организмов с большим размером генома, чем 100 миллионов нуклеотидов, гены потребляют меньше половины генома (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18384817 и http://www.tcm.phy.cam.ac.uk/~tmf20/PUBLICATIONS/jtb_07.pdf).
[18] Если быть точнее, вероятность изменения аминокислоты где-то между 20/21 и 20,318/21, но не может превышать это значение. Вероятность не совсем равна 20/21, потому что кодон не трансформируется в себя. Верхний предел вероятности может быть вычислен через уравнение: (63-((64/21)-1))/(64-1) = 20.318/21. Во всех случаях итоговая полученная вероятность одна и та же.
[20] Эта вероятность благоприятного исхода в 20/21 может быть применена в редком случае вставки полноценных кодонов или крупномасштабного кодирования. Поскольку все исследования подтвердили, что лишь небольшая часть трансформаций (любого рода) является благоприятной, в то время как большинство нейтральны или пагубны. Это очевидно, поскольку они случайны. Таким образом, очень щедро предполагать, что вероятность благоприятности трансформаций равна 20/21.
(http://www.nature.com/scitable/topicpage/genetic-mutation-441, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1871816/, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1617134/, http://global.britannica.com/EBchecked/topic/399695/mutation, http://www.nature.com/hdy/journal/v84/n4/abs/6887250a.html, http://www.genetics.org/content/148/4/1667.full.pdf, и http://www.sciencemag.org/site/feature/data/pharmacia/1999/Cascalho.xhtml).
[21] Для подсчета больших чисел вам может понадобиться специальный калькулятор, как этот на сайте http://www.ttmath.org/online_calculator.
Добавить комментарий