Prof dr hab. Janusz Stanisław Keller

EWOLUCJA CZY KONSERWATYZM GENETYCZNY? (3)

Ewolucja a informatyka

            Pod koniec XX w. powstała i szybko rozwinęła się nowa gałąź nauki – informatyka, która zwróciła uwagę na coś zupełnie nowego, ale istniejącego realnie w świecie ożywionym i nieożywionym, a mianowicie na informację zawartą we wszystkich systemach technicznych, w systemach biologicznych, a nawet – w dziełach sztuki i stanowiącą niematerialną ich bazę. W ostatnich latach prof. Werner Gitt z Uniwersytetu w Brunszwiku sformułował definicje kilku cech charakteryzujących informacje:

            1) informacja jest fundamentalną wielkością niematerialną, a nie – właściwością materii;

            2) coś materialnego, jak procesy fizyczne czy chemiczne, nie może stworzyć        informacji;

            3) informacja nie może powstać w procesach statystycznych;

            4) informacja potrzebuje fizycznego lub chemicznego systemu dla zapisu i           przenoszenia;

            5) nie ma informacji bez kodu;

            6) każdy kod jest zbiorem znaków, powstałym pod wpływem inteligencji, opartym o      wzajemną umowę pomiędzy nadawcą i odbiorcą;

            7) nowa informacja nie zaistnieje bez inteligentnego i zorientowanego na cel nadawcy;

            8) określenie lub rozpoznanie znaczenia jakiegoś kodu jest procesem duchowym,            który wymaga inteligencji;

            9) każdy proces przekazania informacji można prześledzić wstecz, dochodząc do            inteligentnego źródła.

            W okresie ostatnich 50 lat powstała nowa dziedzina wiedzy, genetyka molekularna, która wykazała, że cała informacja genetyczna przekazywana z pokolenia na pokolenie zawarta jest w bardzo oryginalnym związku chemicznym, kwasie deoksyrybonukleinowym (DNA), zlokalizowanym w zasadzie w jadrze komórkowym, ale znajdującym się także częściowo i w innych strukturach komórkowych, zwanych mitochondriami. Okazało się, że DNA jest polimerem zbudowanym z 4 rodzajów podjednostek zwanych deoksy­rybo­nukleotydami. Pojedynczy deoksyrybonukleotyd składa sie z prostego węglowodanu zwanego deoksyrybozą, jednej z czterech zasad organicznych (adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy)oraz z kwasu fosforowego.Te cztery podjednostki stanowią jakby cztery litery kodu genetycznego, a z nich z kolei tworzone są w różnych kombinacjach trzyliterowe „wyrazy”. W jadrze komórkowym człowieka znajduje się około trzech miliardów takich wyrazów i są one pogrupowane w najrozmaitsze sekwencje. Nie wchodząc w mechanizmy biochemiczne związane z przenoszeniem informacji genetycznej na poziom syntezy białek w komórce, można uogólnić, że sekwencja poszczególnych „wyrazów” w określonym fragmencie nici DNA „odpowiada” za sekwencje odpowiednich aminokwasów w jakimś łańcuchu peptydowym, który stanowi tak zwaną strukturę pierwszorzędową białka syntetyzowanego w komórce. Fragment nici DNA odpowiedzialny za syntezę jednego łańcucha peptydowego nazywa się genem. Biorąc pod uwagę, że aminokwasów wbudowanych w białka jest 20, ilość ich możliwych sekwencji w łańcuchu peptydowym jest tak duża, że zawarta w nich informacja jest wystarczającą instrukcją do budowy wszystkich rodzajów komórek ciała, tkanek i narządów wewnętrznych i struktury całego organizmu oraz realizowania wszystkich funkcji biologicznych w najróżniejszych warunkach. Gęstość i kompleksowość rozszyfrowanej aktualnie przez człowieka informacji zakodowanej w DNA jest miliardkrotnie większa od możliwości naszej współczesnej technologii i wynosi 1,88 x 10²¹ bitów na 1 cm³.

Konserwatyzm genetyczny

            Powielanie materiału genetycznego zachodzące podczas podziałów komórkowych charakteryzuje się niezwykłą precyzją. Proces ten nie zachodzi spontanicznie, lecz jest sterowany przez cały zespół enzymów zwanych polimerazami DNA. Do niedawna uważano, że u bakterii E. colizespół ten składa się z 3 enzymów, u człowieka – z 5, jednak obecnie są już doniesienia, że liczby te wynoszą odpowiednio 5 i 16. Jest oczywiste, że w czasie całej bardzo złożonej replikacji materiału genetycznego zdarzają się również pomyłki. W przybliżeniu przyjmuje się , że polimerazy kopiują około 1000 nukleotydów na sekundę, przy czym mylą się raz na 100 000 poprawnie „wstawionych” w nić DNA nukleotydów. Nie można uważać, żeby była to precyzja zadowalająca. Przy bliższym zbadaniu okazało się jednak, że omawiane enzymy posiadają przedziwną właściwość, tak zwaną aktywność edytorską, dzięki której mogą wycinać nukleotydy błędnie wkomponowane w nić DNA, dzięki czemu wierność procesu replikacji zwiększa się około 100-krotnie. Ponadto w komórce znajduje się inny jeszcze mechanizm zwiększający dokładność replikacji, tak zwany postreplikacyjny system naprawy błędnie sparowanych zasad(ang. MMR), dzięki któremu precyzja kopiowania wzrasta jeszcze 1000 razy. Tak wiec, w praktyce pomyłki w powielaniu materiału genetycznego zdarzają się raz na 10 miliardów. Biochemicy stwierdzili ponadto, że białka minimalnie źle zsyntetyzowane (na przykład w wyniku mutacji jakiegoś genu), podobnie jak białka obce, które wniknęły do komórki, są w niej natychmiast rozpoznawane i degradowane przez kilka wewnątrzkomórkowych systemów enzymatycznych, jak lizosomalne katepsyny, czy cytosomalne ubikwityny.

            W wielu badaniach z zakresu genetyki molekularnej stwierdzono, że większość genów u organizmów eukariotycznych(posiadających jądro komórkowe) nie ulega ekspresji(nie bierze udziału w syntezie białek), dopóki nie zostaną one uaktywnione przez przyłączenie się do nici DNA odpowiednich, specyficznych białek, zwanych aktywatorami, lub czynnikami transkrypcyjnymi.Najogólniej to ujmując, ekspresja genów jest uwarunkowana wieloma czynnikami środowiskowymi i cały ten proces jest obecnie nazywany interakcją genotypu iśrodowiska.

            Rozwój inżynierii genetycznej umożliwił wprawdzie w ostatnich dekadach wprowadzanie do genomów jednych gatunków roślin, czy zwierząt, fragmentów DNA pochodzących od innych gatunkowo osobników, jednak działanie to wymaga wielkiej wiedzy i bardzo specjalistycznej aparatury naukowej, a proces ten nigdy nie zachodzi w sposób naturalny.

            Wszystkie powyższe rozważania z zakresu genetyki molekularnej stanowią bezpośredni dowód na istnienie silnego konserwatyzmu genetycznego, chroniącego ekspresję genów we wszystkich komórkach organizmu przed jakimikolwiek, nawet minimalnymi zmianami, których skutki dalekosiężne są jeszcze niemożliwe do przewidzenia.

(c.d.n.)