Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: BIOLOGIA TEORETYCZNA →

Taktyka genów


Ująć przyrodę jako różne przejawy jednego zespołu praw.
Richard Feynman

WSTĘP

Richard Feynman – wybitny amerykański fizyk i dydaktyk, któremu składam tym artykułem hołd, był przykładem człowieka, który głęboko rozumiał przyrodę jako całość. Jego pięciotomowe wykłady z fizyki, które warto na pewno przeczytać, są nie tylko popisem wybitnego, jasnego i harmonijnego umysłu. To co przewija się w jego wykładach to dziecięcy wręcz zachwyt nad prostotą, ogólnością i ścisłością podstawowych praw przyrody. To ciekawe, że wszystkie zjawiska w makroświecie można ująć za pomocą kilku prostych równań elektromagnetyzmu i grawitacji. I jeszcze ciekawsze dlaczego tak jest. Czy świat koniecznie musiał taki być, że można zapisać go tak ogólnie i tak oszczędnie ? I dzięki temu mieć poczucie rozumienia całości w ogólnych ramach, bo jest to możliwe tylko tak.

W 1859 roku Karol Darwin sformułował teorię ewolucji, która wyjaśnia dlaczego organizmy żywe mają cechy nieprzypadkowe, nie „jakiekolwiek”, lecz stanowiące świetne przystosowanie do środowiska. Podstawowe tezy darwinowskie to: zmienność przypadkowa organizmów i zazwyczaj stopniowa selekcja takich, które przetrwają z największym prawdopodobieństwem i wydadzą największą liczbę potomków. Przyroda dostarcza szerokie „menu” cech, a obserwujemy cechy dostosowawcze, bo tylko takie potrafią przetrwać. Darwin nie miał pojęcia o genach i o mechanizmach dziedziczenia. Było zdecydowanie za wcześnie. Przez wiele lat po Darwinie i odkryciach genetyków z I połowy XX wieku, panowało powszechne przekonanie, że materiał genetyczny to tylko sługa organizmów do przekazywania informacji o tym, jakie ma być ich potomstwo. Priorytetowym obiektem w ewolucji, taką jednostką ewolucji był osobnik (czy nawet gatunek).

W 1976 roku brytyjski biolog Richard Dawkins zrewolucjonizował nie tyle teorię ewolucji, co spojrzenie na proces ewolucji przez wskazanie, co tak naprawdę ewoluuje. W swej książce pt. „Samolubny gen” (1976), którą uważam za jedną z najważniejszych książek przyrodniczych II poł. XX wieku, Dawkins stwierdza, że jednostką ewolucji jest gen. Dlaczego samolubny ? Bo dba tylko o siebie. Musi przetrwać i skopiować się w maksymalnej liczbie w potomstwie. Nie dba o inne geny w genomie, choć często współpracuje, a zdarzają się nawet takie, co pasożytują jako pasażerowie na gapę (tzw. junk DNA, retropozony, transpozony). Genów organizmy mają wiele i każdy z nich ma swój sposób na przetrwanie. Rozpatrzmy konkretny przykład na tle koncepcji samolubnego genu, który pozwoli nam lepiej ją zrozumieć.

Tygrysica opiekuje się swoim potomstwem. Załóżmy że ma ona „gen opieki”. Warunkuje on u tygrysicy cechę, która zdecydowanie zwiększa prawdopodobieństwo przetrwania „genu opieki”, które małe tygryski mają, bo go odziedziczyły. Gen ten w taki sposób wspomaga w przetrwaniu swoje „młodsze” kopie.
Wyindukujmy ogólny schemat:

Gen warunkuje cechę organizmu → Cecha zapewnia trwanie jemu lub jego kopiom → Gen trwa, a wraz z nim cecha warunkowana

Cecha fenotypowa jest więc umiejętnym „wysłannikiem” genu na teren organizmu, który ma zapewnić mu trwanie. To gen ma priorytet.
W jajku są geny, a jak to powiedział Samuel Butler: „kura jest sposobem jajka na wytworzenie następnego jajka”. Innymi słowy, w świecie stwarzającym tyle wyzwań, jajko kurze, aby wytworzyć następne, potrzebuje czegoś tak skomplikowanego jak kura.
Organizmy są tylko wspólnym sposobem samolubnych genów na trwanie, a Dawkins widzi całą przyrodę ożywioną jako różne przejawy zmagań tych genów o swe przetrwanie.

POGLĄD CZY NIE ?

Zapewne niejeden nauczyciel, mający kontakt z młodzieżą, zastanawiał się jak postępować z nią, aby jak najwięcej nauczyć. Czy traktować uczniów łagodnie i tak też ich oceniać, mając nadzieję, że nie poddani stresowi zainteresują się przedmiotem czy lepiej stresować ich i „piłować”, aby musieli uczyć się tego, po co bez przymusu by nie sięgnęli. Podobny dylemat pojawia się w relacjach międzyludzkich. Czy traktować ludzi obcych w sposób otwarty i przychylny, czy zdawkowy i wyniosły ? Można albo nawiązać ciekawą znajomość albo zostać zlekceważonym. Ludzie mają różne poglądy na powyższe zagadnienia i często mówią, że wszystko zależy od tego jaka jest to osoba czy grupa.

A teraz wyimaginowany przykład. Wyobraźmy sobie społeczeństwo w pewnym państwie, które podzielone jest na 2 grupy. Osoby w jednej grupie uważają, że w tym roku wystrzyżenie wszystkich trawników spowoduje większy wzrost inflacji niż, jak to się mówi, puszczenie trawników „na żywioł”, a druga grupa uważa odwrotnie. Zależność trawniki – inflacja nie jest bezpośrednio widoczna. Zapewne istnieje, ale nikt nie jest w stanie przedstawić teorii czy sposobu rozumowania, który uzasadniałby jego rację. Czy dałoby się więc sprawdzić kto ma rację empirycznie (za pomocą doświadczenia) ? Państwo jest jedno, konkretne i niepowtarzalne są w danym czasie warunki początkowe. W chwili początkowej t1 można albo zacząć strzyc trawniki albo zostawić je takimi, jakie są. Ale nie można zrobić jednego i drugiego naraz. A to byłoby potrzebne, aby po roku dokonać porównania stopnia inflacji i zweryfikować poglądy. Spór pozostanie nierozstrzygnięty i każdy może tutaj obstawać przy swoim, myśląc po cichu, że ma rację. A więc:

Pogląd jest stwierdzeniem dotyczącym świata, które na podstawie dostępnych teorii i możliwości obliczeniowych, nie sposób zweryfikować ze względu na zbyt dużą złożoność układu, do którego się odnosi.

Koncepcja samolubnego genu, jak każda nowość w nauce, nie spotkała się od razu z harmonijnym, bezkrytycznym przyjęciem. Mówiono o niej jako o poglądzie na ewolucję, o zbyt daleko posuniętych stwierdzeniach o priorytecie genów, przeciwstawiając im klasyczną ewolucję osobników. Biorąc jednak pod uwagę fakt, że organizmy rozmnażające się płciowo (a takich jest większość) są unikalne, a także odkrycie świata RNA – „gołych genów” i katalitycznych własności rybozymów, należy uznać koncepcję Dawkinsa za merytorycznie poprawniejszą, niż klasyczna i wynikającą z głębszych przemyśleń. Przedstawiony schemat rozumowania jest prosty i nie zawiera nierozstrzygalnych dylematów. Wątpliwe są natomiast stwierdzenia Dawkinsa o samolubnym genie jako o jednostce selekcji. Selekcja działa przecież na osobniki jako całości i to one są tymi jednostkami. Niewątpliwie charakter poglądu ma gradualizm w ewolucji reprezentowany przez Dawkinsa, szeroko przedstawiony w książce pt. „Ślepy zegarmistrz”, ale skupienie się na tym temacie teraz wykracza poza ramy tego artykułu.
Koncepcja samolubnego genu nie jest zatem poglądem, a kolejnym etapem rozwoju teorii ewolucji. Oskarżenie o kontrowersyjność mogą więc wynikać nie tylko z niedogłębnej znajomości koncepcji, lecz także z niedogłębnej znajomości pojęć, za pomocą których się oskarża.

JEDNOŚĆ W RÓŻNORODNOŚCI

a) Abstrakcja - nierealna i użyteczna

Arystoteles był jednym z największych filozofów starożytności. Jego dzieła jeszcze przez tysiąclecia inspirowały myślicieli, choć wiele jego nauk było nietrafionych. Czas, w jakim działał w pełni go usprawiedliwia. Wielkim osiągnięciem Arystotelesa było trafne oddanie zależności abstrakcja – konkret. Muszę przyznać, że to dzięki niemu ją zrozumiałem i mogą ją teraz przedstawić w sposób atrakcyjny dydaktycznie.
Arystoteles stwierdził, że realnie istnieją tylko konkretne rzeczy, a wszelkiego rodzaju abstrakcje istnieją tylko w naszej głowie i są jej wytworem. Przykładowo, na świecie istnieje realnie (w postaci rzeczy) wiele konkretnych dywanów np. brązowy dywan wymiarów 2m x 3m w moim pokoju w Katowicach, czerwony dywan 3m x 5m w domu mojej cioci w Limanowej, itd. Wszystkie dywany mają jednak coś wspólnego, jakiś wspólny rdzeń, jakąś „dywanowość”. Wszystkie łączy abstrakcyjne pojęcie DYWAN, które jest normalnie używane w językach mówionych jako słowo. Dywan to coś, co wyścieła podłogę i w większości przypadków to wystarcza do komunikowania się. Abstrahować znaczy po łacinie tyle co „odciągać”, a my możemy to przetłumaczyć jako „pomijać”. Pomijamy więc kolor, wymiary i inne własności dywanów, bo w codziennych rozmowach zazwyczaj wystarcza sama abstrakcja. Innymi słowy: DYWAN to nazwa zbioru konkretnych, realnie istniejących dywanów istniejąca tylko w naszych umysłach i wskazująca na pewną ich część wspólną.
Abstrakcyjne są również idee, czyli jakościowe schematy oddające zależności w świecie realnym (istniejące lub oczekiwane). Na przykład, na podstawie wielu konkretnych przypadków wyciągamy wniosek:
Kobiety, które wychowane były w trudnych warunkach są lepszymi matkami i żonami.
Idea nie musi oczywiście być spełniona we wszystkich przypadkach, ale dysponując takim schematem możemy z dużym prawdopodobieństwem rozumieć inne konkretne przypadki, z jakimi spotkamy się w przyszłości.
Abstrakcjami są również równania. Na przykład: a = v/t (a - przyspieszenie średnie, v - przyrost prędkości, t - przyrost czasu). Na podstawie wielu przypadków ze świata realnego abstrahujemy równanie będące ścisłą, ogólną i stuprocentową zależnością między wielkościami opisującymi zjawisko. Możemy je zawsze w przyszłości zastosować, znając v i t czy to w przypadku lecącego samolotu czy spadającego kamienia.
Użyteczność abstrakcji jest zatem ogromna. Istnieją one dzięki ludziom, bo to oni je budują, podobnie jak budowali statki by odkrywać nowe lądy.

b) Klocki przyrody

Żyjący na Sycylii w V wieku p.n.e. filozof – Empedokles uważał, że istnieją 4 podstawowe byty, takie „cegiełki”, z których składają się wszystkie rzeczy. Według niego były to 4 żywioły: ogień, woda, powietrze i ziemia. Mogą one łączyć się w różnych kombinacjach i wytwarzać w ten sposób całą zmienność obserwowanych na świecie rzeczy. Filozofia Empedoklesa była bardzo trafiona jak na czasy starożytne, w których nie było w zwyczaju przeprowadzanie doświadczeń i formowanie teorii na ich podstawie. Empedokles to pierwszy filozof, który niezwykle błyskotliwie pokazał jak w różnorodności może istnieć jedność. Słynna jedność w różnorodności (łac. unitas in diversitate) bierze swój początek w greckiej filozofii przyrody. Jest dość szczęśliwym zbiegiem okoliczności fakt, że przyroda (jak wiemy już dzisiaj – 2500 lat później) rzeczywiście składa się z 4 podstawowych bytów: kwarka u, kwarka d, elektronu i antyneutrina elektronowego.

Na wyższych poziomach złożoności też możemy dostrzec unitas in diversitate przy założeniu, że byty które w rzeczywistości są złożone, będziemy uważać za podstawowe. Rodzaje komórek, np. u ssaków są bardzo podobne a można z nich zbudować np. wilka, wiewiórkę czy morsa. Oczywiście, różnice te są zapisane w genach znajdujących się w komórkach i występują one nawet pomiędzy osobnikami tego samego gatunku. Allele genów różnią się sekwencją podstawowych „cegiełek” DNA – nukleotydów A,T,C i G.
Załóżmy, że w puli genetycznej pewnego gatunku każdy gen ma 2 allele. Jeśli gatunek ten ma N genów to liczba możliwych rodzajów fenotypów teoretycznie zamyka się w zakresie 2N (zawsze dominacja jednego allelu) - 3N (zawsze kodominacja). Liczba możliwych rodzajów osobników jest w rzeczywistości trochę mniejsza, bo różne kombinacje genów mogą tworzyć te same fenotypy. Człowiek ma około 21 500 genów. Liczba teoretycznie możliwych fenotypów wynosiłaby więc od 221500 do 321500. Są to liczby kosmiczne, niewyobrażalne. Procent genów polimorficznych szacuje się u naszego gatunku tylko na 25% (średnio 2 allele/gen). Liczby pozostają jednak nadal ogromne: 25375 – 35375. Na świecie żyje około 7 000 000 000 ludzi, więc już liczba 233 daje nadmiar możliwości. Skromny polimorfizm 33 genów daje już taką zmienność, aby wszyscy ludzie świata się różnili, wyłączywszy bliźniaki jednojajowe. 33 geny to zaledwie około 6 promili wszystkich polimorficznych genów człowieka. Zatem rodzili się, rodzą i rodzić się będą ludzie różni, niepowtarzalni, bo potencjał zmienności jest niewyczerpywalny.

TO CO DALEJ, ZA HORYZONTEM (Część twórcza)

a) Sens na rozruchu

Izaak Newton powiedział kiedyś takie zdanie: „Widzę dalej, bo stoję na ramionach swych poprzedników”. Ta przenośnia znakomicie oddaje znaną prawdę mówiącą, że to co tworzy człowiek zawsze inspirowane jest przez to, co stworzyli jego poprzednicy. Im wyżej znajduje się twórca, tym większy horyzont zakreśla wzrokiem widząc to, co poprzednicy (dzięki nim) i jeszcze kawałek dalej (dzięki nim i sobie).
Koncepcja samolubnych genów najpełniej przedstawiona przez Dawkinsa jest wyabstrahowana, jakościowa i uproszczona (np. mówi się tam o genie na cechę, podczas gdy wiele cech jest poligenicznych). To powoduje, że nie dostarcza nam ona informacji na temat konkretnego przebiegu ewolucji danej cechy, ale jest w stanie wyjaśnić dlaczego ją obserwujemy w sposób ciekawy i głęboki.
Dawkins, upraszczając zakłada, że w organizmie jest allel i „chodzi mu” o to, aby przetrwać i znaleźć się w potomstwie. W tym celu musi kodować jakąś niedowolną i zazwyczaj przystosowawczą cechę.
W populacjach organizmów allele nie są charakterystyczne dla jednego osobnika wyłączywszy rzadkie, pojedyncze mutanty. Nawet osobniki niespokrewnione blisko mają wiele identycznych alleli. W populacjach ludzkich takich alleli identycznych u wszystkich ludzi jest na pewno około 75%, a może być i więcej.
Rozpatrzmy teraz dynamiczny przykład ewolucji „genu opieki” (właściwie allelu). Na początku istnieje populacja osobników nie opiekujących się potomstwem. Powstaje pojedynczy mutant, opiekujący się potomstwem. Allel opieki znajdzie się w jego potomku z prawdopodobieństwem 0,5. W potomstwie obcym tego allelu nie ma. Młode tego mutanta będzie miało więc przewagę selekcyjną nad potomstwem pozostawionym bez opieki i z większym prawdopodobieństwem będą przeżywać. Allel ten zostanie więc w tej populacji po pewnym czasie utrwalony, czyli wszystkie osobniki będą mieć jego i jego cechę. W takiej sytuacji nie ma różnicy między opieką nad swoim potomstwem, a nieswoim pod warunkiem, że allel ten jest w 100% utrwalony.

Allel jest samolubny zawsze, ale ma to dla niego sens tylko wtedy, gdy nie jest utrwalony.

b) Zakulisowi altruiści

Jednym z objawów genowego samolubstwa jest tzw. efekt zielonej brody, to znaczy takie postępowanie przez osobnika niosącego allel „zielonej brody”, które wspomaga inne osobniki też mające cechę tego allelu i/lub niszczy te, które jej nie niosą. Oczywiście musi on również umieć tą cechę dostrzec. Nie wszystkie geny są genami zielonej brody, bo nie wszystkie pasują do powyższej charakterystyki cechami, jakie warunkują.
Załóżmy, że w osobnikach istnieją wspólne dla nich geny kodujące cechy podstawowe, np. enzymy szlaków metabolicznych, białka cytoszkieletu neuronu, warunkujące jego podstawową strukturę, itd.
Weźmy teraz przykład ALLELU 1 i nazwijmy go ogólnym genem agresji, który stwarza podłoże dla innych genów, mówiących na kogo ma ona być skierowana. Dwa osobniki kierujące na siebie agresję mają następujące geny:

Osobnik 1: ALLEL 1 - agresja, ALLEL 2.1 - wobec osobników futrzanych, ALLEL 3 - siła
Osobnik 2: ALLEL 1 - agresja, ALLEL 2.2 - wobec osobników krótkowłosych, ALLEL 4 - słabość

ALLEL 1 nie jest w stanie zobaczyć się w innych osobnikach, bo różnią się one tylko w wyniku działania genów wyszczególniających. ALLELE 1 będą więc brać udział w niszczeniu swych kopii. ALLEL 1 jest więc na usługach ALLELI 2.1 i 2.2.

Gen dający niewyspecjalizowany efekt, niepolimorficzny, współpracuje z allelami wyszczególniającymi w niszczeniu swych kopii. Czy jest samolubny ?

Jest to tylko jego doraźna tragedia. Gdy osobniki 1 wydadzą więcej potomstwa, wypierając osobniki 2, ALLEL 1 i tak na dłuższą metę zostanie utrwalony.

c) Co osobniki mówią o genach ?

Czy na podstawie obserwacji cech osobniczych w jednym pokoleniu możemy powiedzieć coś o genach ?
Okazuje się że jest to możliwe, ale zanim przedstawię sposób rozumowania wprowadzę stwierdzenie, które stanowi wyjście do dalszych rozważań:

Jeśli samica preferuje cechę samca, to jest to dla jej genów korzystne.

Dlaczego tak jest ? Jeśli samice mają powszechnie „gen preferencji” danej cechy to znaczy, że on przetrwał i odniósł sukces. A przetrwał dlatego, że był lepszy od „genu braku preferencji”. Istnienie w potomstwie (męskim w tym przypadku) tej samicy genów kodujących preferowaną cechę samca, musiało dawać genowi preferencji, który też tam jest, większą przewagę niż istnienie genów jakichkolwiek cech samca.

Przykładowo: samice gatunków poligynicznych preferują samców dominujących, bo ich synowie z większym prawdopodobieństwem będą mieli tę cechę ojca, co da samicy średnio więcej wnuków. Innymi słowy, preferencja dominacji zostanie powielona w większej ilości kopii, a czyż nie o to chodzi w ewolucji ? Załóżmy teraz, że samiec ma „dobre allele” M genów czyniące go preferowanym przez samice (po jednym dla każdego genu). Samica ma inne allele. Geny z dużym prawdopodobieństwem nie są sprzężone i są rozrzucone po chromosomach.



Rys.1. Samica ma tak jak samiec M genów, ale samiec ma M alleli czyniących go samcem dominującym (pogrubione). Jeśli samiec ma tych alleli 2M, to rozpatrujemy na rysunku przykład jego syna, a w interesie samicy są również dominujące osobniki w następnych pokoleniach.

Prawdopodobieństwo, że samica będzie mieć syna z wszystkimi „dobrymi allelami”, potrzebnymi do wystąpienia u niego wszystkich cech zwycięskiego ojca, równa się 0,5 x 0,5 .......x 0,5 = (0,5)M. Prawdopodobieństwo to dość szybko maleje z M i dla czterech genów wynosi już tylko 1/16. Płynie z tego taki wniosek, że:

Aby cecha preferencji danej cechy mogła wyewoluować w populacji organizmów wyższych, z małą liczbą potomstwa, prawdopodobieństwo, że urodzi się dziecko o cechach preferowanych musi być w miarę wysokie, więc liczba genów warunkujących preferowanego samca musi wynosić kilka.

Samica może mieć też jednak niektóre dobre geny od swego ojca i wtedy to prawdopodobieństwo jest wyższe, ale genów może być też co najwyżej kilkanaście.

ZAKOŃCZENIE

Myśląc i dysponując teoriami można w nauce przewidywać wiele ciekawych zjawisk, a przynajmniej stawiać hipotezy, które z dużym prawdopodobieństwem się sprawdzą. Naukowcy, zajmujący się teorią ewolucji, czeka jeszcze na pewno wiele pasjonujących odkryć i burzliwych sporów. Konkretne poznanie mechanizmów ewolucji cech będzie możliwe dopiero dzięki danym z dziedziny zwanej biologią molekularną. Na dzień dzisiejszy ewolucja rozumiana jest głównie w abstrakcjach i wielu ewolucjonistom to do szczęścia wystarcza.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski