Nyttige evolusjonsmutasjoner er raske og uunngåelige: Artikkel forsterker Darwin Devolves

Oversatt herfra.

Et interessant artikkel som klart forsterker lærdommene i Darwin Devolves, ble nylig publisert i Nature Ecology and Evolution.(1) University of Michigan biologer Piaopiao Chen og Jianzhi Zhang så på effekten av skiftende miljøer for utviklingen av laboratoriegjær Saccharomyces cerevisiae.

They dyrket 12 replikatkulturer av rene gjærstammer, hver for seg i 1120 generasjoner i 5 atskilte, utfordrende miljøer: 1) i nærvær av det kreftfremkallende fargestoffet Congo Red; 2) i nærvær av kobberioner; 3) ved pH 8; 4) i nærvær av hydrogenperoksid; og 5) i nærvær av antibiotikumet neomycin. De dyrket også replikatkulturer suksessivt i 224 generasjoner hver, under de fem forholdene - det vil si de første 224 generasjonene i tilstand 1, de neste 224 i tilstand 2 og så videre, til sammen 1120 generasjoner.

Chen og Zhang var interessert i å bestemme om adaptive mutasjoner kan gå tapt når forholdene ble endret, fordi laboratorieutviklingseksperimenter ser ut til å vise mye mer adaptive mutasjoner enn man ser i naturen. Visst nok så forfatterne at noen nyttige mutasjoner som oppsto og ble valgt i tilstand 1 gikk tapt da gjæren ble byttet til tilstand 2, og forskjellige nyttige mutasjoner ble oppnådd. Så gikk noen av dem tapt i tilstand 3 mens andre ble vunnet, og så videre. På slutten av 1120 generasjoner hadde gjærkulturen som hadde blitt rotert gjennom de fem miljøene betydelig færre nettomutasjoner enn summen av alle de som hadde kommet og gått i løpet av eksperimentet. Chen og Zhang konkluderte med at fordelaktige mutasjoner kan bli undervurdert i skiftende miljøer, både i laboratoriet og i naturen.

Fint og interessant arbeid
Det mest interessante poenget med deres fine arbeid for meg er at alle de tjenlige mutasjonene nesten sikkert er av typen tap- eller nedbrytning-av-funksjon. Det vil si at mutasjonene under de forskjellige forholdene tjener gjæren ved å ødelegge eksisterende gener eller redusere deres aktivitet. Chen og Zhang fulgte to forskjellige kategorier av mutasjoner: 1) mutasjoner som erstatter enkeltnukleotidrester; og 2) mutasjoner som sletter biter av DNA eller får stoppkodon til å vises i et gen. Sistnevnte kategori vil høyst sannsynlig ødelegge aktiviteten til proteinet som det muterte genet koder for. Likevel er denne kategorien faktisk det hyppigste funnet av de to. Den førstnevnte kategorien - substitusjonsmutasjoner - ødelegger ikke nødvendigvis et proteins aktivitet, men det er absolutt trenden her. Årsaken er at de fleste av de valgte gener som har substitusjonsmutasjoner (der den normale aminosyreresten i proteinet, som genet koder for, byttes ut mot en annen) faktisk har flere posisjoner som med fordel kan erstattes. Det er signaturen til en mutasjon som hjelper, ved å nedbryte eller ødelegge et proteins aktivitet, ganske enkelt fordi det er mange flere posisjoner der substitusjon vil forringe aktiviteten enn de som vil forbedre aktiviteten.

Bekrefter tidligere eksperimenter
Her er noen viktige punkter som følger av dette arbeidet og tidligere resultater:

*I tilfelle noen trengte ytterligere bevis, bekrefter dette eksperimentet mange tidligere som viser at tap- eller nedbrytning-av-funksjonsmutasjoner dominerer laboratorieutviklingen. Legg merke til at gjæren som er testet her, er eukaryot, mens E. coli studert i Lenskis lab (2) er prokaryot, men når de tilpasser seg miljøet, kaster de begge ut gener til begge sider. Devolusjon er ikke begrenset til en bestemt gren av livet - den er universell.

*Vekstbetingelsene som ble brukt av Chen og Zhang 'degget' ikke for gjæren. Tvert imot tilpasset forskerne først gjærstammen til de opprinnelige vekstbetingelsene og utfordret deretter gjæren med endringer i omgivelsene. Dermed gjelder ikke en vanlig innvending fra darwinister om nedbrytning av E. coli-gener i Lenskis eksperimenter her, at godartede vekstbetingelser tillot mikrobene å ofre gener. Vi kan konkludere med at, når det å bryte eller nedbryte et gen vil ha en nettofordel, så vil det bli valgt. (Merk at det ikke er nødvendig for det tidligere funksjonelle genet å være ubrukt eller overflødig i et gitt miljø, - bare det som blir oppnådd i egnethet ved nedbrytning, er større enn det som gikk tapt.)

*De adaptive nedbrytningsmutasjonene dukker opp veldig raskt, i løpet av få hundre generasjoner (en måned eller så). En uforanderlig grunn at nedbrytende mutasjoner dukker opp så raskt, er at hastigheten som et bestemt gen kan brytes med, er mye større enn hastigheten som en spesifikk, konstruktiv mutasjon i et gitt gen kan oppstå med,- kanskje hundre til tusen ganger raskere.

*Når miljøet endrer seg, kan nyttige nedbrytende mutasjoner eliminere gener.

*De 224 generasjonene per tilstand som brukes av Chen og Zhang, gir bevisst ikke nok tid til at de gunstige mutasjonene kan øke til 100 prosent (bli 'fiksert') av celler i en kolbe fordi forskerne ønsket å se om mutasjonene ville gå tapt når forholdene ble endret. Likevel, hvis byttetiden ble forlenget, ville mange ødelagte gener bli fiksert i populasjonen, og så essensielt være irreversible.

*Fordi mutasjon er tilfeldig, vil degraderende mutasjonene som dukker opp først i laboratoriet, også først dukke opp i naturlige omgivelser.

*Fordi frekvensen for tap av funksjonsmutasjoner er mye høyere enn for konstruktive, vil 'Tap-av-funksjon'-mutasjoner mye oftere være en del av den stående genetiske variasjonen til en art - det vil si, allerede være til stede i en populasjon og klar til å bli valgt, når en endring i miljøet gjør at mutasjonen er i gunstig balanse.

*Gunstige mutasjoner som dukker opp først i en populasjon, vil være de som raskt blir valgt og fiksert, selv om de er nedbrytende. Mutasjoner som er tregere til å dukke opp, må dermed konkurrere med de tidligere selekterte, selv om de trege mutasjonene ville ha vært konstruktive. For alle praktiske formål betyr det at påfølgende mutasjoner må ha utvalgskoeffisienter som overstiger de opprinnelige hurtigfikseringene. Med andre ord vil degraderte, hurtigfikserende gener aktivt hemme oppdukkingen til eventuelle konstruktive mutasjoner.

*Betydelige konstruktive endringer forventes å ta relativt lang tid før de først vises. For eksempel bemerket en nylig artikkel (3) som undersøkte hva som kan være utseendet til nye TransMembrane (TM) segmenter av gener i gjær, at de kan 'modnes over millioner av år'. Likevel skjer nedbrytningsendringer på en tidsskala av måneder, ti millioner ganger raskere enn prosessen som er beskrevet i den nye artikkelen. Dermed, mens slike tunge, sneglelignende prosesser sleper seg av gårde, vil eventuelle nyttige nedbrytende mutasjoner fikseres i et sammenlignbart øyeblikk, på hvert trinn i prosessen.

Det er rett og slett ingen måte for at noen ikke-styrt, uintelligent beretning om livets utfoldelse skal unngå løpet til nyttige nedbrytende mutasjoner. Ethvert intellektuelt ærlig resonnement om evolusjon, må heretter nøkternt håndtere universelle devolusjonære prosesser.

Mange av punktene ovenfor er diskutert betydelig mer utførlig i Darwin Devolves.