publikacja 28.10.2006 23:22
Fragment książki "Kościół i nauka", Wydawnictwo WAM, 2003 Cechy dziedziczne Geny, DNA i informacja genetyczna Kod genetyczny, transkrypcja i translacja Mutacje Teorie mechanizmu ewolucji Analiza krytyczna .:::::.
Nasz organizm składa się z około dziesięciu bilionów komórek, dzielących się na 250 różnych typów. Komórki każdego typu łączą się, tworząc zespoły komórkowe wyspecjalizowane w podobnych funkcjach (tkanki).
Jedną z cech istot żywych jest reprodukcja. Organizmy posiadają komórki rozrodcze (gamety), różne od wszystkich pozostałych, nazywanych komórkami somatycznymi. Połączenie się gamety żeńskiej z gametą męską daje początek nowemu organizmowi. Zadziwiające jest kształtowanie się dorosłego osobnika z pojedynczej komórki początkowej (zygoty), powstałej w wyniku zapłodnienia: ewolucja ontogenetyczna istoty żywej od jej pierwszej komórki aż do osiągnięcia stadium pełnego rozwoju poprzez trwający nieprzerwanie wielokrotny podział komórek. Komórki większości tkanek dalej podlegają procesowi podziału, dzięki czemu kompensują straty spowodowane obumieraniem. Co sekundę powstają na przykład miliony komórek w skórze czy szpiku kostnym.
Przed podziałem następuje wzrost rozmiarów komórki i wytworzenie dodatkowej ilości składników komórkowych wewnątrz błony zewnętrznej; następuje wydłużenie komórki w płaszczyźnie równikowej aż do jej podziału na dwie komórki potomne – o identycznym materiale genetycznym. Opisany proces nosi nazwę mitozy.
Cechy dziedziczne
Jednostka danego gatunku wykazuje pewne cechy charakterystyczne, które odróżniają ją od przedstawicieli innych gatunków, i które przechodzą z pokolenia na pokolenie. Taki zespół cech określa się mianem cech charakterystycznych. Przekazywanie go w drodze dziedziczenia z rodzica na potomka sprawia, że dana jednostka ma swoje źródło w innym organizmie z tego samego gatunku i może się rozmnażać, dając życie nowym organizmom swojego gatunku.
W potomstwie występuje cały wachlarz cech charakterystycznych, morfologicznych i funkcjonalnych wspólnych z przodkami: wzrost, kolor skóry, kształt czaszki, kolor i wygląd włosów, kolor oczu, kształt pewnych części twarzy itd. Dzieci podobne są do rodziców – czasami bardziej do ojca, czasami bardziej do matki. Rodzeństwo ma ze sobą pewne wspólne cechy po rodzicach. Wszystkie te cechy zostały odziedziczone. Czasami widać nawet podobieństwo z dziadkami albo innymi przodkami z linii ojca lub matki. U roślin na przykład cechami dziedzicznymi są kolory kwiatów, rozmiar i kształt liści – wynik oddziaływania pewnych substancji. Suma cech, jakie dana jednostka otrzymała od swych rodziców, by potem przekazać je potomstwu, nosi nazwę „dziedzictwa biologicznego”.
Odkryto, że grupa trzech sąsiadujących ze sobą nukleotydów (tryplet, kodon) danego genu określa konkretny aminokwas, oraz że sekwencja kodonów danego genu, czyli tworzących go trójek nukleotydów, dostarcza instrukcji do budowy łańcucha białka: wyznacza rodzaj aminokwasów i kolejność ich ułożenia.
Uwagę genetyków, pośród komponentów chemicznych nukleotydów, skupiły „zasady”; wyróżniono cztery: adeninę (A), guaninę (G), tyminę (T) i cytozynę (C); symbole, które im nadano, oznaczają również powstałe na ich bazie nukleotydy. I tak trypletowi GGC odpowiada aminokwas glicyna, GCC – alanina itd.
Przy pomocy lingwistycznego porównania mówi się, że informacja zawarta w genach zapisana jest w języku składającym się tylko z czterech liter: A, C, G, T. Wszystkie wyrazy tego języka składają się z trzech liter, trypletów. Słów z kolei, różnych trypletów, jest łącznie 64, czyli tyle ile – zgodnie z prawidłami kombinatoryki – grup trójelementowych może powstać z czterech elementów. Jeden gen, sekwencja trypletów, można porównać do zdania, które zawiera zaszyfrowany program budowy białka.
Kod genetyczny, transkrypcja i translacja
„Kod genetyczny: sposób wyznaczania sekwencji aminokwasów (ok. 20) w białkach syntetyzowanych w komórce przez kolejność ułożenia 4 różnych nukleotydów w łańcuchu DNA”. Używa się także terminu genom na określenie zespołu genów (a także, w innym znaczeniu, całkowitego DNA), obecnych w macierzystej komórce danego organizmu i przekazywanych następnym. „Na ludzki genom składają się 3 biliony par nukleotydowych”. „Cały genom ludzki zawiera około 100 tysięcy genów”. „DNA ludzkiej komórki miałoby po rozłożeniu jakieś trzy metry”.
Porównując „do liter albo lepiej do uderzeń w maszynę do pisania, wielkość informacji genetycznej DNA ludzkich komórek odpowiadałaby zawartości 400 tomów po 1000 stron każdy (7500 znaków na stronę). A zatem ilość przekazywanych tu informacji jest olbrzymia”.
DNA nie syntetyzuje bezpośrednio białek, ale informacja w nim zawarta kieruje syntezą łańcuchów białkowych na różnych etapach przy udziale innego rodzaju kwasu nukleinowego: kwasu rybonukleinowego (RNA). Cząsteczka tego kwasu, krótsza od poprzedniej, choć również stanowi łańcuch nukleotydów, nie składa się z dwóch nici, ale z jednej. W skład każdego z jego nukleotydów wchodzi jeden z czterech kwasów: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i – zamiast tyminy – uracyl (U).
W pierwszym etapie (etapie transkrypcji) informacja genetyczna zawarta w DNA zostaje przepisana na RNA. Następuje rozłączenie nici DNA i na jednej z nich, służącej za matrycę, kształtuje się łańcuch RNA, na którym zostaje zapisana informacja genetyczna. Otrzymał on nazwę „informacyjnego kwasu rybonukleinowego” – mRNA (m od ang. messenger ’posłaniec’).
W drugim etapie (etapie translacji) informacja przyniesiona przez mRNA prowadzi do syntezy odpowiedniego białka. To złożony proces. Oprócz mRNA biorą w nim udział transferowe kwasy rybonukleinowe (tRNA) i rybosomowy kwas rybonukleinowy (rRNA). Tryplety nukleotydów, kodony, zapisane w mRNA, przekładają się na sekwencję aminokwasów, które łączą się aż do utworzenia białka. Tak więc transkrypcja prowadzi do syntezy cząsteczki RNA na matrycy DNA, podczas gdy w procesie translacji mRNA przekazuje informację genetyczną, na podstawie której powstaje ustalona sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.
Komórki tkanek różnią się między sobą. W organizmie człowieka jest ich ponad 250 różnych typów; mamy na przykład komórki skóry, wątroby, systemu nerwowego itd. Uważa się jednak, że wszystkie komórki jednego organizmu posiadają identyczne geny. Ich różnorodność tłumaczy się tym, że w każdej z nich aktywują się inne geny. Cechy, charakteryzujące daną komórkę, determinowane są przez grupę aktywnych genów, które się powielają, wpisują, przekładają. W rozwoju organizmu aktywacja i dezaktywacja różnych genów w odpowiednim momencie prowadzi do powstania specjalnych kompozycji białek nadających każdej komórce charakterystyczne właściwości.
Według B. Meléndeza podstawowy błąd Darwina „polegał na przekonaniu, że sprawcą ewolucji był jedynie «dobór naturalny » – czynnik niewystarczający do pełnego jej wyjaśnienia”. H. De Vries (1848-1935) w dziele Die Mutationstheorie (t. 1-2, 1901-03) wysunął teorię, że to mutacje wyznaczają bieg ewolucji i dają początek nowym gatunkom.
Około 1930 r. R.A. Fisher, S. Wright i J.B.S. Haldane, wykorzystując metody statystyczne, rozpoczęli badania nad tzw. genetyką populacji, rozumiejąc przez populację grupę osobników tego samego gatunku zamieszkującą konkretny obszar. Izolacja sprzyja utrwalaniu nabytych i rozwojowi nowych cech charakterystycznych dla danej grupy. W dwóch izolowanych od siebie populacjach wpływy środowiskowe mogą się różnić i sprzyjać odmiennym zmianom w organizmach. Jeśli mutacje akumulują się, wygląd danej populacji może na przestrzeni kilku generacji ulec zmianie jako konsekwencja izolacji genetycznej.
Swój żywot rozpoczyna w tamtym czasie nowa teoria na temat mechanizmu ewolucji, teoria określana początkowo mianem neodarwinizmu, a później – teorią syntetyczną. Termin neodarwinizm wprowadził A. Weismann (1834-1914). Neodarwiniści, idąc za Darwinem, uważali, iż dobór naturalny to główny mechanizm ewolucji, jakkolwiek inaczej niż słynny brytyjski przyrodnik rozumieli wyrażenie „dobór naturalny”.
Ewolucjonizm syntetyczny łączy w jeden spójny system osiągnięcia różnych dziedzin nauki: zoologii, botaniki, embriologii, systematyki, paleontologii, genetyki, fizjologii, ekologii... Po pracach pionierów genetyki populacji, wymienionych wcześniej, światło dzienne ujrzały w latach 1937-50 kolejne: genetyka T. Dobzhansky’ego, biologa J. Huxleya, biogeografa i systematyka E. Mayra, paleontologa G.G. Simpsona, zoologa B. Renscha, botanika G.L. Stebbinsa itd. Ewolucjonizm syntetyczny cały czas się rozwija, dostosowując się do nowych odkryć biologii molekularnej i paleontologii.
Oto jego podstawowe założenia. W istotach żywych zachodzą drobne mutacje (mikromutacje), z których każda wywołuje jakiś skutek – są one wprawdzie nieznaczne, ale następują po sobie w sposób ciągły. Na skutek działania doboru naturalnego następuje akumulacja drobnych zmian, które doprowadzają w efekcie do stałych transformacji u osobników danego gatunku. Chociaż proces ewolucyjny jest bardzo powolny, to po odpowiednio długim czasie powstają w jego efekcie istoty nowego i różnego od innych gatunku biologicznego. Jak twierdzą zwolennicy tej koncepcji, mechanizm mikromutacji, rekombinacji genów, doboru naturalnego i izolacji, działając w skali czasu geologicznego, doprowadził do powstania wszystkich gatunków flory i fauny.
Dobór naturalny, tak jak przedstawia się go dzisiaj, zakłada, że dominacja w procesie dziedziczenia nowych „cech” ma związek z presją selekcji wywieraną na organizmy zarówno przez czynniki środowiskowe, jak i przez inne zwierzęta. Dobór naturalny eliminuje osobniki, których materiał genetyczny nie zdoła przystosować się do środowiska. Chociaż mutacje genetyczne zachodzą bez żadnego związku z przyszłą przystosowalnością do konkretnego środowiska, osobnik lepiej dostosowany genetycznie przeżyje i spłodzi potomstwo, podczas gdy inne, gorzej przystosowane, wyginą. Ewolucjonizm syntetyczny w swej rygorystycznej odmianie utrzymuje – zauważmy – że drobne mutacje genetyczne mają charakter losowy, zachodzą przypadkowo.
„Ilość informacji potrzebnej do zbudowania oka jest tak ogromna, że jej zapisanie zajęłoby dwa grube tomy. W związku z tym liczba koniecznych do jego powstania mutacji musiała być niewyobrażalnie wysoka, a przecież każda z nich zachodziła pośród miliardów mutacji całkowicie nieprzydatnych do budowy oka, czy jakiejś jego części”. „Trzeba mieć na uwadze (również) integracje danych wzrokowych zachodzące w mózgu... Połączenie włókien nerwu wzrokowego i neuronów płata potylicznego dokonuje się z absolutną doskonałością, a wszystkie elementy mózgu związane z okiem są precyzyjnie wyregulowane w przestrzeni i czasie”.
„U ssaków wszystkie narządy zmysłów ewoluowały mniej więcej w tym samym czasie. Kiedy zdamy sobie sprawę, jak wiele mutacji było do tego potrzebnych, mutacji niemal równoczesnych, pojawiających się w odpowiednim momencie i dostosowanych do aktualnych potrzeb, musi nas ogarnąć wielkie zdziwienie: taka harmonia, tyle cudownych zbiegów okoliczności, a wszystko to za sprawą czystego, tryumfującego przypadku!”.
Dobór naturalny powinien kontynuować swe dzieło w następnych pokoleniach, przy czym kolejne mutacje winny zachodzić w zgodności z poprzednimi... Dlatego, i to jest pierwszy szczęśliwy, ale i konieczny zbieg okoliczności, mutacja musi dokładnie dostosować się do poprzedniej; tak samo mutacje następne, aż do momentu, gdy narząd osiąga stan na tyle doskonały, by mógł spełniać swą funkcję”.
„Zwolennik teorii przypadkowej ewolucji musi być gotowy przyjąć, że oko i ucho, by być takie, jakie są, potrzebowały wielu tysięcy zsynchronizowanych ze sobą szczęśliwych zbiegów okoliczności... Jakie znaczenie mają odpowiednie mutacje, jeśli zachodzą za późno albo za wcześnie?” Nagle okazuje się, że przypadek to „najsprawniejsza, najbardziej przewidująca i przenikliwa inteligencja”.
Znany francuski uczony Jacques Lucien Monod (1910-1976) w dziele Przypadek i konieczność. Esej o filozofii biologii współczesnej (1970, wyd. pol. poza cenzurą 1979) „przypisuje przypadkowi takie cuda, że Pierre-Henri Simon, członek Akademii Francuskiej, dziwi się w Questions aux Savants: «Zadziwiająca to loteria: nie było na początku ani właściciela ruletki, ani gracza, ani żetonów, ani nic do wygrania; nie było projektu ani formy; przypadek zaś sprawił wszystko – główną wygraną, zwycięzcę, światła rozświetlające kasyno, lustro, w którym odbija się spektakl...»”.
O jednym ze stwierdzeń Monoda F. Mauriac napisał, że „nieskończenie trudniej w nie uwierzyć, niż w to, co jest przedmiotem wiary nas, biednych chrześcijan”22. Podobne zdanie wypowiedział J.C. Eccles (1903-1997), laureat Nagrody Nobla (1963) za badania nad ludzkim mózgiem: „teoria syntetyczna wymaga znacznie głębszego aktu wiary, niż ten, poprzez który my, biedni chrześcijanie, stajemy się wierzącymi”.
R. Chauvin, wybitny biolog, profesor Sorbony, twierdził: „Neodarwinizm to nic innego jak zbiór tautologii”. „Obiektywne badanie natury w całej jej złożoności i racjonalności nie może zadowolić się pojęciem przypadku (i wykluczyć inteligencję), ale powinno przyjąć, że natura domaga się (jest przejawem) jakiejś Wyższej Inteligencji”.
Wielu paleontologów, w obliczu „progresywnego” charakteru ewolucji, wzrostu poziomu złożoności organizmów i globalnego kierunku transformacji ewolucyjnych, uznaje wprawdzie istnienie przypadkowych mutacji połączonych z doborem naturalnym, ocenia jednak, że mechanizm ten nie wystarcza do wyjaśnienia burzliwych dziejów życia oraz że trudno się oprzeć wrażeniu celowości tych procesów, pewnej tendencji finalistycznej.
Zakończmy te rozważania nad ewolucją gatunków i jej mechanizmami stwierdzeniem biologa J. Rostanda: „Krytykuję aktualne teorie wyjaśniające proces ewolucji, lecz nigdy nie podważałem samego zjawiska. Ludzie nie zawsze zdają sobie sprawę z zasadniczej różnicy pomiędzy pewnością co do istnienia samego zjawiska ewolucji, czyli postępujących przemian organizmów żywych, a wątpliwością, jaką budzą teorie wyjaśniające. Ja ze swej strony, gdyby istniała inna teoria niż ewolucyjna, przyjąłbym ją z wielką radością, ponieważ mimo wszystko wiele tej teorii można zarzucić. Niemniej jednak nauka, przy obecnym stanie wiedzy, nie dysponuje żadną inną racjonalną teorią”.