Yanlış ve bencil genleri kopyalamak, hayatın özü nedir?
"Mendel Demon: Genlerin Kısa Tarihi"
kısa giriş
Hücresel organizmalardan insanlara, 4 milyar yıldan fazla bir süredir, yaşamın evriminin hızına ne tür bir güç hakim? İnsan DNA'sı 6,6 milyar harften oluşuyor ve çok karmaşık ... Evrimsel gücün tavanına ulaştı mı? Gen düzenleme, insanları daha karmaşık ve daha akıllı hale getirebilir mi?
Yaşam formlarının karmaşıklığı arttıkça üremenin zorluğu da artar. Bu kitap, yaşamın yanlış kopyalanmış bilgileri ele almasının ince mekanizmasını ortaya çıkarmak ve bencil genlerin vücutta işbirliği yapmaya nasıl zorlanacağını açıklamak için bir dedektif gibi hayatın heyecan verici evrimine geri dönüyor.
yazar hakkında
Oxford Üniversitesi Zooloji Bölümü'nde çalışan Mark Ridley (Mark Ridley), şu anda Cambridge Üniversitesi'nde St. Catherine's College'da ve Oxford Üniversitesi'nde Li Nakol, Oriel ve New School'da araştırmacıdır.
Kitap alıntıları
Önsöz (alıntı)
Uzaylılar bir uzay aracıyla Dünya'ya vardıklarında, keşfetmekten heyecan duyacaklar: Dünyamız, karmaşık yaşamı evrimleştiren nadir gezegenlerden biridir. Uzaylıların ayak bastığı her canlı gezegende, Dünya'dakilere benzer virüsler ve bakteriler sıradan hale geldi, çıplak biyolojik moleküller ve basit tek hücreler uzaylılara daha da aşinadır, bu nedenle bunlara aşinadırlar. Basit yaşam basitçe şu şekilde ifade edilecektir: "Temel bileşimleri karbon, DNA kullanıyorlar, elektromanyetik radyasyon ve kimyasal kaynaklarla güçlendiriliyorlar ve kendilerini kopyalayacaklar." Ancak, evrende dünyaya benzeyen çok az sayıda gezegen olacak. Süper bilgisayar benzeri beyinleri olan insanlar, açık kanatlı uçan beyaz kuğu ve simetrik çiçekler, narin yaprakları ve çekici kokulara sahip güller gibi yaşam formları. Karmaşık yaşam formları hücrelerden oluşur.Her bireyin gelişimi bir hücreden başlar ve yavaş yavaş organ formuyla yetişkinliğe doğru büyür ve akıllı davranışlara sahip olabilir.
Uzaylılar, karmaşık yaşamı deneyimleme yolculuğunda, basit yaşam formlarından farklı olarak, bu karmaşık yaşam formlarının çok etkileyici ve ilginç olduğunu görecekler. Uçsuz bucaksız evrende hiçbir gösteri, kendilerini yeniden üretmek için ellerinden geleni yapan yaşam formlarının görüntüsü kadar güzel değildir.
Uzaylıların soracağı ilk soru, Dünya'daki yaşam genetik molekülleri kopyaladığında kaç tane çoğaltma hatası oluşacağıdır. Sonra daha ilginç raporlar başlattılar, "Tüm çoğaltma işlemi DNA artı yaklaşık 50 çeşit katalitik enzim kullanıyor. 1 milyar karakter kopyalıyorlar, bir kopya hatası olacak, ancak sorun büyük değil gibi görünüyor." Sonuç olarak, uzaylılar "büyük organizmaların 1 milyar veya daha fazla DNA koduna sahip olduğu ve her bireyin yaklaşık 100 hücre nesline sahip olduğu. Bu arada, kullanılabilirliği de anlıyorlar ..." sonucunu çıkarabilirler. Daha az açık ama çok önemli sonuçlar da var: "Ama bu hayatların cinsel davranışları bizi şok ediyor. Sadece aynı türden diğer yarısından bir eş seçiyorlar ve geri kalan yarısı dışlanıyor. Önemli değil, bu bir eş seçmeden önce bir tabu. Her halükarda, böyle bir eş seçme oyunu için, göstermek için bazı büyük yaşamlar kullanmalıyız. O şarkıcıları ve dansçıları farklı melodilerle kovalayabilirler ve kodları alan yaratıklar onu takip edecek On farklı eş seçimli dans müziği ile kodlar alın - 10 farklı eş seçimli dans müziğinin her birinden onda birini alın. Life on Earth, eşlerin onda dokuzunun kodlanmasında karşılaşılan zorlukları ortadan kaldırır ve onlarla yumurtlama sürecinde karşılaşır. Sorunlara kıyasla gerçekten önemsiz. "
Karmaşık yaşam formları, doğanın şaheserleridir ve öğrenmek istiyorum. İnsanların karmaşık yaşam hakkında çok az soruları vardır. Fosil kalıntıları bize yaşamın kolayca evrimleşebileceğini, ancak karmaşık yaşamın evrimleşmesinin zor olduğunu, hatta evrimin olmadığını söylüyor. Basit yaşamın doğuşu bir anda gerçekleşebilir, ancak karmaşık yaşamın evrimi bazı kaçınılmaz zorluklarla karşılaşabilir ve gelişmesi için birkaç uzun aşama gerekebilir.
Bu kitapta vurgulamak istediğim, karmaşık yaşam formları üretmedeki temel zorluk, tüm genleri doğru bir şekilde kopyalamakta yatıyor. Aynı zamanda, karmaşık yaşam formlarını kodlamak için basit yaşamdan daha fazla DNA'ya ihtiyacımız var. İnsan, karmaşık yaşamın temsilcileridir - DNA yaklaşık 6,6 milyar harften oluşur ve yaklaşık 100.000 genetik kod vardır. Buna karşılık, bakteriyel DNA 2 ila 3 milyon harf uzunluğundadır ve genetik kod yalnızca 2000 ila 3000'dir. DNA'nın uzunluğu arttıkça, farklı uzunluklarda yazılı metnin kopyalanmasına benzeyen kopya hataları gittikçe artacaktır. Bir yazar bir sloganı kopyalıyorsa, yanlış bir cümleyi kopyalamak o kadar da önemli değildir, sadece onu hemen atıp yenisini yazması gerekir. Ancak, kopya "İncil" ise, yazarın yaklaşık bir buçuk yıllık çalışma süresi boyunca herhangi bir hata yapmamak daha zor olacaktır.
Karmaşık yaşamı evrimleştirmek istiyorsanız, DNA kopyalama hatalarının üstesinden gelmek için "kopyalama hatalarını" kaydetmeye benzer bir mekanizmaya ihtiyacınız var. İlk canlılarda her 100 harf için bir kopya hatası olabilir ancak bakteri ortaya çıktığında bu oran 1 milyar harfe düşürüldü ve bir hata oluştu. Bu muazzam ilerleme, orijinal DNA'nın çoğaltılmasından (etkileyici bir hata korumalı moleküldür) ve hataları düzeltip onaran bir moleküler makineden yararlandı. Ancak bu, bakterilerin replikasyon doğruluğunu iyileştirme sınırı olabilir. Bu temel DNA replikasyon mekanizması o zamandan beri yaşamda işlemektedir ve insanlar tarafından üretilen replikasyon hataları, bakterilerinkine benzer. Ancak toplam hata oranımız bakterilerinkinden çok daha yüksek çünkü daha fazla DNA kodu kullanıyoruz. DNA moleküllerimiz bakterilerden 1000 kat daha uzundur ve her DNA, nesil başına 100 kez çoğalmaya başlarken, bakteriler nesil başına yalnızca bir kez çoğalır. Artan çoğaltma sayısı, toplam hata oranımızı 100.000 kat artırmıştır Bakteriler yalnızca her 1000 yavruda bir hata yapar ve her bir çocuğumuz 100 kez hata yapar. İnsan DNA replikasyonunda bu kadar çok hatadan nasıl kurtulabilir? Bu bir paradoks gibi görünüyor. Bu sorunun kesin bir cevabı yok, belki de seks yüzünden. Seks, hataları belirli yavrular üzerinde yoğunlaştırabilir, böylece diğer yavruları nispeten hatasız hale getirebilir. Cinsel yaşam formları, kendi kendini kopyalayan yaşam formlarından daha evrimsel olarak karmaşık olabilir.
Cinsiyet, kopyalama hataları sorununu çözerken yeni sorunları da beraberinde getiriyor. Eşeysiz üremenin yaşam formunda, ebeveynin her geni döllere aktarılır: genlerin% 100'ü çoğaltılmış ebeveyn tarafından sağlanır. İnsanlarda ve cinsel davranışla doğan tüm karmaşık yaşam formlarında, genlerin sadece yaklaşık% 50'si bir ebeveynden çocuğa geçti.
Gen dağıtımının% 100'den% 50'ye düşürülmesi zor bir evrimsel adım olabilir. Her genin kalıtım şansı yarıya düştüğünde, doğal seçilim "bencil genleri" destekleyecektir. Bir anlamda Richard Dakwins'in ünlü ifadesiyle de gösterilebilir: bu genler Sistemi bozabilir ve aynı zamanda teslim edilme olasılığının% 50'yi aşmasına izin verir. Ancak bu "bencil genler" evcilleştirildiğinde karmaşık yaşam gelişebilir.
Bu kitapla ilgili iki büyük konunun tamamı hatalarla ilgilidir. İlk hata türü, DNA mutasyon hatasını kopyalarken pasif replikasyon hatasıdır. İkinci kategori aktiftir, yani bencil genler, işbirlikçi olmayan ve yıkıcı davranışları nedeniyle bireyleri tehlikeye atmaktadır. Bu hataların her ikisi de karmaşık yaşamın varlığını tehdit eder ve aynı zamanda kendi çözümleri ile de ilgilidir. Karmaşık yaşamda, kopyalama hatalarını çözmenin ana yolu cinsel üremedir. Ancak yeryüzündeki karmaşık yaşam özel bir genetik yöntem kullanır: Mendel cinsel üreme. 150 yıl önce, Bay Gregor, bu genetik modeli Brunn'daki (şimdi Çek Cumhuriyeti'nde) Saint Thomas Manastırı'nın bezelye bahçesinde tanımladı. Mendel genetiği, bencil gen yıkımını önlemeyi öngörüyordu.
Evrimsel anlamda, genler yalnızca kalıtımsal olma olasılıkları nedeniyle evrimleşirler, çünkü şanslı genler (kalıtsal) rastgele seçilir (piyango). Mendel kalıtımının temel bir özelliği, belirli bir genin kalıtsal olup olmayacağını tahmin edememenizdir. Yavrularda hangi genlerin yaşayacağını ve hangi türlerin öleceğini tahmin etmek mümkünse, doğal seçilim karmaşık yaşam formları meydana getiremez. Ölüme mahkum genler isyan edecek ve tüm sistem çökecek. Tanrı, basit bir kendini yeniden üretim ve yeniden üretim aşamasında zar atmak yerine, fizik ve kimya kanunlarına zar atarak karar verebilir. Bununla birlikte, karmaşık yaşamın evrimi, bir zar atmak gibi deterministik ve rastgele bir tarzda genetik bir mekanizma gerektirir.
Bakterilerin ortaya çıkışı ile insanların ortaya çıkışı arasındaki bir noktada (belki de basit solucanlar aşamasında) Tanrı rastgele yöntemler benimsemeye başlamalıdır. Yaşam rastgele bir genetik sistem kullanmaya başlar ve bu andan itibaren karmaşık yaşam formlarında ebeveynler, genleri yavrularına geçirmek için rastgele bir Mendel süreci kullanmak zorundadır.
Mendel kalıtım teorisi, karmaşık yaşamın genlerinin nasıl miras alındığını açıklar. Belirli bir genetik miras yerine cinsiyet, üreme ve genetik olasılıkları bütünleştirir. Mendel'in kendisi de bir Augustinus keşişi. Şans mekanizmasını keşiş benzeri bir görüntü olarak düşünmeyi seviyorum - Mendelci iblis, ebeveynlerindeki genlerin kralı. Bu genlerin gelecek nesilde miras alınıp alınmayacağına o karar verecek. Hangi diğer genler bir sonraki nesle aktarılır. Mendel ve modern fizikçi James Clerk Maxwell neredeyse çağdaşlardır.Meşhur (veya oldukça ünlü) "Maxwell'in şeytanı" (Maxwell'in şeytanı) onun adını almıştır. Mendel'in düşünceleri 1866'da yayınlandı; Beş yıl sonra Maxwell Demon ortaya çıktı. Maxwell canavarı hayali bir canavardır. Bir kabın iki parçaya bölündüğünü varsayarsak, moleküllerin sadece bir yönde hızlı hareket etmesine izin vererek, kabın bir bölümünü (kolayca) sıcak, diğer bölümünü soğuk hale getirebilirsiniz.
Maxwell iblisi anti-randomize bir canavardır.Moleküllerin rastgele hareketine karşı çıkar ve daha düzenli bir kap durumu üretir, yani sabit bir sıcaklık yerine bir sıcak yarı ve soğuk yarıya sahiptir. Tersine, Mendel iblisi daha gerçekçi, doğal seçilimin yıkıcı gücüne direnerek düzenli bir durum (yani karmaşık yaşam) yaratan rastgele bir şeydir.
Karmaşık yaşam, Mendel canavarlarına bağlıdır ve karmaşık yaşam, ancak Mendel canavarları 1 milyar veya 2 milyar yıl önce toplandığında gelişmeye başlayabilir. Maxwell iblisi fizik kanunlarını ihlal edebilir ve kanunları bulmak zordur. Mendel iblisi hukukun yoğunlaştırıcısıdır ve biyolojik yasayı yıkıcı olmaktan çok daha yaratıcı bir yöne yönlendirir. Mendel iblisi derin değildir. UNIX bilgisayar işletim sistemine aşina olanlar, bilgisayar görevlerinde bu iki canavar ve "arka plan programı" arasındaki benzerlikleri görebilirler. Ahlak filozofları, davranışın mutluluğu teşvik edip etmediğini yargıladıkları endemonizmi düşünebilirler. Klasikçiler, Avrupa Birliği'ndeki Opovia'yı düşünebilirler, bu da mutluluk veya iyi şans anlamına gelir. Paganlar Şans Tanrıçası'nı düşünebilir. Mendel iblisi, genetik adaletin uygulayıcısıdır ve onsuz yaşayamayız.
Bu kitap, yaşamın bazı derin ve evrensel özelliklerini keşfetmeyi amaçlamaktadır. Cinsiyet gibi bu özelliklerden bazıları iyi bilinen varoluşsal bilmecelerdir ve genetik genlerin nasıl iletildiğini belirleyen germ hücresi mayozu gibi bazı diğer konular derin ama az bilinen yapılandırmacı bulmacaları ortaya çıkarır. Mayoz, her genin hayatta kalma oranını sadece% 50 yapan belirleyici bir hücre bölünmesidir. Mayoz, gen sayısını yarı yarıya azaltır. Öyleyse neden gen sayısını azaltarak değil, ikiye katlayarak? İblisler neden sadece gen indirgemesinin iki aşamasında rol oynuyor? Gerçekler, mayoz bölünme tarafından yapılan "kopya duman bombasının" bencil genleri karıştırmak için bir numara olduğunu kanıtladı. Bu nedenle, cinsiyet ve genetik süreçleri karmaşık yaşamın evrimini teşvik eden temel özellikler olarak anlıyoruz.
Derin ve evrensel yaşam niteliklerini anlamak çok hoş. Bu aynı zamanda yeryüzünde keşfedilecek diğer karmaşık yaşam formlarını tahmin etmemizi de çekiyor - dünyadaki gelecekteki yaşam ve evrende bağımsız olarak gelişen yaşam da dahil. Tüm karmaşık yaşam formlarının, eşeyli üreme ve Mendel kalıtımına benzer rastgeleleştirme prosedürleri kullanacağını tahmin edebiliriz.
Ancak Dünya'daki karmaşık yaşamın diğer özellikleri, cinsiyet gibi daha çok bir kaza gibi olabilir.
Cinsiyet, karmaşık yaşamın evrensel bir özelliğidir, cinsiyet ve Mendel genetiğiyle yakından ilgilidir, ancak varlığı bir tesadüf olabilir. İnsanın kendi karmaşık yaşam formu hücreleri de dahil olmak üzere, hücrelerde iki dizi bağımsız gen olacaktır. Mendel iblisi sadece birinin iyi çalışmasını sağlar. Her hücrenin iki gen kümesine sahip olmasının nedeni, yaklaşık 2 milyar yıl önce kazara meydana gelen hücre birleşmesidir. İki basit hücre tek bir hücrede birleşir, böylece iki gen grubu tek bir hücrede birleştirilir. İki gen kümesine sahip hücrelerin karşılaştığı sorunlar, iki şirketin birleşmesinden sonra yönetimlerini birleştirmek kadar zordur. Normal şartlar altında, bir iş birleşmesi sonrasında, iki şirketin yönetim ekiplerinden biri, insan üreme hücrelerine çok benzeyen istifa edecek. Erkek spermde bir dizi gen çıkarır ve dişi onu yumurtanın içinde tutar. Bu mekanizmanın uzun vadeli sonuçları muazzamdır.Sperm boyutu küçülmüştür çünkü tüm potansiyel sorunlu genler elimine edilmiştir; bununla birlikte, yumurta büyük kalacak ve hatta büyüyecektir. Sperm küçülüyor, ancak sayısı yumurtalardan çok daha fazla.Bu, çiftleşme pazarındaki arz ve talep ilişkisinin ekonomik temelidir. Bu nedenle, tüm modern erkek-kadın farklılıkları (evrim sürecinde) geçmişte kazara bir hücre birleşmesine kadar izlenebilir. Karmaşık yaşam hücre kaynaşmasıyla gelişmeseydi, günümüz canlıları seks yapmazdı. Uzaylı arkadaşlar için cinsiyet, dünyadaki karmaşık yaşamın en kafa karıştırıcı özelliği olacak. DNA'mızı okudularsa ve kodda saklı hücre füzyon olayını keşfettilerse, anlayabilirler.
Kopyalama hataları ve bencil genler bu kitabın iki ana temasıdır. Bölüm 1 ve 2, karmaşık yaşamın paradoksunu, dünyadaki karmaşık yaşamın tarihini ve karmaşık genlerin sayısının standardını açıklıyor. 3. ila 4. bölümler, yaşamın pasif kopyalama hatalarıyla başa çıkmak için nasıl geliştiği hakkındadır ve 6. ila 8. bölümler "aktif bencil" genlerle başa çıkmak için yaşamın nasıl geliştiğiyle ilgilidir. İnsanoğlunun şimdiki ve yakın geçmişte (Bölüm 9) evrimine ve daha karmaşık yaşamların olası geleceğine (Bölüm 10) bakmak için 3. ve 8. Bölümlerdeki teorileri kullanıyorum. Gen tedavisi ve genç gametlerin uzun süreli korunması gibi ortaya çıkan bazı üreme ve genetik teknolojiler, karmaşık yaşamın büyük tarihsel sürecinde yeni anlamlara sahiptir. Bakterilerin 3,5 milyar yıl önce evrimleşmesinden bu yana ilk yeni hata azaltma mekanizması olabilirler. Şu anda, yüksek kopyalama hatası oranı nedeniyle, bazı karmaşık yaşamlar tükendi. Kopyalama hata oranı azaltılırsa, zeka veya sosyal organizasyonda insan karmaşıklığını aşan yaşam formlarının evrimine yol açabilir. Diğer bir yaklaşım, birleşik esnek yaşam formlarının evrimine izin vermektir.İnsanların karmaşıklığının ötesindeki yaşam, birkaç türün DNA kodlarını içerecek, ancak her nesil bu türlerden yalnızca birini kullanacaktır. Esnek bir yaşam formu balıkların, ağaçların, kuşların ve insanların DNA kodlarını içerebilir. Diğer tüm kod biçimlerini kapatırken, yaşamın erken dönemlerinde en iyi büyüme biçimini seçme fırsatına sahip olabilirsiniz. Bu fikirleri kitabın sonunda tartışacağım.
Resim şu kaynaktan geliyor: flickr
