Gözler, kamçı, silikon: Doğa nasıl "yoktan yaratır"?
Yazar: Gui, Hidden Dragon
"Bu gezegendeki tüm duyarlı yaşamı yaratmak için, evrim yalnızca tek bir araç kullanır: hata." - Robert Ford "Batı Dünyası"
"Batı Dünyası" dizisindeki ana karakterler, evrimden bahsederken "hata" nın gücünü vurguladılar. Resim kaynağı: magicalquote.com
Westworld'ün kurucusu Ford, son günlerde sıcak TV dizisi "Westworld" de bu cümlesiyle "hata" rolüne vurgu yaptı. Açıktır ki, evrimin alet çantasında sadece "hatalar" yoktur, aynı zamanda gelecek nesillere miras kalabilecek bu hataların getirdiği "değişimler", hayat ağacının her dalının parlak ve renkli olmasının önemli bir nedenidir - her DNA kopyası Küçük bir hatanın meydana gelme olasılığı çok düşüktür ve bu küçük hatanın yavruların biraz farklı olma olasılığı çok düşüktür ve bu farkın ortama biraz daha iyi adapte olabilmeleri için çok küçük bir olasılığı vardır ... Vance yılında, çevre seçiminin eliyle yönlendirilen küçük hataların birikimi, doğadaki tüm canlıların ebedi, sürekli değişim ve gelişim içinde olmasına olanak sağlar.
Değişimdeki karmaşıklığa doğru
Evrim teorisi bu kadar güzel olsa da, hayatın mucizelerinin sayısız ince değişiklikle yaratılabileceği konusunda herkes hemfikir değildir. Evrimsel düşünceye ilişkin çeşitli şüpheler arasında, insanlar tarafından gözlemlenen bazı biyokimyasal yapıların, temel işlevlerinin yerine getirilmesini sağlamak için birbirleriyle işbirliği yapmak için birçok farklı bileşene ihtiyaç duyduğu görüşü vardır. Bu yapılar, evrim mekanizmalarıyla açıklanamayacak kadar karmaşıktır. Amerikalı biyokimyacı Michael Behe bu durumu " İndirgenemez karmaşıklık "(İndirgenemez karmaşıklık) ve bu tür karmaşıklığın" akıllı tasarım "ın ürünü olabileceğini iddia ediyor.
"İndirgenemez karmaşıklığa" sahip olduğu düşünülen tipik yapı gözdür. Gözlerimiz gerçekten son derece karmaşık organlardır.Sezgisel olarak, doğanın lensi, iris, retina ve benzerlerini ayrı ayrı evrimleştireceğini hayal etmek zordur. Lens, iris ve retina gibi gereksiz yapılar, böylesine "faydalı" bir göz oluşturmak için ayrı ayrı kullanılacaktır. Ama bu tür bir karmaşıklık gerçekten "indirgenemez" mi?
İsviçreli kalkınma bilimcisi Walter Jakob Gehring, çok sayıda fosil ve gen üzerinde çalıştıktan sonra, doğadaki farklı türlerin gözleri sürekli değişse de, çeşitli küçük değişikliklerin birikmesiyle her zaman evrimleşebileceklerini keşfetti.
En derinlemesine incelenen göz evrimi yolu şudur: : İlkel organizmalarda ışığa duyarlılık özelliğine sahip proteinler, belirli hücrelerde zenginleştirilerek bu hücreleri en erken ışığa duyarlı hücreler haline getirir. Işığı bloke edebilen ışığı bloke eden bir hücre fotoreseptör hücresinin yanına eklendiğinde, ışığı bloke eden hücre ışığı belirli yönlerden engelleyebildiği için, fotoreseptör hücre kabaca ışığın parlama yönünü bilebilir - bu sadece iki hücreye sahiptir. Yapı. Orijinal göz (göz noktası) ve şimdi tüm hayvan gözleri bu yapıdan gelişti.
Bazı canlı planaryanlarda (yukarıdaki resimde gösterilen Polycelis auricularia gibi) bu en ilkel göz noktasını görebilirsiniz.Yapısı çok basittir.Bir göz noktası aslında sadece iki hücre içerir, bir pigment hücresi ( Işık engelleme), bir fotoreseptör hücre (ışığa duyarlı). Resim kaynağı: referans
Daha sonra, fotoreseptör hücrelerinde meydana gelen değişiklikler, bu gözün işlevini daha ayrıntılı hale getirir: fotoreseptör hücreler, ışığa duyarlı bir katman halinde toplanır ve içeriye doğru göçer, böylece ışığın yönü daha doğru bilinir. Bu depresyonun en uç noktası, ışığa duyarlı katmanın bir boşluğa girmesi ve etrafının tamamen ışığı engelleyen katmanla kaplanması ve dış dünyayla iletişim kurmak için yalnızca küçük bir delik bırakılmasıdır - bu küçük delik, öğrencinin embriyosu haline gelmiştir. Ancak bu tür oyuk gözler çok kırılgandır ve kirin içine düşmesi kolaydır, bu nedenle hücrelerin salgıladığı bir miktar mukus dolgu maddesi olarak gözlerde belirir ve daha sonra şeffaf bir jöle haline gelir. Zamanla lens ve iris gibi yapılar farklılaştı.
Gözün evrimsel bir yolu (ahtapot gibi kafadanbacaklılarda görülür): bir pigment hücresi tabakası ve bir fotoreseptör hücre tabakası; b ışık kaynağının yönünün algılanmasını güçlendirmek için batık göz noktaları; c fotoreseptör tabakası bir boşluğa ve çevresine girintilidir. Tamamen ışığı bloke eden katmanla kaplıdır ve dış dünyayla iletişim için yalnızca küçük delikler bırakarak "küçük delik görüntüleme" ile kaba görüş üretebilir; d Gözün dış çevresi, gözleri hasardan korumak için şeffaf bir ciltle kaplanır ve ardından şeffaf deri, lens üretmek için sürekli olarak farklılaşır Öğrenci ve diğer yapılar. İnsan gözünün evrimsel rotası tam olarak aynı değildir, ancak sonuçta hepsi benzer yapılara sahiptir. Resim kaynağı: Noktayı / Wikipedia'yı hatırlayın
Profesör Green sadece gözün evrimini açıklığa kavuşturmakla kalmadı, aynı zamanda moleküler biyoloji teknikleriyle evrimin her noktası için gereken genetik mutasyon sayısını da hesapladı. Gerçekte, evrimsel dinamikler üzerine yapılan çalışmalar, güçlü çevresel seçim baskısı koşulları altında, en ilkel göz noktasından tamamen işlevsel bir göze evrimleşmenin yalnızca yüz binlerce yıl alacağını göstermiştir. Gözlerimizin karmaşıklığı ve zarifliği gerçekten çok basit bir şekilde "geri yüklenebilir".
Proteinin muhteşem dönüşü
Bazı insanlar, doğanın ilkelerini anladıktan sonra, akıllı organizmaların belirli bir cihazın temel bileşenlerini tasarlayabileceğini de sorabilir (mekanik bir saatin saat mekanizması gibi) Daha sonra, fotoreseptör hücresindeki fotoreseptör proteininin ilk geldiği gözün temel bileşenini. Ne?
En olası cevap "ödünç almak" tır. Basitçe söylemek gerekirse, başlangıçta başka amaçlar için kullanılan bir gen, tesadüfi mutasyon nedeniyle işlevini değiştirmiştir (çünkü aynı gen, hücre genomunda birçok kopyaya sahip olabilir, bu mutlaka orijinal işlevinin kaybı anlamına gelmez). Bize ışığa duyarlı bir protein olarak bilinen Rodopsin'in başka bir etkisi olabilir.
Doğadaki en klasik "ödünç alma" vakası muhtemelen bakteri kamçıdır. Pervane kadar hızlı dönerek bakterilerin etrafta yüzmesine izin verirler.
Ustaca bir güç rotasyon sistemi içeren bir bakteri kamçısı şematik diyagramı. Resim kaynağı: Nature Reviews Microbiology 4, 784-790 doi: 10.1038 / nrmicro1493
Bu güçlü işlev, temel olarak, bakteriyel kamçı tabanındaki düzinelerce proteinden oluşan mükemmel "moleküler motor" a dayanır. Bu protein bileşenlerinden herhangi biri olmadan, bu "moleküler motor" normal şekilde çalışamaz ve bu proteinlerin bu sistem olmadan hiçbir etkisi yok gibi görünmektedir - bu nedenle, biyologlar flagella'nın moleküler biyolojisini ortaya çıkarmadan önce, Flagella bir zamanlar "indirgenemez karmaşıklığın" başka bir "örneği" oldu. Ancak bilim adamları, flagella'daki "moleküler motor" un aslında her aerobik organizma için gerekli olan ATP sentaz olan bir "moleküler jeneratör" den dönüştürüldüğünü çabucak keşfettiler.
Eylem halindeki bir ATP sentazının şematik diyagramı. Resim kaynağı: blogspot.com
Hücrelerde, birçok proteinin, bir işten sonra atlayabileceğinizi söyleyen bir kalbi vardır: Küçük bir değişiklik, çeşitli olasılıklar. Flagella'nın yapısı şaşırtıcı olsa da, "jeneratör" den "motora" dönüşen çekirdek proteini o kadar muhteşem değil, sonuçta ikisi temelde aynı. Peki, protein potansiyeli ne kadar kullanılabilir? Kısa bir süre önce, "Science" dergisinde yayınlanan bir araştırma, birçok insanı hayattaki değişikliklerden bir kez daha şok etti.
Hayatın silikon karbonu bağlamasına izin verin
Deneyde, Amerikalı bilim adamı Frances H. Arnold ve diğerleri, deniz kırmızı termofilik bakterilerinden (Rhodothermus marinus) sitokrom c'ye (Sitokrom c) odaklandılar. Sitokrom c, oksijen gerektiren hemen hemen tüm organizmalarda yaygın olarak bulunur (çeşitli organizmaların sitokrom c'si biraz farklıdır) ve hücrelerin aerobik solunumu sürecinde vazgeçilmez bir fonksiyonel proteindir. Görevi, organik oksidasyon reaksiyonunun düzenli bir şekilde ilerlemesine yardımcı olmak için bir "elektronik taşıyıcı" olarak hareket etmektir.
Deniz kırmızısı termofilik halofillerin sitokrom c yapısı. Bu olağanüstü protein, şok edici işlevlerini ortaya çıkarmak için yapay olarak seçilecek. Resim kaynağı: FRANCES ARNOLD LAB / CALTECH
Bilim adamları, sitokrom c'nin birçok oksidasyon reaksiyonuna katılabileceği için, bu proteinin aslında çeşitli kimyasal bağların oluşumunu teşvik eden bir enzim görevi görebileceğine inanıyor. Enzim kinetiğini hesapladıktan sonra, sitokrom c'nin organizma-karbon-silikon bağında hiç görünmeyen bir kimyasal bağ oluşumunu katalize etme potansiyeline bile sahip olduğunu buldular.
Silikon, doğası gereği canlı organizmaların ana elementi olan karbona benzer, ancak doğadaki silikonun çoğu genellikle organizmalarda bulunmayan silikat formunda bulunduğundan, silikon çoğu organizma için (diyatomlar gibi) işe yaramaz. Diğer organizmalar kendi dış iskeletlerini oluşturmak için silikat veya silika kullanabilir, ancak çevrede yalnızca bir bütün olarak silikat kullanırlar ve silikon elementi kullanım için ayıramazlar).
Enzim kinetiğinin hesaplanmasına dayanarak, bilim adamları bu sitokrom için silikon içeren bir tür organik küçük moleküllü substratları "uyarladılar". Yeterince kesin, birçok türün sitokrom c'nin bu küçük molekülleri karbon silikon oluşturmak için katalize edebileceğini buldular. Deniz kırmızı termofilik halo bakterisinin anahtar ve sitokrom c en iyilerinden biridir.
Bununla birlikte, bu sitokrom c'nin işi değildir, bu yüzden aslında işi çok iyi değildir.Bilim adamlarının beklediği karbon-silikon bağını katalize etmenin yanı sıra, sitokrom c çeşitli substratların üretimini de kolayca katalize edebilir. Yan ürünler karmaşası. Öyleyse, böyle bir "amatör enzimi" "profesyonel bir enzime" dönüştürmek için kaç tane genetik mutasyona ihtiyaç vardır?
Üç nokta mutasyonları
Bu dönüşümü tamamlamak için deniz kırmızısı termohalofil sitokromunun sitokrom c'sindeki üç amino asidi değiştirmek yeterlidir ve nokta mutasyonlarının her biri katalitik karbon-silikon bağının özgüllüğünü artırabilir. Bu değişikliklerden sonra, oda sıcaklığında karbon-silikon bağlarının üretimini katalize edebilirler.
Deniz kırmızı termofilik halofiller sitokrom c'nin üçü, katalitik karbon-silikon bağ noktası mutasyonlarının özgüllüğünü artırabilir. Üç nokta da mutasyona uğradıktan sonra, bu "enzimin" karbon-silikon bağı oluşumunu katalize etme özgüllüğü haline gelir. Çok yüksek bir seviyeye ulaştı. Resim kaynağı: referans
Bunun aksine, karbon-silikon bağlarının yapay sentezi işlemi sadece nispeten pahalı değildir, aynı zamanda toksik reaktifler içerir ve çeşitli yan ürünler oluşturur. Doğal değişimlerin yardımıyla, insanlar kimyasal üretimde daha da şaşırtıcı gelişmeler elde edebilirler - hayat, trilyonlarca enzim elde etmek için milyarlarca yıl "deneylerde" geçirmiştir ve bunların her biri, Belki daha kararlı, daha verimli hale gelebilir ve hatta basit dönüşümlerle yeni işlevler geliştirebilir.
Arnoldun deneyi de büyüleyici: Bu bulgular, eğer bir gün ortam büyük ölçüde değişirse ve yeryüzünde çok sayıda küçük organik silikon molekülü varsa, deniz kırmızı termofilik halojenlerinin evrimleşmesi yalnızca birkaç yıl alabileceği anlamına gelebilir. Silikon kullanma yeteneği - ve alet, işlevi bununla kıyaslanamayan bir proteindir. Arnold, "Bu araştırma, doğanın yeni zorluklara ne kadar hızlı adapte olduğunu gösteriyor" dedi.
Makalenin ilgili yazarı Dr. Francis Arnold (solda) ve ilk yazar Dr. Sek Bik Jennifer Kan (sağda). Resim kaynağı: Caltech
Görülüyor ki hiçbir zaman "gökyüzü değişmez, yol da değişmez." Bu DNA kodlu katalitik makineler, değişimlerin ve seçimlerin ortasında sürekli olarak kendilerine yeni bir değer verebilirler - aslında bunu da yaptılar, böylece evrim ağacı gelişip sonunda harika bir biyolojik dünya yaratabilir. Belki de ilk zamanlarda, en ilkel yaşam formlarında yaşam için gerekli olan çok az genin olduğu düşünülebilir.Ancak, bu genler sayısız zaman sonra kendilerini kopyalayıp değiştirmeye devam ettikten sonra, yavaş yavaş Di'nin değişimi nihayet dünyanın ihtişamını alıyor.
Belki de sadece değişim, yaşam dünyasındaki tek sabit demir yasasıdır.
(Editör: Calo; Dizgi: Sol_ )
Referans malzemeleri:
1.Gehring WJ. Göz evriminde şans ve gereklilik. Genome Biol Evol.2011; 3: 1053-66.
2. Nilsson DE, Pelger S. Bir gözün gelişmesi için gereken sürenin kötümser bir tahmini Proc Biol Sci. 1994. 256 (1345): 53-8.
3. Kan SB, Lewis RD, Chen K, Arnold FH. Karbon-silikon bağı oluşumu için sitokrom c'nin yönlendirilmiş evrimi: Silikonu hayata geçirmek. Science. 2016. 354 (6315): 1048-1051.
Bu makale Guo kabuk ağından geliyor, yeniden basılmayı reddetti
Gerekirse lütfen sns@guokr.com ile iletişime geçin ve şahsen arkadaş çevrenize iletin.
