Жизнь – без начала и конца

[egovoru]

Дарвин предложил механизм приспособительной эволюции, но генетики быстро обнаружили, что не всякая эволюция непременно повышает приспособленность: генофонд популяции может изменяться и ненаправленно. Одна из причин такого «дрейфа генов» – случайные колебания численности организмов, «волны жизни». До разгрома генетики в Советском Союзе их изучал Сергей Четвериков. Современный генетик Майкл Линч полагает, что «дрейф генов» может объяснить постепенное усложнение живых организмов в ходе эволюции.

Строго говоря, он имеет в виду не сложность организмов, универсальной количественной оценки которой еще никто не придумал, а сложность генома и даже просто его размер. В самом деле, размеры геномов прокариот – примерно 1-10 млн пар нуклеотидов, а геномов многоклеточных эукариот вроде нас с вами – порядка 3000 млн. Линч объясняет это тем, что где-то на пути от бактерий к человеку жизнь прошла через «бутылочное горлышко» малочисленных популяций.

Скорость утраты случайной мутации (например, дупликации какого-то гена) в череде поколений пропорциональна размеру популяции. То есть, в больших популяциях дупликации будут исчезать, а в малых – сохраняться и накапливаться. Каждый ген из пары будет мутировать независимо, а один из них может даже рекрутироваться для новой функции. В конце концов из одного гена получатся два разных, увеличив тем самым сложность генома.

Для проверки своей гипотезы Линч попробовал оценить «эффективный размер популяции» организмов с геномами разной величины по уровню «бесшумных» полиморфизмов (нуклеотидных замен, не влияющих на последовательность кодируемого белка из-за вырожденности генетического кода и потому не подверженных отбору). У него действительно получилась обратная зависимость от размера генома (график внизу справа). Правда, ему тут же указали, что распространенность полиморфизмов определяется не только величиной полуляции, но и вероятностью мутагенеза, а она может быть разной у разных видов. Критики высказали и другие сомнения, но мне кажется, рациональное зерно в гипотезе Линча все же может быть.

Диаграмма из упомянутой в тексте статьи Линча, показывающая его оценки произведения эффективного размера популяции и скорости мутагенеза (N_eu) для разных видов, и график зависимости
этого параметра и числа генов от размера генома

Comments

[egovoru.livejournal.com]

Не знаю, кого цитирует уважаемый evgeniirudnyi, но человек, который пишет об "экспрессии протеинов", явно слабо знаком с предметом: экспрессия бывает только генов, поскольку означает не что иное, как транскрипцию ДНК (синтез РНК). Кроме того, слово "протеины" по-русски звучит или очень архаично, или, наоборот, как неуклюжая калька с английского.

Миф о преимущественной вредности мутаций вытекает, как мне кажется, из непонимания того, что не бывает универсальной приспособленности: приспособленность всегда относительна, поскольку то, что способствует выживанию в одних условиях, может не способствовать этому в других.

[yoginka.livejournal.com]

Это не Евгений цитирует, а один из комментаторов.
Я же в основном имела цель сохранить в подходящем месте ссылку, а не принимать сейчас ту или иную сторону.

[egovoru.livejournal.com]

Ну, этому комментатору простительно не знать терминологии - он же не биолог, а математик :) То, о чем он пишет, по существу, конечно, верно: в любой клетке многоклеточного организма задействована только часть ее генома, и именно это и обеспечивает специализацию тканей - в эпителии работает одна часть генов, в нейронах - другая и т.д. Но я не поняла, какое отношение это имеет к полезности или вредности мутаций?

Я видела этот пост Евгения, но не стала его читать: вести разговоры об эволюции бессмысленно, если собеседники слабо представляют себе молекулярно-генетические основы наследственности. К тому же я уже давно пришла к выводу, что иррациональная враждебность к дарвинизму у многих, обучавшихся в советских вузах, вызвана просто тем, что в их программах он шел в одной связке с научным коммунизмом. В чем есть горькая ирония истории: государство, начавшее с преследования генетики, закончило насаждением дарвинизма как партийной идеологии :(

[yoginka.livejournal.com]

//Но я не поняла, какое отношение это имеет к полезности или вредности мутаций? //
- А об этом и нет речи, речь лишь о нелетальности. Я с этого начала и свой первый комментарий, и саму цитату:
https://egovoru.livejournal.com/157127.html?thread=12380871#t12380871
(У него речь не о полезности или вредности для функционирования организма.)

[egovoru.livejournal.com]

Летальной может быть только мутация, серьезно нарушающая функцию какого-то жизненно-важного белка. Но, как правило, такие белки в клетке не единственные - действительно важные функции дублируются несколькими белками, кодируемыми разными генами.

[yoginka.livejournal.com]

Там частично объясняется, почему это так.

[egovoru.livejournal.com]

Вопрос "почему" кажется мне странным в этом контексте: если бы это было не так, жизнь уже прекратилась бы :(

[yoginka.livejournal.com]

Это рассуждение аналогично антропному принципу :)

[egovoru.livejournal.com]

С той разницей, что отбор генетических вариантов - отчетливо продемонстрированный экспериментальный факт, а вот отбор физических миров с теми или иными свойствами - все же чистой воды спекуляция :)

[yoginka.livejournal.com]

// а вот отбор физических миров //
- Мы живем в мире именно с такими параметрами, которые нужны для жизни :) Чем это хуже того, что Вы написали выше:
( https://egovoru.livejournal.com/157127.html?thread=12383431#t12383431 )
//если бы это было не так, жизнь уже прекратилась бы//
?

[egovoru.livejournal.com]

"Мы живем в мире именно с такими параметрами, которые нужны для жизни"

При этом мы не знаем даже, а существуют ли какие-то другие миры? Что же касается генетического разнообразия, то мы точно знаем, что оно существует. Но Вы совершенно правы в том, что существование жизни можно рассматривать как граничное условие для любых теорий эволюции: то есть, если теория предсказывает, что жизни быть не может, значит, это плохая теория. (Собственно, это соображение и отсеивает всякие глупости вроде боинга на свалке и т.д.).

[yoginka.livejournal.com]

//Что же касается генетического разнообразия, то мы точно знаем, что оно существует. //
- Но не это там объяснялось, а то, почему большинство мутаций нелетальны.
(Однако, это не отменяет следующих уровней "почему").

[egovoru.livejournal.com]

Мне, признаться, непонятно, а откуда возникла мысль, что большинство мутаций должно быть летально? Белок состоит из нескольких сот аминокислот. С какой стати замена только одной из них должна полностью нарушать его работу? Да, есть мутации, приводящие к утере существенной части гена, преждевременной остановке трансляции или сбою рамки считывания. Но таких - только малая часть. Это не говоря уже о том, о чем шла речь выше: что даже полное выведение из строя одного-единственного белка далеко не всегда кончается смертью организма - в клетке десятки тысяч белков, многие из которых взаимозаменяемы.

[yoginka.livejournal.com]

//а откуда возникла мысль, что большинство мутаций должно быть летально?//
- По аналогии с кодами, созданными человеком. Помните, наверное, "blue screen of death" или просто "зависание" программ из-за разных "багов" в софте? Часто один бит ошибочный - и все перестает работать.
А чтобы получилось что-то осмысленное от "мутации" в коде - вообще невиданное дело :) Впрочем, я уже это упоминала раньше.
Когда же такая устойчивость к изменению кода возможна? Самое естественное предположение: код - вовсе не сама программа, а ее конфигурационные параметры или "user input" во время ее работы. Тогда да, именно так и происходит, если сама программа написана грамотно.
Но если генетический код - это параметры программы, то где же она сама?

[egovoru.livejournal.com]

"По аналогии с кодами, созданными человеком"

Тогда это просто еще один наглядный пример того, как сон разума порочная техногенная метафора рождает чудовищ :)

"Когда же такая устойчивость к изменению кода возможна?"

Она кроется в химических свойствах биополимеров. Как я уже написала выше, замена только одной из нескольких сотен аминокислот белка не слишком радикально меняет его свойства, и это - твердо установленный экспериментальный факт.

"Самое естественное предположение: код - вовсе не сама программа, а ее конфигурационные параметры или "user input" во время ее работы"

Генетический код - это просто химическое соответствие определенных триплетов нуклеотидов определенным аминокислотам - а точнее, определенным аминоацил-тРНК, с которыми они взаимодействуют в ходе трансляции. Я не знаю, как применить слова "сама программа" или "ее параметры" к этой ситуации.

[yoginka.livejournal.com]

//Тогда это просто еще один наглядный пример того, как сон разума порочная техногенная метафора рождает чудовищ :)//
- Не думаю :) Дискретный код по самой своей природе неустойчив в общем случае.
//замена только одной из нескольких сотен аминокислот белка не слишком радикально меняет его свойства//
- А как же прионы? Даже без замены аминокислот, белок может стать непригоден.
//Я не знаю, как применить слова "сама программа" или "ее параметры" к этой ситуации. //
- Например, "сама программа" управляет сложной деятельностью клетки. А ДНК - один из многих ее конфигурационных параметров.

[egovoru.livejournal.com]

"А как же прионы? Даже без замены аминокислот, белок может стать непригоден"

Прионы тут совершенно ни при чем, потому что они не имеют никакого отношения к генетическому коду. Когда говорят, что прионы, дескать, передают информацию от белка к белку, что якобы нарушает "центральную догму" молекулярной биологии, согласно которой информация передается только от нуклеиновых кислот к белкам, то это очередное навешивание лапши на уши. Прионы, безусловно, передают некую информацию - любое физическое взаимодействие можно описать как передачу информации - но это НЕ информация о последовательности аминокислот, которую кодирует ДНК. А "сделать белок непригодным" легче легкого и без всяких прионов - достаточно его немного нагреть :)

"Например, "сама программа" управляет сложной деятельностью клетки. А ДНК - один из многих ее конфигурационных параметров"

В клетке вообще нет никакой "программы" как последовательности символов - это мы записываем буквами химическую структуру ДНК. В отличие от компьютера (или прибора - синтезатора ДНК, уж если на то пошло) клетка не умеет "читать" написанную нами последовательность символов. Далее, ДНК содержит информацию не о "сложной деятельности клетки", а о последовательности аминокислот в ее белках. Если взять молекулу ДНК и положить ее в пробирку, ничего не произойдет - она так и будет там лежать мертвым грузом.

А "сложная деятельность клетки" обусловлена самой клеткой как физической системой. Именно поэтому вирусы, содержащие "голую" ДНК/РНК (и немного белков оболочки) не способны к самостоятельному размножению. Тем не менее, компьютерная терминология типа "сама программа" и "ее конфигурационные параметры" кажется мне здесь совершенно неподходящей. А неподходящая терминология легко приводит и к ошибкам по существу.

[yoginka.livejournal.com]

Вижу, что Вы меня совершенно не так поняли, Ваши возражения - не на мой комментарий :( . Может, Вам это надоело, читали невнимательно, тогда прекратим обсуждение. А если не надоело, то, пожалуйста, перечитайте предыдуший комментарий. Если толкование его не изменится, могу сделать еще попытку.

[egovoru.livejournal.com]

Боюсь, я просто не понимаю, что Вы имеете в виду, когда говорите: "Например, "сама программа" управляет сложной деятельностью клетки. А ДНК - один из многих ее конфигурационных параметров".

Что Вы понимаете под "самой программой"? В клетке ведь нет ли строчек символов, ни ячеек памяти - только молекулы и химические реакции между ними. Имеете ли Вы в виду, что, возможно, существуют какие-то другие молекулы, помимо ДНК, в которых "записана", например, программа развития организма? Нет, таких молекул нет, и вряд ли они просто еще не открыты: мы уже довольно неплохо знаем набор клеточных молекул, и там просто не из чего выбирать. А каким образом ДНК может быть "конфигурационным параметром программы", я уж совсем не понимаю :(

Тут, может быть, важен еще вот какой момент. Каким образом реализуется генетический код - то есть, как "язык" нуклеотидов переводится на "язык" аминокислот - мы уже очень хорошо понимаем. Но это событие осуществляется в пределах каждого конкретного гена. Гораздо меньше понятно то, что называют "дифференциальной экспрессией генов", то есть, процессы, определяющие, почему в нейронах работают только "нейронные" гены, в мышцах - только "мышечные" и т.д., и почему в ходе развития организма сначала работают зародышевые гены, а потом включаются гены взрослого организма (свои для каждой стадии развития).

Последовательность включения (и выключения) определенных генов в ходе дифференцировки клетки и развития всего организма не кодируется ДНК напрямую. Эти процессы определяются уже имеющимися в клетке белками и регуляторными РНК и внешними условиями. Именно с этим связано то, что можно взять у Вас кусочек кожи, дедифференцировать клетки эпителия в стволовые клетки, а потом, поливая их определенными веществами (в основном, подобающими гормонами и сигнальными пептидами), превратить в нейроны. Нейронные гены будут экспрессироваться в ответ на эти молекулы, которые свяжутся с определенными участками ДНК.

[yoginka.livejournal.com]

//Что Вы понимаете под "самой программой"? В клетке ведь нет ли строчек символов, ни ячеек памяти //
- В компьютере, если на него смотреть в лупу, микроскоп и т.п, Вы тоже ничего этого не увидите. Увидите только электроны, атомы, молекулы, взаимодействия между ними. Хотя знающий инженер может понять где что находится. Но важнее другое: как я уже не раз писала раньше, бывают не только цифровые, но и аналоговые вычислительные устройства. Для них даже такого понятия, как "ячейка памяти", нет. Даже все знающий инженер их не увидит.
В каждой клетке происходят разнообразные сложные скоординированные процессы, даже если не рассматривать синтез белков. Что обеспечивает бесперебойную работу этих процессов? Это я и называю "сама программа". И она вовсе не обязана быть цифровой. И для нее ДНК - параметр для одного из многочисленных процессов, на которые она способна. Да Вы и сами упомянули о тех процессах, которые не закодированы в ДНК:
//то, что называют "дифференциальной экспрессией генов"//
//Последовательность включения (и выключения) определенных генов в ходе дифференцировки клетки и развития всего организма не кодируется ДНК напрямую//
А еще мы когда-то митоз обсуждали.
Где-то вся эта логика "зашита", и это вполне подходит под определение гибридного (электрохимического) аналогового информационно-вычислительного устройства. Кстати, аналоговые устройства не так-то легко (или даже невозможно) перепрограммировать, но параметры у них обычно есть.

[egovoru.livejournal.com]

Если Ваша мысль заключается в том, что при описании биологических систем нам не обойтись без аналоговых моделей, то это, безусловно, так. Взять, например, любую энзиматическую реакцию (или совокупность их): обычно для их моделирования используют систему дифференциальных уравнений. А ведь жизнедеятельность клетки и есть не что иное, как совокупность энзиматических реакций. Я, правда, не поняла, при чем тут электрохимия? Ну, в каком-то смысле любую химическую реакцию можно, конечно, отнести к электрохимии, но обычно так не говорят.

Дискретность же вытекает просто из того, что все главные "молекулы жизни" - полимеры, то есть, состоят из отдельных структурных единиц. Причем, если в случае белка функционально значимой дискретной единицей является одна аминокислота, то в случае нуклеиновых кислот это не один нуклеотид, а три последовательных - и вот это уже напрямую связано с характером генетического кода (т.е. с тем, как работает рибосома). При биосинтезе белка каждая аминокислота добавляется к растущей полипептидной цепи целиком, а не поатомно - вот это и имеется в виду, когда говорят о "дискретности". Иными словами, нельзя представить себе белок, состоящий, например, из 200 с половиной аминокислот - и такая ситуация, мне кажется, вполне адекватно описывается словом "дискретность", разве нет?

Но при этом все реакции, протекающие в клетке, в том числе и процесс трансляции (биосинтеза белка), описываются все теми же аналоговыми уравнениями химической кинетики, о которых шла речь в начале комментария.

На мой взгляд, интересные вопросы, связанные с генетическим кодом, совсем другие, а именно: почему такая-то аминокислота кодируется именно таким триплетом, а не другим? Почему некоторые аминокислоты (а именно, метионин и триптофан) кодируются каждая только одним-единственным триплетом, а другие (аргинин) - аж целыми шестью? Насколько я знаю, считается, что все это - просто исторические (эволюционные) случайности, но, может быть, тут есть и какие-то закономерности?

[yoginka.livejournal.com]

Ну, теперь уже близко к тому, что я имела в виду.
//Дискретность же вытекает просто из того, что все главные "молекулы жизни" - полимеры//
- В конце концов, все состоит из молекул, атомов, а глубже - электронов, кварков т.д. :)
Суть же того, что я пыталась сказать, в том, что "сама программа" базируется на том, что Вы здесь назвали "аналоговыми уравнениями химической кинетики" и других подобных физико-химических процессах. А ДНК - один из параметров настройки этих процессов: с другой ДНК процессы идут несколько иначе. Иными словами, генетический код - не "сама программа". А "сама программа" умеет "переваривать" широкий диапазон своих параметров, и эта одна из причин, почему мутации в генетическом коде не ломают сразу все. Более того, в "самой программе" даже предусмотрены механизмы починки мутаций.
//На мой взгляд, интересные вопросы, связанные с генетическим кодом ...//
- Все это безусловно интересные вопросы. Но на мой взгляд, самый интересный все-таки вопрос, сводится ли полностью "сама программа" к физико-химическим законам ("аналоговыми уравнениями химической кинетики" Вашими словами) или что-то дополнительно нужно привлекать.

[egovoru.livejournal.com]

"В конце концов, все состоит из молекул, атомов, а глубже - электронов, кварков т.д."

Как я уже написала выше, белок не может состоять из Х с половиной аминокислот (а ДНК - из Y с половиной нуклеотидов), что и позволяет при обсуждении механизмов наследственности рассматривать аминокислоты и нуклеотиды как дискретные (неделимые) единицы. То, что сами аминокислоты состоят из атомов, а те - из электронов и нуклонов и т.д., не имеет значения на таком уровне рассмотрения.

"сводится ли полностью "сама программа" к физико-химическим законам ("аналоговыми уравнениями химической кинетики" Вашими словами) или что-то дополнительно нужно привлекать"

Если понимать этот вопрос так: проявляются ли в биологических системах какие-то другие типы физических взаимодействий, кроме четырех известных, то ответ на него отрицательный. Если же понимать его так: отличает ли что-то живые организмы от неживых систем, то ответ на него положительный. Мы не знаем никаких других физических систем, способных к самовоспроизведению и дарвиновской эволюции, кроме живых организмов. (Сразу приходящие на ум мемы, компьютерные вирусы и т.д. не в счет: это не физические системы).

[egovoru.livejournal.com]

Еще, наверное, вот какой момент не до конца понятен широкой публике: не мутантов не существует: мы все отличаемся друг от друга во многих позициях нашего генома. Эти "горизонтальные" различия обычно называют "полиморфизмами", но эта терминология только запутывает. Полиморфизмы - это то же самое, что и мутации (которыми обычно называют "вертикальные" генетические изменения: то есть, изменения в потомстве, отличающие его от родителей и не являющиеся результатом рекомбинации родительских генов). Из наличия вездесущих полиморфизмов немедленно следует, что большинство мутаций никак не может быть летальными: если бы это было так, большинство из нас помирало бы сразу после рождения :(

[yoginka.livejournal.com]

Это все подкрепляет версию о параметрах настройки.