Дайте, что ли, карты в руки погадать на короля

[egovoru]

Сила естествознания – в его предсказательной способности. Уважаемый evgeniirudnyi интересуется, может ли теория Дарвина, в ее современном варианте, предсказывать результаты биологической эволюции? Что ж, давайте посмотрим. Поместим популяцию организмов в некие новые условия. Для простоты предположим, что эти условия не будут меняться за время наших наблюдений – хотя такого, конечно, не бывает, если период наблюдения сколько-нибудь длительный. Что нужно знать, чтобы предсказать, во что наша популяция превратится через такое-то число поколений?

Во-первых, нужно отсеквенировать исходные геномы всех организмов в популяции. В природе нет никакого «дикого типа» – все популяции состоят из разнообразных мутантов. Секвенирование ДНК – относительно несложная техническая задача (см. видео), так что, если наши организмы многоклеточные, мы можем оторвать от них по кусочку и пустить на это дело. А вот если они одноклеточные, придется их клонировать, поскольку нельзя извлечь ДНК из клетки, не убив ее.

Определив таким образом исходный генофонд (с поправкой на возможные мутации, в случае многоклеточных соматические, отличающие то, что мы истратили на секвенирование, от того, что мы пустили на эксперимент), мы должны будем составить список всех возможных мутаций, которые могут произойти за интересующее нас время. Геном, скажем, кишечной палочки состоит примерно из 5 миллионов пар нуклеотидов. Значит, только замена единичного нуклеотида дает нам четыре в степени 5 миллионов вариантов (для человеческого генома это четыре в степени 6 миллиардов). Но мутации ведь не исчерпываются такими заменами: бывают и делеции, и дупликации, и транслокации целых участков ДНК. Наконец, чужеродная ДНК может приобретаться путем горизонтального переноса от – теоретически – любого другого организма, находящегося поблизости. А раз так, то даже простой подсчет числа возможных генетических вариантов, поставляющих материал для отбора, превращается в нелегкую задачу.

Но это еще полбеды. Разные изменения ДНК происходят, разумеется, с разной вероятностью. Как оценить эту вероятность? Даже для простейших однонуклеотидных замен ее невозможно рассчитать, просто исходя из законов физики – система, включающая ДНК и фермент-полимеразу, слишком сложна для таких расчетов. А значит, нам придется определять вероятность эмпирически: то есть, ждать, пока спонтанно произойдут мутации каждого типа и делить число таких случаев на число репликаций.

Наконец, нужно будет определить выживаемость (и интенсивность размножения) всех полученных вариантов в наших условиях – ясно, что и это можно сделать только эмпирически. Учитывая, что фенотипический эффект каждой конкретной мутации может меняться в зависимости от ее сочетания с другими, нам придется проверять их не только индивидуально, но и во всех возможных комбинациях.

Понятно, проделать все это в какое-то обозримое время совершенно невозможно, поэтому такими предсказаниями никто и не занимается. А что же предсказывают? Например, скорость распространения какой-то конкретной мутации в популяции в зависимости от размера последней или еще от каких-то заданных параметров. Уважаемый uri_ben_cephas подсказал ссылку на отличную главу из книжки, где подробно разбираются принципы подобных расчетов.

Наглядное объяснение принципа секвенирования ДНК

Comments

[egovoru.livejournal.com]

"Сложность организации биосистем в обсуждаемом смысле не сопоставима со статистическими методами описания, использующимися в физике"

Насколько я понимаю, вопрос тут в том, почему именно мы не можем предсказать направление эволюции: просто потому ли, что у нас никогда нет достаточных для этого знаний (и нет технических возможностей эти знания получить), или потому, что в их основе лежат принципиально непредсказуемые квантовые явления?