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

[a-gorb.livejournal.com]

Я думаю, что вероятность конкретной мутации рассчитать в принципе можно. Как я уже писал, период полураспада или период жизни возбужденного состояния расчету поддаются. И, да, это сравнительно простые системы. Конечно, ДНК и что с ней связано, неизмеримо сложнее. Сейчас нельзя, но сейчас можно рассчитывать такое, что не пришло бы в голову еще лет 10-15 назад. Прогресс в этом деле тут плохо предсказуем, так же как эволюция:) В настоящее время, по крайней мере. Вот сделаем квантовые компьютеры:) Вот вам пример из другой области – раньше всякие аэродинамические расчеты были крайне сложны, все приходилось продувать в аэродинамических трубах, сейчас в значительной мере исследования можно проводить расчетом. Или другой пример, из моей собственной практики. Раньше я для расчета всяких статистических закономерностей движения электронов использовал уравнения статистической физики, в которых в неком приближении выполнены уже всякие необходимые усреднения, найдены математическими методами вероятности и т.п. Сейчас мне проще «запустить» в компьютере несколько сот миллионов электронов и непосредственно наблюдать за их движением.

Не уверен, что экспериментальная исследование вероятности мутаций потребует так уж много времени, как сама эволюция. Все-таки эволюция – это мутации плюс их отбор. Отбор может быть очень, очень медленным.

[egovoru.livejournal.com]

"вероятность конкретной мутации рассчитать в принципе можно"

В принципе-то, наверное, можно рассчитать и следующее состояние Вселенной, зная ее нынешнее состояние, но вопрос в том, что нам для этого нужно? Вы, конечно, правы, что прогресс в этой области есть, но он достаточно медленный. Я слышала, например, что сейчас уже очень хорошо умеют модифицировать белки (внося в них мутации) так, чтобы заставить их связываться с определенными низкомолекулярными лигандами, но это ведь только капля в море того, что нам хотелось бы уметь :)

"Все-таки эволюция – это мутации плюс их отбор. Отбор может быть очень, очень медленным"

Абсолютная скорость эволюции напрямую зависит от длительности жизненного цикла организма (т.е., сколько времени ему нужно, чтобы оставить потомство). У слона это время, конечно, много больше, чем у бактерии. Ну и, конечно, она зависит от степени давления отбора: то есть, от того, насколько жестко отбраковываются варианты: чем жестче, тем быстрее отбор.

А в том методе экспериментального определения вероятности мутаций, который я описала в посте, есть один серьезный подвох: неизвестно, сколько времени нужно ждать, чтобы выявить все возможные мутации, ведь некоторые генетические изменения происходят очень, очень редко, так что в идеале, чтобы оределить их вероятность (частоту), нам нужно ждать бесконечное время :)

[a-gorb.livejournal.com]

”что прогресс в этой области есть, но он достаточно медленный. …. это ведь только капля в море того, что нам хотелось бы уметь :)”
Вот видите, я считаю прогресс быстрым, а вы медленным. Но со второй частью я полностью согласен – это капля в море. Мне то же приходится экспериментировать, т.к. очень многие вещи я (не только я лично, но и никто другой) рассчитать не в состоянии. Более того, очень многие параметры, которые я хотел бы знать (например, скорости некоторых важных для меня химических реакций), я не знаю даже как определить в эксперименте. Поэтому часто я не знаю настолько много, что экспериментировать приходится «методом тыка»:)

[egovoru.livejournal.com]

"очень многие вещи я (не только я лично, но и никто другой) рассчитать не в состоянии"

Мне кажется, тут существенно различать принципиальную непредсказуемость и практическую. Изотермическое повышение давление газа при уменьшении его объема вполне можно рассчитать, исходя из больцмановской молекулярной механики, но, конечно, на практике никто этого не делает, а пользуются законом Бойля-Мариотта.

Если бы мы знали все то, что я перечислила в посте, и обладали неограниченным запасом вычислительных ресурсов, я не вижу никаких препятствий к тому, чтобы мы смогли рассчитать вероятностную картину исхода эволюции, подобно тому, как мы можем рассчитать вероятностную картину распада радиоактивного ядра. Другое дело, что на практике это совершенно нереально, и, судя по Вашим словам, это так же нереально и в тех процессах, которые Вы изучаете.