fredag 13 februari 2009

Livets uppkomst – fortfarande en gåta!

Att livet inte har någon högre mening är idag en idé med stort inflytande i Västvärlden, där man tror att livet har skapats och utvecklats via "slumpmässiga genetiska mutationer" och "naturligt urval". Denna idé var också ledstjärna för Dr. John C. Sanford, då han under 25 år verkade som professor i genetik på Cornell University i USA. Sent i sin akademiska karriär, och under mycken vånda, skulle han dock komma att ifrågasätta denna idé, vilket tvingade honom att ompröva allt han tidigare trott på. Resultatet av denna omprövning är en fascinerande bok, "Genetic Entropy & The Mystery of the Genome" (ISBN 1-59919-002-8)(10). Boken skulle komma att öppna upp ett helt nytt fönster för kritik av evolutionsteorin och är viktig läsning för dem som är genuint intresserade av utvecklingen på jorden.

Den genetiska koden

Den genetiska koden anses av biologer vara organismens instruktionsmanual för sin egen utveckling. Instruktionen har formen av en lång unik kombination av endast fyra olika nukleotider: adenin, guanin, cytosin och thymin. Den mänskliga genetiska koden innehåller 6 miljarder sådana kombinerade nukleotider, vilket kan jämföras med bokstäverna i en text eller 'ettor och nollor' inom datatekniken (14). På samma sätt, som vanlig skriven text omvandlas till 'ettor och nollor' i datorn, får man föreställa sig att den unika kombinationen av de fyra olika 'tecknen' (=informationen) i DNAt är som en meningsfull text omvandlad till digitalt format. Till sin omfattning kan det jämföras med 3 miljoner boksidor, à 2.000 tecken vardera, eller ett bibliotek med 10.000 böcker à 300 sidor. Möjligtvis är informationsinnehållet dock ännu större eftersom man funnit att avläsningen av DNAts tecken inte bara sker lineärt på ett enda sätt utan besynnerligt nog på många, och ända upp till tolv olika, samtidiga sätt (1).

Man frågar sig hur naturen lyckats med konststycket att lagra och komprimera denna enorma (och 3 meter långa) DNA-information i den ytterst lilla volym, som en cellkärna utgör (14). Det finns mycket annat att förundras över. Den grundläggande frågan är naturligtvis hur denna information ursprungligen skapats. Den standardförklaring som ges för all evolution är, att den genetiska koden har utvecklas genom gynnsamma slumpvisa mutationer, som bevaras genom naturligt urval. För att åter använda bokanalogin så påstås instruktionsmanualen således ha utvecklats genom successiva, ackumulerade tryckfel. Det finns anledning att ställa sig tveksam till en sådan förklaring.

Olika typer av mutationer

Det finns stora och små mutationer. De stora, s.k.makromutationerna, berör samtidigt mellan ett tusen och en miljon nukleotider (10), vilket kan jämföras med upptill 500 sidor i vår bokanalogi. De är ovanliga och genom sin omfattning leder de oftast till att individen blir svårt sjuk eller dör omedelbart. Defekterna förs inte vidare till nästa generation och är således på sätt och vis självbegränsande ur ett evolutionärt perspektiv(10). Sådana förändringar bekräftar riktigheten i evolutionsteorins tes: "survival of the fittest". I andra ändan av spektrat har man mutationer som bara berör förändring av en enda nukleotid, s.k. punktmutationer. De är allra vanligast och 25 gånger vanligare än makromutationer (2). I motsats till makromutationen är punktmutationen väldigt subtil och leder därför oftast inte till att någon muterad individ dör eller hindras att föra sin mutation vidare till nästa generation (15,16). Det kan jämföras med ett enkelt stavfel i en boktext. Ett sådant har ju ingen betydelse för informationsöverföringen, såvida det inte drabbar mycket känsliga delar av informationen.

Mutationsfrekvensen mycket hög

Det är självklart inte bra om mutationerna är många och ackumuleras. Det potentiellt farliga med punktmutationer är att en fortgående ackumulering av många sådana så småningom gör DNA-informationen omöjlig att tolka. På 1950-talet började därför populationsgenetiker försöka beräkna hur många skadliga mutationer som kontinuerligt skulle kunna selekteras bort genom enskilda individers död eller utebliven reproduktion, utan att livskraften hos den mänskliga populationen minskade. Som absolut övre gräns angav man initialt en mutation per var tredje människa, baserat på barnafödandet 3 barn på 2 vuxna (3). Eftersom det finns andra dödsorsaker än genetisk "un-fitness", t.ex. olyckor, infektioner, så justerades denna siffra senare nedåt till 0,12 - 0,36 per person och generation (4). Genom jämförelser med s.k. pseudogener har man idag påvisat att den faktiska frekvensen mutationer ligger betydligt högre, 1.000 - 6.000 nukleotider per person och generation. Men endast 100-300 av dessa rör mutationer i reproduktionscellerna (5,6) och skulle kunna ha betydelse, inte bara för individens, utan också för släktets utveckling. Frågan är då om dessa kan selekteras bort med hjälp av naturligt urval.


Det genetiska arvets betydelse för överlevnaden överdriven

I likhet med den enskilda punktmutationen är effekten av 100-300 spridda punktmutationer hos varje individ ytterst subtil, berör mindre än en tiomiljondel av genomet och kommer i allmänhet aldrig till uttryck i ökad dödlighet eller minskad reproduktion. Mooto Kimura, en inflytelserik japansk populationsgenetiker, utvecklade 1968 en teori för att förklara detta:"the neutral theory of molecular evolution". Kimura var inte bara en framstående biolog utan också en erkänt duktig matematiker och kunde visa att endast 4 promille av den fenotypiska variationen beror på en rent ärftlig genetisk variation (7, 12, 13). För sina forskningsinsatser belönades han 1992 med 'The Darwin Medal' från The Royal Society. Förklaringen till denna låga siffra, anser han, är att så mycket som hälften av en organisms reella överlevnadsduglighet beror på miljön. En del sädesfrön hamnar på fuktig, fertil mark utan ogräs, medan merparten kommer att spridas ut på mark som inte är optimal, kanske för torrt eller för vått, för mycket skugga eller för mycket ogräs etc. Detta kan jämföras med hur en persons fysiska välbefinnande i mycket stor utsträckning beror på fullgod näring och möjligheter till styrkande aktivitet (i naturen och/eller på gym). En ytterligare fjärdedel av överlevnadsdugligheten anses spegla samspelet arv/miljö; Alla växter skall t.ex. inte ha samma mängd vatten liksom vissa individer inte tål viss mat eller kan fara illa av för hård träning. En knapp sista fjärdedel, slutligen, anses bero på en icke-ärftlig genetisk variation. Detta kan låta som en självmotsägelse. Men en stor del av den genetiska variationen beror på faktorer som inte överförs konsekvent från generation till generation, t.ex epigenetiska, epistatiska m. fl. faktorer.


"Survival of the luckiest"
Det finns ytterligare andra faktorer som varken har att göra med ärftlighet eller bestående miljöbetingelser utan rör sig om rena tillfälligheter. Om t.ex. en val sväljer hälften av ett stort räkstim i en enda munsbit eller hälften av de lagda grodäggen äts upp av fiskar eller fåglar alternativt förstörs på annat sätt, så är det väldigt svårt att hävda att den andra hälftens överlevnad är ett tecken på 'survival of the fittest'. Många skulle säkert hävda att det här rör sig om 'survival of the luckiest'. Exemplen kan mångfaldigas.
Men även om nu detta "brus" på > 99,6 % elimineras och utvecklingen av alla organismer istället skedde under totalt kontrollerade former - så skulle detta ändå inte ha någon betydelse. Varför det? Jo, därför att punktmutationerna finns i lika stor mängd hos samtliga individer. Det hjälper därför inte upp situationen att några individer selekteras bort. Mutationerna kvarstår hos övriga,100-300 per person och generation och måste med nödvändighet ackumuleras hos dessa (11).
"Skräp-DNA" - inte skräp

Man har funnit att endast c:a 1-2 % av genomet kodar för bildning av proteiner. På grund av fokuseringen på denna genernas proteinkodande funktion, som tidigare var den enda funktion man kände till, trodde man länge att övriga delar av genomet utgjordes av informationslöst "skräp-DNA". Om mutationerna i 98 % av fallen drabbade informationslösa delar så skulle ju inte heller mutationerna ha någon effekt utan vara helt "neutrala", resonerade man. Men vi vet nu att förutom DNA-ets proteinkodande funktion så används mycket större del av DNA för att kontrollera proteinerna. Man har t.ex. nyligen funnit att hälften av DNAt faktiskt kopieras till RNA (9), utöver det messenger-RNA (1-2 %) som kodar för proteinbildning. Det finns mycket som tyder på att en organism faktiskt är mer komplex ju mer "skräp-DNA" genomet innehåller (8). På endast några år har därför uppfattningen om mängden "skräp DNA" minskat från 98 % till 70 %. Det finns kanske anledning att förvänta sig att större delen av genomet är funktionellt, fastän vi idag ännu inte klarlagt alla dess funktioner. Detta skulle i så fall innebära att de allra flesta mutationer skadar informationsöverföringen - i alla fall i det långa loppet.


Misslyckade mutationsexperiment

Under en tid försökte man experimentellt utnyttja den förändring, som en mutation kunde åstadkomma. Miljoner växter utsattes för experiment med mutagen strålning och mutagena kemikalier och man åstadkom många miljarder mutationer. Resultatet blev massor av sterila, sjuka, deformerade och avvikande växter men aldrig någon gynnsam mutation (10). Experimenten blev således enorma misslyckanden och övergavs nästan helt. Samma vetenskapsmän, som utförde dessa experiment, blev sedan ytterligt framgångsrika när de övergav mutationsvarianten och koncentrerade sig på förädling på basen av naturlig variation (10). Denna variation är inte precis blygsam. Som exempel kan man räkna ut att två föräldrar, med en enkel uppsättning om 23 kromosomer i könscellerna vardera, teoretiskt kan få 2 upphöjt till 46, dvs. drygt 70 miljoner miljoner, genetiskt olika barn - på naturligt sätt.


"Gynnsamma" mutationer extremt sällsynta - om de överhuvudtaget finns

Man tror idag att gynnsamma mutationer är ett tusen till en miljon gånger sällsyntare än skadliga sådana (17), om de överhuvudtaget finns (18,19). Men om de finns, så anses även dessa ha så subtil effekt, att de inte kan bli föremål för ett urval (15). Det har t.ex. under de senaste hundra åren inte publicerats ett enda exempel på informationsskapande mutation i den vetenskapliga litteraturen. En nutida sökning på "mutation" via Biological Abstracts och Medline gav 453.762 träffar varav 186 (0,04 %) nämnde ordet gynnsam, men då endast i mycket snäv bemärkelse, där det genomgående rörde sig om förlust av information (20). Att t.ex. alarmet på bilen gått sönder kan naturligtvis ibland upplevas som en gynnsam förändring, men är icke desto mindre en förlust av funktion (information). Inte heller antibiotikaresistens är en bestående gynnsam egenskap. Sådana bakterier förlorar cellfunktioner och går under i konkurrensen med andra bakterier så fort antibiotikatrycket på dessa andra bakterier upphör (10).
Även om det vore möjligt så är det inte sannolikt att små eller stora mutationer har en gynnsam effekt. Stavfel i en bok förbättrar aldrig informationen. Ännu orimligare är det att tänka sig att stora DNA-avsnitt, likvärdigt med upptill 500 boksidor, av en ren slump skulle få ett gynnsamt informationsinnehåll. Man kan ju inte skriva en bok med hjälp av en slumpgenerator. Till detta behövs en författare. Inte ens datavirus tillkommer av en slump.
Men även om en gynnsam punktmutation någon gång skulle uppträda, så har vi samma problem som tidigare. Det har då samtidigt inträffat en miljon gånger fler skadliga punktmutationer. Dessa har inte selekterats bort, utan ackumulerats inom hela populationen generation efter generation (11), och kommer att långsamt förstöra informationen. Allt detta talar emot en möjlig roll för mutationerna i en framåtriktad evolution.


Sture Blomberg , överläkare, docent i anestesi och intensivvård

Referenser:

1. Trifonov EN. "The multiple codes for nucleotide sequences." Bull Math Biol. 1989; 51(4):417-32.
2. Kondrashov AS. "Direct estimate of human per nucleotide mutation rates at 20 loci causing Mendelian diseases." Human Mutation 2002; 21:12-27.
3. Muller, HJ "Our load of mutations." Amer. J Human Genetics 1950;2:111-176.
4. Morton, NE, Crow JF, Muller HJ, "An estimate of the mutational damage in man from data on consanguineous marriages." PNAS 1956;42:855-863.
5. Kondrashov AS. "Direct estimate of human per nucleotide mutation rates at 20 loci causing Mendelian diseases." Human Mutation 2002; 21:12-27.
6. Nachman MW and Crowell SL "Estimate of the mutation rate per nucleotide in humans". Genetics 2000;156:297-304.
7. Kimura, M "Neutral Theory of Molecular Evolution" Cambridge Univ.Press, NY,NY. 1983 (p.26, pp 30-31.
8. Taft, RJ and Mattick, JS "Increasing biological complexity is positively correlated with the relative genome-wide expansion of non-protein-coding DNA sequences." Genome Biology 2003;5(1):P1.
9. Johnson JM et al. "Dark matter in the genome: evidence of widespread transcription detected by microarray tilling experiments." Trends in Genetics 2005;21:93-102.
10. Sanford, JC. "Genetic Entropy & the Mystery of the Genome".Elim Publishing, Lima, New York, 2005.
11. Kondrashov AS. "Contamination of the genome by very slightly deleterious mutations: why have we not died 100 times over ?" J Theor Biol 1995 Aug 21; 175(4):583-94.
12. Kimura M "Evolutionary rate at the molecular level." Nature 1968; 217: 624-626.
13. Kimura M and Ohta T. "Theoretical Aspects of Population Genetics." Princeton University Press, Princeton, NJ, 1971, pp 26-31, p 53.
14. Brändén, H. "Molekylärbiologi" Studentlitteratur AB 2003.
15. Kimura M. "Model of effective neutral mutations in which selective constraints is incorporated. PNAS 1979; 76: 3440-3444.
16. Muller, HJ. "The relation of recombination to mutational advance." Mutation Research 1964; 1: 2-9.
17. Gerrish, PJ and Lenski, R. "The fate of competing beneficial mutations in an asexual population." Genetica 1998; 102/103: 127-144.
18. Bataillon, T. "Estimation of spontaneous genome-wide mutation rate parameters: whither beneficial mutations?" Heredity 2000; 84: 497-501.
19. Elena, SF et al. "Distribution of fitness effects caused by random onsertion mutations in E.coli." Genetica 1998; 102/103: 349-358.
20. Bergman, J. "Research on the deterioration of the genome and Darwinism: why mutations result in degeneration of the genome." Intelligent design Conference, Biola Univerrsity. 2004; April 22-23.