Orice student în IT ( tehnologia informației ) o știe foarte bine: pentru ca un computer să dobândească o nouă funcție sau capacitate, are nevoie de inserarea unui nou cod, un nou software, adică informație nouă. Același lucru este valabil și în domeniul biologiei: ca să „construiești” o nouă formă de viață dintr-una veche este nevoie de nouă informație adițională. Articolele următoare din serialul meu vor încerca să caute mecanismul sau procesul natural care stă la baza apariției a noi forme de viață în Cambrian. Este oare selecția naturală ( SN ) răspunzătoare pentru acest lucru?
Așa cum Darwin a întrezărit acest proces, SN nu poate să facă nimic fără un stoc preexistent de variații genetice, care slujește drept sursă a unor noi trăsături, forme și structuri biologice. Doar după ce noi variații stabile apar în primul rând, poate SN să le cearnă din pleava variațiilor nefolositoare. Dacă însă volumul de variație genetică care este la dispoziția SN este limitat, atunci SN va întâlni la rândul ei limite în a forma structuri biologice noi. Acest lucru era cunoscut încă din timpul lui Darwin, lucru care a condus darwinismul clasic spre o perioadă de eclipsă între 1870-1920, deoarece savanții nu reușeau să explice pe deplin originea și transmiterea variațiilor noi moștenite.
Darwin favoriza teoria eredității prin amestec : doi părinți cu trăsături diferite ( un mascul cu pene roșii și o femelă cu pene albe ) vor da naștere unor urmași cu o trăsătură de compromis ( pene roz ). În anii 1860 s-a întâmplat însă ceva care avea să schimbe în totalitate această concepție darwinistă . Călugărul austriac Gregor Mendel, privit de mulți ca părintele fondator al geneticii moderne, a arătat în mod categoric că presupunerile lui Darwin erau greșite.
Încrucișând polenul de mazăre verde cu cel de mazăre galbenă Mendel a obținut în generația următoare ori mazăre galbenă, ori mazăre verde, dar nimic de o altă culoare intermediară între galben și verde. Acest rezultat precum și altele din munca lui Mendel au devenit cunoscute ca legile mendeliene ale eredității. Aceste legi au înlocuit ipoteza eredității prin amestec darwiniste și au sugerat totodată că există anumite limitări a volumului de variabilitate genetică cu care SN poate să lucreze. Dacă altoirea mazării a produs ori urmași verzi ori urmași galbeni, dar nicio formă intermediară, și dacă semnalele pentru a produce trăsături galbene sau verzi persistă neschimbate din generație în generație, era dificil de văzut cum ar putea reproducerea și recombinația genetică să producă ceva mai mult decât combinații unice ale unor trăsături deja existente.
În anii imediat următori, oamenii de știință au înțeles că genele erau pachete de informație ereditară care ar putea fi independent sortate și amestecate în cromozom. Asta a sugerat de asemenea că un volum important, dar totuși strict limitat, de variație genetică ar putea apare ca urmare a reproducerii sexuale. Genetica mendeliană a pus problema dacă SN are acces la suficientă variație ( care după Mendel a fost concepută ca variație genetică ) pentru a-i permite să producă orice noutate morfologică semnificativă. Pentru un timp, darwinismul avea să cunoască o perioadă de eclipsă.
Darwinismul mutează
Cu toate acestea, între anii 1920 și 1940 ideea că SN este cauza principală a schimbărilor evolutive avea să reînvie. Experimentele lui Hermann Muller în 1927 au arătat că razele X puteau să modifice compoziția genetică a musculițelor de oțet, rezultând în variații neobișnuite. Muller a numit aceste schimbări genetice induse de razele X drept „mutații”. De asemenea, și alți savanți au raportat că reușiseră să producă mutații în genele altor organisme, inclusiv la om. Din orice ar fi fost făcute genele ( și atunci încă nu se știa acest lucru ), se întrezărea totuși faptul că ele puteau să varieze mai mult decât propuseseră Darwin sau Mendel. Nu numai atât, dar aceste gene puteau fi și moștenite, făcând astfel ca SN să avantajeze anumite variații de gene și să elimine altele, determinând astfel parcursul viitor al evoluției organismului respectiv.
Descoperirea mutațiilor genetice propunea așadar o cale de împăcare a teoriei evoluției darwiniste cu genetica mendeliană. Între 1930 și 1940 biologi precum Sewall Wright, Ernst Mayr, Theodosius Dobzhansky și J.B.S. Haldane au folosit modele matematice pentru a arăta că variații genetice la scară mică și mutații s-ar putea acumula în timp în populații întregi, producând eventual schimbări morfologice la scară mare. Aceste modele matematice au format baza unei subdiscipline a geneticii, numită genetica populațiilor. Sinteza generală a geneticii mendeliene împreună cu teoria darwinistă a devenit o nouă sinteză numită „neo-Darwinism”. Potrivit acestei noi sinteze, mecanismul selecției naturale acționând asupra mutațiilor genetice este suficient pentru a explica originea formelor noi de viață. Schimbări la scară mică „microevoluționare” se pot acumula și produce în timp inovații la scară mare, macroevoluționare. În 1959, la centenarul apariției cărții „Originea Speciilor ” a lui Darwin, era larg admis faptul că selecția naturală și mutațiile random puteau forma într-adevăr noi forme de viață cu structuri anatomice noi.
Variația ca informație
Inițial, descoperirea structurii ADN-ului de către James Watson și Francis Crick în 1953 a contribuit la această euforie: ADN-ul stochează informație genetică printr-un cod chimic format din 4 caractere ( A, G, T,C: adenină, guanină, timină, citozină). Aceste subunități chimice de-a lungul coloanei vertebrale a moleculei ADN, numite baze nucleotide, funcționează la fel ca literele de alfabet dintr-un limbaj scris sau caracterele digitale dintr-un cod informatic. Precisa aranjare a acestor nucleotide transmite instrucțiuni pentru formarea proteinelor.
Darwiniștii susținuseră mult timp că selecția naturală produce noi forme de viață separând grâul de pleava variației genetice, dar nu știuseră unde poate fi găsit materialul brut pentru toate aceste variații genetice și unde au loc deci mutațiile. Descoperirea lui Watson și Crick dădea răspuns acum acestor întrebări: genele sunt lungi secvențe de baze pe o coardă de ADN. Biologii au propus imediat că noi variații apar din recombinarea diferitelor secțiuni de ADN ( diferite gene ) în timpul reproducerii sexuale, și de asemenea din niște forme speciale de variații numite mutații care apar aleatoriu din aranjarea bazelor nucleotide din ADN. După cum câteva erori tipografice dintr-o propoziție poate schimba sensul unor cuvinte sau chiar al propoziției ca întreg, tot la fel o schimbare minoră a secvenței de baze nucleotide din textul genetic al ADN-ului poate produce noi proteine sau trăsături morfologice noi. E adevărat, recunoaște Meyer, mutațiile joacă un rol important în acest proces. Dar pot ele să genereze suficientă informație pentru a produce acele noi forme de viață animală care apar în perioada Cambriană, o vastă proliferare a informației biologice noi?
Explozia de informație din Cambrian
Despre ce fel de explozie de informație genetică este vorba? Un mod de a compara gradele de complexitate între animale este să stabilești numărul de tipuri de celule ale respectivelor animale. Deși o celulă eucariotă ( choanoflagellates- un animal unicelular cu un flagellum ) are multe structuri interne complexe, cum ar fi nucleul sau mitocondria, ea reprezintă totuși un singur tip de celule. Animale mult mai complexe funcțional trebuie să dispună de mai multe tipuri de celule pentru a-și desfășura activitatea. Artropodele sau moluștele, de pildă, au zeci de țesuturi și organe specifice, fiecare din ele necesitând tipuri de celule specializate („funcțional dedicate”, cum le numește Meyer ). Aceste noi tipuri de celule, la rândul lor, au nevoie de multe tipuri noi de proteine specializate. A dispune de noi tipuri de proteine înseamnă că ai nevoie de instrucțiuni de asamblare noi a acestor proteine - adică nouă informație genetică. Astfel, o creștere a tipului de celule într-un organism implică o creștere a nivelului de informație genetică.
1.Choanoflagellate: 1 tip de celule
2. Bureți de mare: 5 tipuri de celule
3. Cnidarians : 10
4. Viermi lați : 20
5. Echinoderme : 40
6. Artropode : 50
7. Cordate : 60
Având în vedere tabelul de mai sus ne putem face o imagine despre dimensiunile „exploziei” de informație genetică nouă care apare în Cambrian. Timp de 3 miliarde de ani lumea vie era reprezentată doar de organisme unicelulare precum bacteriile sau algele. Apoi, începând cu Ediacaranul târziu (570-555 milioane de ani în urmă ), apar în straturile geologice primele animale multicelulare, precum bureții de mare, cu 5-10 tipuri de celule diferite. Ediacaranul în sine reprezintă o explozie de viață fără precedent. După alți 40 de milioane de ani se produce explozia cambriană. Oceanul planetar începe deodată să fie plin de animale precum trilobiți sau anomalocaridids care necesită 50- 60 de tipuri de celule diferite, un salt și mai mare în complexitate genetică.
Un alt mod de a estima volumul de informație genetică nouă care apare odată cu animalele din Cambrian este să măsori mărimea genomului unor animale reprezentative din Cambrian și să o compari cu volumul de informație din forme mai simple de viață:
1. Organism unicelular simplu: 318.000 - 562.000 baze pereche de ADN
2. Organism celular complex: aprox 1 milion baze pereche ADN
3. Un artropod modern, Drosophila melanogaster: 140 milioane de baze ADN.
Așadar, tranziția organisme unicelulare - colonii de celule - animale complexe reprezintă o creștere semnificativă a informației genetice. Problema pusă de Cambrian este că această creștere enormă nu este gradată, așa cum s-ar fi așteptat darwinismul clasic, ci abruptă în timp. Toate animalele multicelulare apar deodată, în decursul a doar 20-25 milioane de ani, ceea ce în timp geologic adânc reprezintă cam 5 minute din 24 ore. Cărui fenomen se datorează această subită apariție a atâtor animale noi pe scena vieții?
Informația biologică: Shanon sau alta?
Savanții recunosc cel puțin două feluri de informație: funcțională ( care face sens ) și informație Shanon, care nu trebuie musai să aibă un sens. Cel care a elaborat teoria informației este Claude Shanon, în anii 1940. Teoria Shanon cuantifică legătura intuitivă dintre incertitudine redusă și informație, susținând următorul lucru: cu cât un eveniment sau o comunicare elimină mai multă incertitudine, cu atât mai multă informație este transmisă. În teoria sa, prezența unei litere din alfabetul englez într-o secvență de alte asemenea litere transmite mai multă informație decât o cifră ( 0 sau 1 ) dintr-un cod digital. De ce? Pentru că litera din alfabetul englez reduce incertitudinea între 26 de posibilități, pe când o cifră dintr-un sistem binar reduce incertitudinea doar dintre 2 variante ( 0 sau 1 ). Probabilitatea oricărui caracter din alfabetul englez de a apărea într-o secvență de asemenea caractere ( neținând cont acum de spații sau punctuație ) este de 1 la 26. În schimb, probabilitatea unui 0 sau unui 1 de a apărea într-o secvență de caractere binare este 1 la 2. În cadrul teoriei Shanon, prezența unui caracter mai improbabil transmite mai multă informație.
De asemenea, improbabilitatea oricărei secvențe specifice de caractere crește exponențial cu numărul caracterelor din acea secvență. Astfel, secvențe mai lungi pot genera o cantitate mai mare de informație chiar folosindu-se de un alfabet simplu binar. Informaticienii pot măsura astfel de creșteri ale volumului de informație printr-o unitate numită bit. Bit-ul reprezintă cantitatea minimă de informație ce poate fi transmisă ( sau incertitudine redusă ) de un singur digit într-un alfabet binar ( 0111000011110110…) ADN-ul transmite informație, în sensul Shanon, prin faptul că deține o secvență lungă de 4 chimicale ( A, T,G, C). Aceste nucleotide funcționează ca niște caractere alfabetice sau digitale într-o matrice liniară. Din moment ce fiecare din cele patru baze are o șansă de 1 la 4 ca să apară de-a lungul coardei ADN, biologii pot calcula probabilitatea ( deci informație Shanon ) capacității purtătoare de informație a oricărei secvențe lungă de n baze. De exemplu, orice secvență lungă de 3 baze are o posibilitate de o șansă în 4x4x4, sau altfel spus o șansă din 64 ca să apară ( 6 biți de informație Shanon ). Într-adevăr, fiecare bază dintr-o secvență ADN transmite 2 biți de informație, de vreme ce 1 din 4 este egal cu o șansă din 2 x 2.
Dar poate fi informația Shanon aplicată în totalitate în biologia moleculară? Ce fel de tip de informație posedă ADN-ul? Deși teoria Shanon măsoară cantitatea de informație dintr-o secvență de simboluri sau caractere ( sau chimicale funcționând ca atare ), ea nu distinge o secvență funcțională de o bolboroseală fără rost. De exemplu:
„ we hold these truths to be self-evident ”
„ kdsdfșănadnqin sdfskdf kditqaz sdkm ”
Aceste două secvențe de caractere conțin aceeași cantitate de informație Shanon. Cu toate acestea, una din ele are o importanță calitativă pe care măsurarea Shanon nu o poate detecta: prima secvență este un enunț care produce o funcție de comunicare ( cu sens ), în timp ce a doua nu. Corzile de ADN au capacitate purtătoare de informație - ceva ce informația Shanon poate măsura. Numai că ADN-ul, la fel ca orice limbaj natural sau cod de computer, conține și informație funcțională. Ce înseamnă asta?
În engleză sau orice altă limbă, literele aranjate într-o anumită ordine specifică transmit informație funcțională unor agenți conștienți. Într-un computer, caractere aranjate specific ( 0 și 1 ) ale unui software produc rezultate funcționale fără existența unui agent conștient care să primească sensul codului respectiv. În același fel, ADN-ul stochează și transmite informație funcțională pentru formarea de proteine sau molecule ARN, chiar dacă această informație nu e primită de un agent conștient. Dar la fel ca într-un cod de computer, aranjarea precisă a caracterelor ( sau a chimicalelor funcționând ca niște caractere ) permite secvenței respective să producă un efect specific. Ca urmare, ADN-ul conține nu numai informație Shanon, ci și informație funcțională, denumită de Meyer și „specifică”. Sau în cuvintele lui Francis Crick însuși:
„ By information I mean the specification of the amino acid sequence in protein. Information means here the precise determination of sequence, either of bases in the nucleic acid or on amino acid residues of the protein” Crick, On Protein Synthesis, 144, 153.
Așadar, dacă pentru a „produce” animalele care apar în Cambrian se necesită vaste cantități de informație specifică sau funcțională, ce a produs această explozie de informație? Este plauzibil să crezi că selecția naturală care lucrează cu mutațiile aleatorii din ADN ar putea produce acele aranjamente specifice de baze care generează noi proteine, noi tipuri de celule și prin asta noi forme de viață? Vom vedea în episodul următor cu ce inflație combinatorie avem de-a face atunci când vorbim despre mutații aleatorii care „creează” secvențe de aminoacizi noi și proteine funcționale noi.
( va urma )
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu