Filozoficzne Aspekty Genezy
2007/2008, t. 4/5
http://www.nauka-a-religia.uz.zgora.pl/index.php?action=tekst&id=145
Eva Jablonka i Marion J. Lamb
Zmiana genetyczna:
ślepa, ukierunkowana, interpretatywna? *
W roku 1988 amerykański mikrobiolog John Cairns oraz jego
współpracownicy zrzucili na społeczność biologów małą bombę. Od
ponad pięćdziesięciu lat, tj. od zarania syntetycznej teorii ewolucji,
biologowie prawie bez zastrzeżeń akceptowali dogmat, że każda nowa
modyfikacja dziedziczna jest rezultatem przygodnych i losowych
zmian genetycznych. Koncepcję, że nowe zmiany genetyczne muta-
cje mogłyby powstawać szczególnie tam i wtedy, gdzie i kiedy były
potrzebne, odrzucono jako heretycką ideę lamarkizmu. Jednakże w
rzeczywistości dowody przeciwko tej idei były skromne. Częstość po-
wstawania nowych mutacji jest bardzo niska, tak więc samo ich wy-
krycie wymagało wielu poszukiwań wśród olbrzymiej liczby zwierząt
i roślin; rozstrzygnięcie tego, czy mutacje powstają losowo, było w za-
sadzie niemożliwe. Tylko w przypadku bakterii istniały techniki,
umożliwiające względnie prostą analizę dużej liczby organizmów, i to
właśnie one dostarczyły głównych przesłanek za losowością mutacji.
*
Eva JABLONKA and Marion J. LAMB, Genetic Variation: Blind, Directed, Interpretative? ,
rozdział 3 w: Eva JABLONKA and Marion J. LAMB, with illustrations by Anna ZELIGOWSKI, Evolu-
tion in Four Dimensions: Genetic, Epigenetic, Behavioral, and Symbolic Variation in the
History of Life, Life and Mind: Philosophical Issues in Biology and Psychology, The MIT
Press, Cambridge, Massachusetts, London 2005, s. 79-107, http:mitpress.mit.edu/97802626
00699/. Za zgodą Autorek z języka angielskiego przełożył Piotr WOAKOWSKI. Recenzent:
Grzegorz NOWAK, Zakład Biochemii UMCS, Lublin.
2 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
Eksperymenty przeprowadzone w latach 40-tych i 50-tych XX wieku
wykazały, że w przypadku bakterii warunki życiowe nie wywierają
wpływu na powstawanie nowych mutacji.
John Cairns i jego współpracownicy podważyli ten wniosek w
1988 roku. Argumentowali, że we wcześniejsze eksperymenty zinter-
pretowano błędnie. Ich własne eksperymenty sugerowały, że pewne
mutacje u bakterii powstają w odpowiedzi na warunki życiowe i po-
trzeby organizmu. Generowanie mutacji nie jest w związku z tym pro-
cesem całkowicie losowym. Nie pierwszy raz przedstawiano dowody
eksperymentalne, wskazujące na nielosowy charakter mutacji, ale do-
piero autorytet naukowy Johna Cairnsa oraz publikacja odkryć jego
zespołu w Nature, wiodącym brytyjskim czasopiśmie naukowym,
oznaczały, że nie można tego dłużej ignorować. Artykuł w Nature
sprowokował liczne komentarze zarówno w prasie naukowej, jak i po-
pularnej. Ideę nielosowych mutacji postrzegano jako wyzwanie dla
mocno ugruntowanej, neodarwinistycznej teorii ewolucji i mimo że
niektórzy uczeni wskazywali mechanizmy, mogące leżeć u pod-
staw wytwarzania mutacji wymuszonych, inni mieli skrajnie
nieprzychylny stosunek do poglądu, że takie mutacje w ogóle
mogą zachodzić. Przedstawiali oni alternatywne interpretacje
rezultatów eksperymentalnych interpretacje, które nie wyma-
gały przyjęcia, że mutacje tworzą się w odpowiedzi na warunki
środowiskowe. W rezultacie wszystkich tych sporów szybko
zrozumiano, że nie istnieją żadne mocne świadectwa, pozwala-
jące uznać mutacje za zdarzenia losowe. Ale równie oczywisty
był fakt, że w celu uzyskania pewności, iż mutacje powstają, by
sprostać wyzwaniom środowiska, należy przeprowadzić jeszcze
wiele eksperymentów.
Nie zamierzamy dokonywać szczegółowej analizy twierdzeń
przedstawionych w artykule w Nature z 1988 roku, ani kontrargumen-
tów wysuwanych po jego publikacji. Ogólnie rzecz biorąc uważamy,
że obecnie dostępne świadectwa eksperymentalne świadczą o tym, że
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
3
Cairns i jego współpracownicy prawdopodobnie się mylili; nie zaob-
serwowali mutacji, które powstały w bezpośredniej odpowiedzi na
narzucone przez badaczy wyzwania środowiska. Niemniej jednak
wyniki stymulowanych ich artykułem prac oraz dalszych badań mole-
kularnych są istotne, ponieważ w rezultacie przestano postrzegać w
tak uproszczony sposób naturę mutacji i procesów mutacyjnych.
Obecnie istnieją mocne świadectwa eksperymentalne, jak również
przesłanki teoretyczne, by uważać, że powstawanie mutacji oraz inne-
go rodzaju zmian genetycznych nie jest procesem całkowicie nieregu-
lowanym.
W tym rozdziale chcemy przyjrzeć się kwestii pochodzenia zmien-
ności, leżącej u podstaw genetycznego wymiaru ewolucji. Zasadniczo
ma ona dwa zródła: jedno to mutacje, wytwarzające nowe zmiany w
genach; drugie to rozmnażanie płciowe, poprzez które istniejące już
zmiany genetyczne są tasowane, co skutkuje powstawaniem nowych
kombinacji. Zamierzamy skupić się na mutacjach, szczególnie muta-
cjach nielosowych, ale w pierwszej kolejności powiemy coś o zmia-
nach generowanych wskutek rozmnażania płciowego oraz o wpływie
doboru naturalnego na kształtowanie się tego procesu.
Zmiany genetyczne zachodzące w wyniku rozmnażania
płciowego
Rozmnażanie płciowe jest najbardziej oczywistym zródłem zmian
genetycznych. U zwierząt, takich jak my sami, daje ono niezmierzoną
różnorodność, tworząc nowe kombinacje genów pochodzących od ro-
dziców. Z własnego doświadczenia wiemy, jak bardzo dzieci w rodzi-
nie mogą się od siebie różnić. Wiemy też, że koty z jednego miotu
mogą być całkowicie odmienne, nawet w tych rzadkich przypadkach,
kiedy mamy pewność, iż ojciec był jeden. Taka różnorodność, będąca
rezultatem reprodukcji płciowej, pod względem adaptacji nie jest po-
łączona z konkretnym środowiskiem, w którym żyją rodzice. Nie wią-
4 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
że się również ze środowiskiem, w którym potomstwo najprawdopo-
dobniej będzie zamieszkiwało w przyszłości. Nasze dzieci, nawet jeśli
mogą uważać inaczej, nie są automatycznie skuteczniejsze i lepiej od
nas przystosowane do tego świata. Zmienność generowana przez pro-
cesy rozrodu płciowego jest ślepa na funkcjonalność oraz na obecne i
przyszłe potrzeby grupy.
Różnorodność, będąca skutkiem rozmnażania płciowego, ma trzy
zródła. Dwa z nich zostały opisane w pierwszym rozdziale. Pierwszym
zródłem jest zmieszanie genów od dwojga nieidentycznych rodziców,
w rezultacie czego potomek różni się od nich obojga. Drugie, dzięki
któremu potomkowie różnią się między sobą, to rezultat specyficzne-
go rozmieszczenia chromosomów w plemnikach i w komórkach jajo-
wych. U większości zwierząt i roślin prawie wszystkie chromosomy
występują w parach, po jednym egzemplarzu każdego chromosomu od
każdego z rodziców. Podczas mejozy podziału komórki, prowadzą-
cego do powstania gamety liczba chromosomów zmniejsza się o po-
łowę, tak że każdy plemnik lub każda komórka jajowa otrzymują tyl-
ko pojedynczy egzemplarz każdego chromosomu. To, jaki konkretny
zestaw zostaje przekazany, jest kwestią przypadku. Jeśli jakiś orga-
nizm ma cztery chromosomy, dwa egzemplarze chromosomu A i dwa
chromosomu B, które możemy zapisać jako AmApBmBp (gdzie m ozna-
cza, że chromosom dziedziczony jest po matce, p zaś oznacza chromo-
som ojcowski), to możliwe są cztery kombinacje w gamecie: AmBm,
AmBp, ApBm i ApBp. Oczywiście, jeśli par chromosomów jest więcej,
zwiększa się liczba możliwości. W przypadku człowieka, u którego
występują dwadzieścia trzy pary chromosomów, możliwych jest po-
nad 8 milionów różnych kombinacji, tak więc losowe rozmieszczanie
chromosomów podczas wytwarzania plemników i komórek jajowych
generuje dużą różnorodność.
Trzecim zródłem zmian, o którym jak dotąd nie wspomniały-
śmy, jest rekombinacja genów w procesie zwanym crossing-over. W
trakcie mejozy elementy każdej pary chromosomów łączą się i nastę-
puje między nimi wymiana fragmentów. Tym sposobem, jeśli se-
kwencją genów chromosomu Am jest lmmmnmompmqmrmsm, a chromoso-
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
5
mu Ap lpmpnpopppqprpsp, to po zajściu crossing-over możliwe są chro-
mosomy lmmmnmopppqprpsp i lpmpnpompmqmrmsm. Stare układy alleli, które
były złączone i odziedziczone, rozpadają się, a formują się nowe ukła-
dy. Ponieważ crossing-over może zachodzić u różnych komórek za-
rodkowych w różnych miejscach, ten proces rekombinacji tworzy w
gametach niemal nieskończoną liczbę wariantów.
Z tego, co dotąd powiedziałyśmy, można wnosić, że tasowanie
chromosomów i genów podczas reprodukcji płciowej jest procesem
nieskładnym i nieregulowanym. Jednak takie rozumienie jest błędne.
Proces rozmnażana płciowego to system złożony, powstały w wyniku
ewolucji i kształtowany przez dobór naturalny na wiele sposobów. Jest
to proces kosztowny, ponieważ organizmy zmuszone są poświęcić
swój czas i energię na skomplikowane procesy mejozy i produkcji ga-
met, a czasami na produkcję osobników męskich i poszukiwanie part-
nera. Co więcej, mimo wszystkich tych inwestycji potomstwo może
odziedziczyć tak słabe połączenie genów, że młode będą miały mniej-
sze szanse na przetrwanie i reprodukcję, niż ich rodzice. Dlaczego
więc nie pozostawić nietkniętego genomu rodzica i nie rozmnażać się
bezpłciowo? Dlaczego nie wszystkie organizmy podlegają klonowa-
niu, obywając się bez kosztownej produkcji osobników męskich? Ja-
kie korzyści płyną z rozmnażania płciowego?
Na te pytania nie ma zwięzłej i prostej odpowiedzi. Kwestia po-
chodzenia i utrzymywania się rozmnażania płciowego jest jednym z
najbardziej zagadkowych zagadnień biologii ewolucyjnej, które było
przedmiotem niekończących się sporów. Pochodzenie tej formy repro-
dukcji może wiązać się z doborem systemów naprawiających uszko-
dzone DNA i być może nadal jest to jej główna funkcja, niemniej nie
osiągnięto jednolitego stanowiska co do przystosowawczego znacze-
nia płci dla dzisiejszych organizmów. Na szczęście, nie musimy skru-
pulatnie analizować sporu, ponieważ chcemy jedynie podkreślić pro-
stą kwestię: tak dla osobnika, jak i dla populacji istnieją zarówno po-
tencjalne wady, jak i zalety reprodukcji płciowej. Większość ewolu-
cjonistów zgodzi się, że reprodukcja bezpłciowa, zachowująca kombi-
nację genów dobrze przystosowanych rodziców, sprawdza się w sta-
6 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
bilnym środowisku i na krótką metę. Szkopuł w tym, że genom rodzi-
ców nie może być zachowywany wiecznie. Zmieniają się nawet grupy
całkowicie bezpłciowe, ponieważ mutacje są nieuniknione. Niektóre,
szkodliwe dla swoich nosicieli, wypleni dobór naturalny, ale wiele
może pozostać i nagromadzić się. W rezultacie, na dłuższą metę linie
organizmów bezpłciowych mogą się degenerować i ostatecznie wy-
mrzeć. Jeśli natomiast organizmy rozmnażają się płciowo, tasowanie i
rekombinacja genów rodziców oznacza, że część potomstwa może
mieć szczęście i otrzymać zestaw genów z mniejszą liczbą szkodli-
wych mutacji, niż otrzymało każde z rodziców. Reprodukcja płciowa
może zatem uchronić grupę, powstrzymując gromadzenie się mutacji
szkodliwych. Ponadto w przypadku intensywnego współzawodnictwa
o zasoby przynajmniej niektóre osobniki, powstałe w wyniku rozmna-
żania płciowego, mogą mieć genotyp zwiększający ich konkurencyj-
ność. W przypadku średniego i długiego przedziału czasu w zmien-
nym środowisku rozmnażanie płciowe prowadzi do szybszej ewolucji,
niż byłoby to możliwe w przypadku gatunków bezpłciowych, ponie-
waż łączy ze sobą pozytywne mutacje powstałe u różnych osobników.
Ponieważ reprodukcja płciowa niesie ze sobą zarówno potencjalne
zalety, jak i wady, nie jest zaskoczeniem wykorzystanie jej w różnym
stopniu i w niejednolity sposób przez rozmaite gatunki. Dziś obserwu-
jemy całe spektrum rodzajów reprodukcji i modyfikacji procesów sek-
sualnych. Niektóre gatunki radzą sobie bez jakiejkolwiek reprodukcji
seksualnej, chociaż większość z nich prawdopodobnie pojawiła się w
historii życia stosunkowo niedawno (np. jaszczurka Cnemidophorus
uniparens) i raczej nic nie wróży im długiej przyszłości ewolucyjnej.
Inne gatunki i grupy (na przykład mszyce, drożdże, rozwielitki i wiele
roślin) rozmnażają się i płciowo, i bezpłciowo. Nawet jeśli reproduk-
cja jest zawsze płciowa, gatunki różnią się pod względem tego, jak
płeć przejawia się w cyklu życia. U jednych gatunków występują dwie
oddzielne płci, podczas gdy u innych (takich jak dżdżownice i ślimaki
ogrodowe) pojedynczy osobnik może wytworzyć plemniki i komórki
jajowe. W przypadku gatunków drugiego typu, niektóre są zdolne do
samozapłodnienia, podczas gdy u innych konieczny jest partner. Jeśli
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
7
dokładnie przyjrzymy się powstawaniu gamet, możemy zauważyć, że
liczba, struktura i zachowanie chromosomów są różne u różnych ga-
tunków. Pewien gatunek Ascaris, pasożyta wspomnianego we wcze-
śniejszym rozdziale, ma tylko jedną parę chromosomów, ale u więk-
szości roślin i zwierząt ich liczba jest dwucyfrowa. Szympans ma na
przykład dwadzieścia cztery pary o jedną więcej niż człowiek, ale
dużo mniej niż pies, który ma trzydzieści dziewięć par. Również
struktura chromosomów i ich zachowanie nie są jednolite. Występują
one w wielu rozmiarach i kształtach, a częstotliwość crossing-over po-
między chromosomami homologicznymi jest różna w zależności od
gatunku, płci (nie zachodzi w ogóle u samic motyla i samców Droso-
phila), chromosomu, a nawet obszaru chromosomu.
Co oznaczają wszystkie te różnice w reprodukcji płciowej? W du-
żej części przypadków odpowiedz jest nieznana i może się okazać, że
nie mają one żadnej funkcji przystosowawczej. Niemniej jednak przy-
najmniej niektóre z nich uznaje się za adaptacje, determinujące stopień
zmienności genetycznej następnego pokolenia. Zastanówmy się nad
gatunkami, u których występują pokolenia płciowe i bezpłciowe: ge-
neralnie bezpłciowo rozmnażają się wtedy, kiedy warunki są stabilne i
sprzyjające, a płciowo, gdy pojawiają się zmiany lub ich życie staje
się pełne utrudnień. Mszyce, na przykład, zazwyczaj podczas lata roz-
mnażają się bezpłciowo, ale zanim zaczną zimowanie, jedno pokole-
nie reprodukuje się płciowo. Podobnie dafnia w dobrych warunkach
środowiskowych rozmnaża się bezpłciowo, ale kiedy życie staje się
trudne, przełącza się na reprodukcję płciową i wytwarza jaja, odporne
na niesprzyjające warunki. Takie zjawisko ma sens ewolucyjny. Jeśli
osobnik radzi sobie dobrze, a jego środowisko się nie zmienia, potom-
stwo powstałe w wyniku rozmnażania bezpłciowego, które ma taki
sam zestaw genów, prawdopodobnie poradzi sobie równie dobrze. Po
co cokolwiek zmieniać? Jeśli coś się nie psuje, to tego nie naprawiaj!
Unikanie reprodukcji płciowej nie tylko pozwoli zachować korzystny
zestaw genów, ale w dodatku podwoi tempo reprodukcji, ponieważ
nie ma potrzeby produkowania osobników męskich. Każdy, kto wal-
czył kiedyś z mszycami na różach, wie, jak skuteczna może być strate-
8 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
gia rozmnażania bezpłciowego. Ale jeśli zmieniają się warunki, przez
co młode mogą doświadczyć innego środowiska (tak jak mszyce po
zakończeniu lata), lepszym wyborem jest inwestycja w reprodukcję
płciową. Chociaż trzeba wyprodukować kosztowne samce, przynaj-
mniej nieliczne osobniki ze zróżnicowanego, powstałego na drodze re-
produkcji płciowej, potomstwa mogą przetrwać w nowych okoliczno-
ściach. Zalety zmienności, będącej wynikiem reprodukcji płciowej,
pokazano na rysunku 3.1.
Rysunek 3.1
Zalety reprodukcji płciowej. Po lewej, identyczne młode dobrze przystosowa-
nego osobnika bezpłciowego nie mogą przejść przez sito doboru w zmienio-
nych warunkach, a linia skazana jest na wyginięcie; po prawej, kilkoro ze
zróżnicowanego potomstwa, pochodzącego od osobników rozmnażających się
płciowo, przechodzi przez sito i kontynuuje linię rodową.
Istnieją pewne świadectwa przemawiające za tym, że inny aspekt
reprodukcji płciowej, częstotliwość crossing-over między chromoso-
mami, również wyewoluował, by dostosować organizm do warunków
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
9
życiowych. Częstotliwość crossing-over jest mniejsza u zwierząt, ży-
jących w jednakowych, stabilnych środowiskach, a większa, kiedy
warunki życiowe są mniej przewidywalne. Sugeruje się, że dobór na-
turalny doprowadził do wolnego tempa rekombinacji w warunkach
stabilnych, ponieważ młode radzą sobie najlepiej, kiedy ich genotyp
jest mniej więcej taki, jak rodziców. Ale jeśli grupa nieustannie napo-
tyka zmienne warunki, wówczas dobór sprzyja szybkiemu tempu re-
kombinacji, ponieważ różnorodność potomstwa zwiększa szanse prze-
trwania dla niektórych z nich. Z doświadczeń laboratoryjnych wiemy,
że średnie tempo rekombinacji różni się u populacji tego samego ga-
tunku oraz, że dobór może doprowadzić do zmiany tempa rekombina-
cji. Znamy nawet niektóre z genów i alleli, oddziałujących na rekom-
binację. Tak więc chociaż dowody, że średnie tempo rekombinacji jest
powiązane z warunkami ekologicznymi i stylem życia gatunku, są nie-
liczne, byłoby zaskoczeniem, gdyby okazało się, iż nie jest ono dosto-
sowywane przez dobór naturalny.
Nawet jeśli nasza wiedza pełna jest luk, biologowie przyjmują za
pewnik, że większość różnic w reprodukcji płciowej ma znaczenie ad-
aptacyjne. Bez trudu potrafią wyjaśnić, jaki zysk czerpią te z roślin,
które wypracowały mechanizmy chroniące przed samozapłodnieniem,
lub jakie zalety wynikają ze zdolności niektórych zwierząt do zmiany
płci i dlaczego pewne organizmy wydają na świat liczne potomstwo, a
inne jedynie niewielką liczbę. Mogą również objaśnić selekcyjną
wagę strukturalnych zmian chromosomu, które reorganizują układ ge-
nów i wpływają na prawdopodobieństwo rekombinacji między nimi.
Prawdą jest, że nie wszystkie zmiany, wynikające z procesu rozmna-
żania płciowego, mogą być wyjaśnione w terminach adaptacji i w rze-
czy samej biologowie przyznają, że niektóre z nich być może w ogóle
nie dadzą się w ten sposób wyjaśnić. Niemniej nikt nie wątpi, że do-
bór naturalny wpłynął na to, czy, kiedy i jak rozmnażanie płciowe zo-
staje wykorzystane i jak wiele zmian wytwarza.
Ostatnia uwaga, dotycząca płci: płeć nie zawsze wiąże się z repro-
dukcją. U bakterii i wirusów nie występują ani pary chromosomów,
ani mejoza, ani gamety, ani reprodukcja płciowa. Mimo to pojawiają
10 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
się zróżnicowane procesy seksualne, w których poprzez mechanizmy
rekombinacji, zbliżone do tych występujących u innych organizmów,
następuje wymiana informacji genetycznej między chromosomami,
pochodzącymi od różnych osobników. Na szczęście, nie musimy za-
głębiać się tutaj w szczegóły. Na poziomie molekularnym rekombina-
cja jest niezmiernie złożona, odcinki DNA ulegają rozplątaniu, roz-
dzieleniu i ponownemu złączeniu, zachodzi też dobieranie komple-
mentarnych par między łańcuchami nukleotydów z różnych chromo-
somów, nie wspominając już o udziale wielu enzymów i innych bia-
łek. W dużej części jest to element wspomnianego w poprzednim roz-
dziale naturalnego systemu inżynierii genetycznej komórki zespołu
enzymów i innych cząsteczek umożliwiających wykonanie specyficz-
nych zmian w DNA podczas rozwoju komórek. Jednakże najistotniej-
sza rola i ewolucyjne zródła elementów składowych tego zespołu pra-
wie na pewno sięgają czegoś znacznie bardziej fundamentalnego
utrzymania DNA. Wszystko rozjaśni się po tym, jak powiemy więcej
o pierwotnym zródle wszystkich genetycznych zmian o mutacjach.
Zmiana w wyniku mutacji
Zmiany w sekwencjach DNA są nieuniknione. Wynikają z niedo-
skonałości procesu kopiowania DNA, ze zmian wprowadzonych, kie-
dy mobilne elementy (geny skaczące, transpozony) przemieszczają się
z jednego miejsca w inne, ze spontanicznych zmian chemicznych oraz
z uszkodzeń spowodowanych przez związki chemiczne powstałe na
skutek normalnych funkcji komórki. W dodatku zewnętrzne czynniki
fizyczne, takie jak promienie X czy promieniowanie ultrafioletowe,
lub czynniki chemiczne, na przykład gaz musztardowy i LSD (dietylo-
amid kwasu lizergowego), powodują zniszczenia w DNA. Wiemy, że
wiele z tych czynników zwiększa ryzyko zachorowania na raka, co
często wiąże się ze zmianami genotypu w komórkach somatycznych.
Kiedy zmiany DNA zachodzą w komórkach linii zarodkowej, mogą
wpłynąć na przyszłe pokolenie.
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
11
Długoterminowa ewolucja darwinowska, mająca zródło w syste-
mie genetycznym, zależy od tych zmian DNA. Jednakże zachodzi tu
pewien paradoks, ponieważ jeśli DNA jest podatne na zmiany,
zmniejsza się jego efektywność jako nosiciela dziedzicznej informacji.
Gdyby przekazywane były tylko wysoce niedoskonałe kopie informa-
cji, umożliwiające jednak przetrwanie i reprodukcję, ewolucja poprzez
dobór naturalny byłaby bardzo powolna, o ile w ogóle możliwa. Infor-
macja musi być trwała, a jednocześnie w pewnym stopniu podatna na
zmiany. Jak więc DNA, którego stabilność nie jest wrodzona, funkcjo-
nuje tak efektywnie jako nośnik i przekaznik informacji?
DNA może spełniać swoje zadanie, ponieważ organizmy posiadają
całą baterię mechanizmów, które naprawiają i chronią DNA, zapew-
niając zachowanie i dokładne kopiowanie istniejących sekwencji nu-
kleotydów. Wybrane białka komórek wyszukują i rozkładają cząstecz-
ki, które mogłyby uszkodzić DNA; jeśli doszło do uszkodzenia, inny
zestaw białek może je naprawić, czasami w procesie rekombinacji, za-
stępując uszkodzenie niezniszczoną sekwencją z innego miejsca. W
trakcie replikacji DNA niektóre systemy sprawdzają poprawność
(komplementarność) każdego nukleotydu dodanego do rosnącej nowej
nici i jeśli nie pasuje usuwają go. Po zakończeniu syntezy nowej
nici jest ona odczytywana i sprawdzana, a jeśli nieprawidłowy nukle-
otyd zostanie odnaleziony, następuje korekta. Dzięki temu i innym
systemom sprawdzania i korygowania, częstotliwość błędów podczas
replikacji ludzkiego DNA wynosi około jeden na dziesięć tysięcy mi-
lionów nukleotydów. Ocenia się, że bez tych systemów częstotliwość
pomyłek wynosiłaby około jednego błędu na sto nukleotydów.
Ten niesamowity system, podtrzymujący integralność DNA, przy-
puszczalnie wyewoluował, ponieważ dobór naturalny preferował geny
opieki nad DNA. Linie charakteryzujące się genami w niewielkim
stopniu pomagającymi zachować DNA oraz niedbałością replikacji
nie przetrwały, gdyż zmieniały się, produkując wszystkie rodzaje no-
wych mutacji, w większości szkodliwych. Zmienność takich linii była
duża, a dziedziczność niska; dobre zestawy genów nie były przekazy-
wane poprawnie. Linie o sprawniejszych mechanizmach dbania o
12 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
DNA zachowały się, ponieważ przekazywały dokładne kopie genów,
które pozwalały im przetrwać i rozmnożyć się. W ten sposób dobór
naturalny dostarczył zestawu sprawnych narzędzi inżynierii genetycz-
nej, służących zachowaniu DNA, dzięki którym tempo mutacji jest na
ogół niskie. Mutacje oczywiście się zdarzają, ale niezbyt często.
Problem losowości
Musimy teraz powrócić do problemu, o którym wspomniałyśmy
na początku tego rozdziału. Należy postawić pytanie, czy ta niewielka
ilość ciągle zachodzących mutacji to sporadyczne i przypadkowe po-
myłki, konsekwencje niedoskonałości pozostałej w systemach nadzo-
ru, naprawy i utrzymywania genomu, czy może to coś więcej? Czy
jest coś charakterystycznego w miejscu i czasie zachodzenia mutacji?
Zaskakujące jest, że chociaż biologowie zawsze akceptowali
wpływ czynników środowiska na to, gdzie i kiedy powstaje zmiana
podczas procesu prokreacji płciowej, do niedawna bardzo niechętnie
przyjęliby taką możliwość w przypadku zmian pochodzenia mutacyj-
nego. Akceptowali wprawdzie, że średnie tempo mutacji zostało do-
strojone przez dobór naturalny, a z powodu różnic w rozmiarze i ukła-
dzie geny mutują z różną częstotliwością. Ale ideę, że mutacje mogły
pojawić się szczególnie w miejscu i czasie, w których były potrzebne,
z rzadka w ogóle brano pod uwagę. Zakładano po prostu, że wszystkie
mutacje są ślepymi pomyłkami, wynikiem błędów systemu. Uznawa-
no jedynie specyficzność sekwencji niektórych czynników mutagen-
nych. Promieniowanie ultrafioletowe, na przykład, zwykle powoduje
uszkodzenia w obszarach DNA, zawierających co najmniej dwie, na-
stępujące po sobie tyminy. Niemniej jednak takie sekwencje T-T są
porozrzucane w całym genomie, będąc obecne we wszystkich typach
genów kodujących wszystkie rodzaje białek z każdym możliwym
przeznaczeniem, tak więc uszkodzenia spowodowane przez promienie
UV nie dotyczą konkretnej funkcji. Wiele innych mutagenów ma rów-
nież pewne charakterystyczne sekwencje, także nienakierowane na
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
13
konkretne geny lub funkcje. Generalnie przyjęto założenie, że mutacje
nie mają charakteru adaptacyjnego i nie następują w sposób kontrolo-
wany w procesie rozwoju. Z pewnością nie stanowią odpowiedzi ko-
mórki na potrzeby. Są pomyłkami, które jeśli w ogóle wprowadzają
jakąś różnicę na poziomie fenotypowym prawie zawsze są pomyłka-
mi szkodliwymi. Tylko bardzo rzadko przypadkowa szczęśliwa po-
myłka zwiększy prawdopodobieństwo pozostawienia potomków przez
komórkę lub organizm.
Dziś wielu genetyków zgodzi się co do nieadekwatności powyżej
naszkicowanego obrazu mutacji i tak jak oni będziemy utrzymy-
wały, że nie wszystkie mutacje są przypadkowymi pomyłkami; nie-
które z nich są ukierunkowane . Termin ukierunkowana mutacja
należy do żargonu genetyki i nie oznacza tego, że my lub inni biologo-
wie wierzymy w istnienie jakiejś nadrzędnej inteligencji lub ręki Bo-
żej , kierującej zmianami w DNA zgodnie z potrzebami organizmu.
Takie koncepcje nie są elementem naukowego dowodzenia (a
ich absurdalność ośmiesza także religię). Twierdzimy jedynie,
że ewolucja w wyniku doboru naturalnego doprowadziła do
skonstruowania mechanizmów, które zmieniają DNA w odpo-
wiedzi na sygnały płynące do komórek od innych komórek i ze
środowiska.
Nie można zakwestionować możliwości istnienia ukierunkowa-
nych zmian DNA, ponieważ zachodzą one w procesie rozwoju. Nie-
które z nich opisaliśmy w poprzednim rozdziale. Najlepiej znanymi
przykładami są cięcie i zmiana DNA, co ma miejsce w komórkach
systemu immunologicznego, ale jest też wiele innych. Regulowane
zmiany DNA są częścią normalnego rozwoju, tak jak regulowane
zmiany w transkrypcyjnej aktywności genów lub w procesach składa-
nia i translacji RNA. Kieruje nimi nie siła wyższa, ale system komór-
kowy, który jest wynikiem ewolucji genetycznej. Nawet najbardziej
konserwatywni ewolucjoniści neodarwinowscy nie obawiają się tego
typu ukierunkowanych zmian. Postrzegają je jako element procesu
14 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
rozwoju i uznają, że mechanizmy leżące u ich podstaw stosują się tyl-
ko do ewolucji tego procesu.
Wielu biologów ewolucyjnych niepokoi idea, że niektóre mutacje,
będące surowcem ewolucji, nie są rezultatem ślepego przypadku. Dla-
tego właśnie twierdzenie Johna Cairnsa i jego kolegów o odkryciu
ukierunkowanych mutacji u bakterii wywołało zamieszanie w 1988
roku, chociaż w rzeczywistości idea, że zmiany genomu nie są obojęt-
ne na funkcjonalność, nie była nowa. Dla nielicznych genetyków już
od jakiegoś czasu miała ona centralne znaczenie. W 1983 roku Barba-
ra McClintock w trakcie wykładu, który wygłosiła odbierając Nagrodę
Nobla, powiedziała:
W przyszłości uwaga bez wątpienia będzie skoncentrowana na genomie i doce-
nione zostanie jego znaczenie jako bardzo czułego organu komórki, który moni-
toruje funkcje genomowe i poprawia częste błędy, wyczuwa nietypowe i nie-
oczekiwane zdarzenia i odpowiada na nie, często zmieniając strukturę genomu. 1
W tym czasie traktowano poglądy McClintock jako dość nieorto-
doksyjne i prawdopodobnie większość biologów ich nie znała. Z prze-
prowadzonych eksperymentów wywnioskowała ona, że kiedy komór-
ki nie potrafią skutecznie odpowiedzieć na naciski otoczenia, włącza-
jąc i wyłączając geny lub modyfikując istniejące białka, mobilizują
systemy, które zmieniają ich DNA. Nowa wariacja genetyczna, wywo-
łana warunkami stresowymi (np. nagłymi zmianami temperatur lub
przedłużającym się głodem), jest częściowo ukierunkowana w tym
sensie, że stanowi odpowiedz na sygnał ze środowiska, ale nie prowa-
dzi do unikatowej i koniecznie adaptacyjnej reakcji. Można ją umie-
ścić mniej więcej pomiędzy zmianami całkowicie ślepymi, których ani
istota, ani czas i miejsce wystąpienia w genomie nie są określone, a
zmianami w pełni ukierunkowanymi, które są powtarzalnymi zmiana-
1
Barbara MCCLINTOCK, The Significance of Responses of the Genome to Challenge ,
Science 1984, vol. 226, s. 800 [792-801].
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
15
mi adaptacyjnymi, zachodzącymi w konkretnych miejscach i w odpo-
wiedzi na określony bodziec.
Chociaż kwestia mutacji wymuszanych warunkami stresowymi na-
dal jest bardzo kontrowersyjna, poglądy McClintock zostały pózniej,
przynajmniej częściowo, obronione. Z pewnością pochodzenie no-
wych zmian genetycznych jest znacznie bardziej złożone, niż począt-
kowo zakładano. Nie możemy już myśleć o mutacjach tylko w termi-
nach losowych błędów przy naprawie i utrzymaniu DNA. Obecnie
wiemy, że warunki stresowe mogą wpływać na działanie systemów
enzymatycznych, odpowiedzialnych za utrzymywanie i naprawę
DNA, wydaje się też, iż części tych systemów niekiedy połączone są z
elementami regulującymi, które kontrolują, jak, w jakim stopniu i
gdzie DNA ulega zmianie. W jakich więc kategoriach należy opisy-
wać rodzaje mutacji, które są właśnie poznawane?
By pomóc w wyjaśnieniu tej sytuacji, którą zewsząd otaczają kon-
trowersje i nęka niefortunna terminologia, posłużymy się eksperymen-
tem myślowym. Wyobrazmy sobie trzy plemiona, które prowadzą trzy
różne style życia i na trzy różne sposoby radzą sobie z problemami.
Nazwijmy członków pierwszego plemienia Konserwatystami . Ich
długa historia została spisana, a młodzi członkowie plemienia zobo-
wiązani są pamiętać o niej i czerpać naukę z przeszłości. Przeszłość
jest święta, a dawne czyny dostarczają wzorców postępowania dla
członków plemienia Konserwatystów. Wiele kobiet i mężczyzn z ple-
mienia zajmuje się opieką nad obszernymi archiwami, zapamiętywa-
niem i przekazywaniem mądrości zawartych w księgach. W księgach
znajduje się odpowiedz na zmienne wzorce życia. Kiedy coś się zmie-
nia, Konserwatyści wykorzystują wiedzę o sposobach postępowania
ich przodków i robią tak samo. Często rozwiązują w ten sposób pro-
blemy, ale w obliczu całkowicie nieznanego i nieprzewidywalnego za-
grożenia Konserwatyści są raczej bezradni. Tylko bardzo rzadko i
przypadkowo niektórzy członkowie plemienia wpadną na rozwiązanie
i udaje im się przetrwać taką awaryjną sytuację. Ci, którzy przetrwają,
zostaną wpisani między przodków , a ich czyny do świętych ksiąg.
16 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
Społeczność drugiego plemienia Odkrywców ma dokładnie
odwrotną filozofię. Widzą oni, że świat jest w nieustannym ruchu i
często się zmienia, uważają również, iż w wielu wypadkach przeszłe
doświadczenia są ograniczające i wprowadzają w błąd, powinny więc
być zapomniane. Terazniejszość i przyszłość wymagają nieustannej
rewaluacji. Odkrywcy podkreślają centralną rolę indywidualnego od-
krycia i braku jakichkolwiek wstępnych koncepcji. Kiedy stają w obli-
czu sytuacji krytycznej podobnej do tych z przeszłości, czy też zu-
pełnie nowej ich reakcją jest zachęcanie wszystkich do poszukiwań
nowych i twórczych rozwiązań problemu. Zwykle ktoś znajduje roz-
wiązanie, które następnie stosują wszyscy członkowie plemienia, wie-
lu jednak ginie, zanim wyjście z sytuacji się pojawi.
Członkowie trzeciego plemienia Interpretatorów tak jak
Konserwatyści szanują przeszłość, ale nie są do niej przywiązani, do-
puszczając innowacje i kontrolowane odchylenia od tradycji. Zgodnie
z ich filozofią przodkowie posiadali boską mądrość, a ich święte sło-
wa powinny być inspiracją po wsze czasy, ale mądrość praszczurów
zapisana jest językiem metaforycznym. Oznacza to, że każde pokole-
nie musi ją nieustannie interpretować, zgodnie ze zmieniającymi się
potrzebami społeczeństwa, przy jednoczesnym zachowaniu pewnych
zasad. Kiedy znajdują się w trudnej sytuacji, podobnej do jednej z opi-
sanych w księgach, interpretacja jest prosta, a plemię postępuje mniej
więcej tak, jak postąpili przodkowie, nieznacznie tylko dostosowując
zachowanie do potrzeb terazniejszości. Pozwalają dojść do głosu swej
wyobrazni twórczej, poszukując nowego rozwiązania, które nie prze-
czy dawnej mądrości.
Rysunek 3.2 pokazuje, jak każde z plemion zareagowałoby na wy-
buch nieznanej choroby w społeczności. Lekarze z plemienia Konser-
watystów w swoich świętych księgach nie znajdą niczego, co by od-
powiadało akurat tej chorobie, zaczną więc podawać napar wzmacnia-
jący i nie zmienią swojego postępowania. Pacjenci będą umierali, chy-
ba że lekarz pomyli się, zapomni, co powinien zrobić i przypadkowo
trafi na właściwy lek. Członkowie plemienia Odkrywców będą wal-
czyli z chorobą na bardzo różne sposoby. Ignorują doświadczenia z
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
17
przeszłości i dokładne symptomy choroby, najzwyczajniej wypróbo-
wując każdy możliwy medykament, stosując taki sam zakres środków,
jaki sprawdzaliby w przypadku innych chorób u ludzi, krów czy rabar-
baru. Pacjenci umierają szybko, chociaż czasami, szczęśliwym trafem,
skuteczny lek zostaje odnaleziony, zanim wszyscy zdążą wymrzeć.
Członkowie trzeciego plemienia Interpretatorzy poszukują infor-
macji o chorobie w swoich księgach i chociaż niekoniecznie muszą
znalezć coś, co dokładnie pasuje do tej konkretnej epidemii, zauważa-
ją, że w przeszłości występowały choroby o podobnych objawach.
Mobilizują więc swój twórczy talent i improwizują, bazując na leku
stosowanym przez przodków. Mimo nieskuteczności kilku prób i
śmierci pacjentów, ostatecznie odnajdują skuteczny lek.
Uważamy, że zachowanie trzech plemion jest zbliżone do trzech
możliwych biologicznych strategii radzenia sobie w niesprzyjających
warunkach. Postępowanie pierwszego plemienia Konserwatystów
jest podobne do strategii reagowania na każdą sytuację dobrze ugrun-
towanymi zachowaniami fizjologicznymi lub precyzyjnymi, ukierun-
kowanymi mutacjami. Te, wykształcone w toku ewolucji reakcje,
rozwiązują problemy, podobne do napotkanych przez grupę w prze-
szłości, są więc adekwatne dla normalnego rozwoju i codziennego ży-
cia. Jeśli warunki pozostają podobne do tych z przeszłości, strategia
jest skuteczna, ale w okolicznościach nowych i nieprzewidywalnych
zawodzi. Tylko sporadyczna i szczęśliwa pomyłka pożyteczna przy-
padkowa mutacja pozwala przetrwać grupie.
Zachowanie plemienia Odkrywców w obliczu nieznanych lub
zmiennych okoliczności jest równoważne biologicznej strategii zwięk-
szania tempa losowych mutacji. Taka strategia zawsze jest kosztowna,
ponieważ pomiędzy napotkaniem problemu a wytworzeniem skutecz-
nej mutacji, która go rozwiąże, występuje znaczące opóznienie i w
tym czasie wiele jednostek może umrzeć na skutek niesprzyjających
mutacji. Jednakże w przypadku dużej populacji szanse na rozwinięcie
się korzystnej mutacji i przetrwanie grupy są wysokie. Jeśli grupa jest
niewielka, istnieje duże ryzyko, że nie uda się jej przetrwać.
18 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
Rysunek 3.2
Odpowiedzi plemion Konserwatystów (góra), Odkrywców (środek) i Interpre-
tatorów (dół) na nową sytuację nieznaną chorobę. Lekarze Konserwatystów
mają do zaoferowania tylko napar wzmacniający; Odkrywcy próbują wszyst-
kich dostępnych konwencjonalnych i niekonwencjonalnych medykamentów;
Interpretatorzy wypróbowują kuracje zbliżone do tych, które w przeszłości
były skuteczne przy tego typu chorobach.
Trzeci rodzaj zachowania, prezentowany przez Interpretatorów,
jest analogiczny do sytuacji w biologii, kiedy odpowiedzią na nie-
sprzyjające warunki jest produkcja nie do końca losowych, ale też nie
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
19
w pełni ukierunkowanych mutacji. Są one interpretatywne w tym
sensie, że czas i miejsce ich wystąpienia wynika z ewolucyjnej prze-
szłości, ale sposób reakcji jest w pełni przypadkowy. Dalsza część
rozdziału będzie dotyczyła głównie tego rodzaju procesów mutacyj-
nych, ponieważ jesteśmy przekonane, że odegrały one znaczną rolę w
procesie przystosowania ewolucyjnego.
Mutacje nabyte, wymagane czy interpretatywne?
W celu wyjaśnienia, co rozumiemy przez mutacje interpretatywne,
zamierzamy opisać cztery różne sytuacje, w których zachodzące muta-
cje mają charakter pośredni między losowym a ukierunkowanym.
Większość przykładów będzie opierała się na naszej wiedzy o mikro-
organizmach, ale część przedstawionych zjawisk została odnaleziona
także u innych grup, szczególnie u roślin. Chociaż wszystkie określa-
my mianem mutacji interpretatywnych , procesy, jakie zachodzą w
czterech sytuacjach, należą do różnych obszarów spektrum między
mutacjami całkowicie losowymi a w pełni ukierunkowanymi.
Pierwsza sytuacja dotyczy czegoś, co określimy jako wymuszone
mutacje globalne. Wyobrazmy sobie, że pewne organizmy znajdą się
w środowisku, w którym nie mogą przetrwać ani reprodukować się.
Jedyną nadzieją na ratunek jest pojawienie się przypadkowej mutacji,
umożliwiającej poradzenie sobie w niesprzyjających warunkach. Przy
powolnym tempie mutacji, a taki zwykle występuje, szanse przetrwa-
nia któregokolwiek osobnika są niewielkie. Jeśli jednak osobniki wy-
posażone są w mechanizmy, które zaczynają działać w warunkach
stresowych, zwiększając tempo mutacji w całym genomie, sytuacja
może przybrać lepszy obrót. Wiele jednostek szybko zginie (w ich
przypadku mutacje pogorszą stan rzeczy), ale szanse, że u jednej lub
dwóch wystąpi sprzyjająca mutacja, są zwiększone. Przypomina to za-
chowanie biednych ludzi grających na loterii. Kupując kupon mają
szansę się wzbogacić, chociaż większość z nich jeszcze szybciej zosta-
nie bez grosza. Zauważmy, że przy opisanym typie strategii względna
20 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
częstotliwość wyraznie pożytecznych mutacji nie wzrasta. Taktyka ta
przypomina sposób rozwiązywania problemów w plemieniu Odkryw-
ców: wypróbuj wszystko w nadziei, że coś zadziała. Przedstawia to ry-
sunek 3.3.
Rysunek 3.3
Wymuszone mutacje globalne: po lewej, w normalnych warunkach tempo
mutacji jest powolne(kilka parasolek); po prawej, w surowych warunkach
(chmura i burza) tempo mutacji w całym genomie jest szybkie (wiele paraso-
lek), a niektóre z mutacji okazują się adaptacyjne (otwarta parasolka).
Dzięki badaniom przeprowadzonym w ostatnich dwudziestu latach
wiemy obecnie, że tempo mutacji u bakterii rzeczywiście zwiększa się
w obliczu środowiska, które jest na tyle niegościnne, że przestają one
wzrastać i reprodukować się. W takich warunkach napływ nowych
mutacji generowany jest w całym genomie. Każda mutacja jest loso-
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
21
wa, w tym sensie, że nie powstaje ze względu na jakąś konkretną
funkcję, ale ogólna odpowiedz genomu zwiększone tempo mutacji
może mieć charakter adaptacyjny. Zjawisko najdokładniej zbadano u
bakterii, ale coś podobnego zachodzi u roślin. Barbara McClintock od-
kryła wiele lat temu, że warunki stresowe prowadzą do dużego prze-
mieszczania się mobilnych elementów w genomie roślin. Uznała to za
reakcję adaptacyjną, która dostarcza ważnego zródła nowej zmienno-
ści.
Taktyka zwiększenia tempa mutacji w drastycznie niebezpiecz-
nych warunkach czasami oczywiście może być skuteczna. Zwiększa
ona szanse wywołania mutacji korzystnej. Z tego powodu dobór natu-
ralny mógł faworyzować zmiany genetyczne, które są rezultatem ta-
kiej odpowiedzi na warunki stresowe. Populacje posiadające mechani-
zmy, umożliwiające osobnikom zwiększenie tempa mutacji (kupowa-
nie wielu losów na loterii), kiedy przeżycie staje się naprawdę trudne,
są w mniejszym stopniu zagrożone wymarciem. Chociaż większość
osobników ginie, to na poziomie populacji wymuszone warunkami
stresowymi mutacje globalne są odpowiedzią adaptacyjną.
Tym niemniej nie każdy akceptuje, że wymuszone warunkami
stresowymi mutacje są adaptacją rozwiniętą na drodze ewolucji. Nie-
którzy twierdzą, że nadwyżka mutacji, zachodzących w surowych wa-
runkach, to najzwyczajniej produkt uboczny pomyłek wywołanych
warunkami stresowymi. Kiedy komórka znajduje się pod presją,
szczególnie z powodu wygłodzenia, może się zdarzyć, że nie będzie w
stanie wytwarzać białek niezbędnych do utrzymania i naprawy DNA.
Zagłodzone komórki mogą nawet wyłączyć geny, odpowiedzialne za
opiekę nad DNA, by zachować energię. Jeśli tak się stanie, wystąpią
błędy, które nie zostaną naprawione. Innymi słowy, nastąpi wiele mu-
tacji. W takim wypadku generowanie mutacji byłoby patologicznym
symptomem doświadczanych przez komórkę problemów, a nie ewolu-
cyjną odpowiedzią adaptacyjną na niekorzystne warunki.
Można się spierać (i w istocie takie spory mają miejsce) o to, czy
wymuszone mutacje globalne są ewolucyjną odpowiedzią adaptacyjną,
22 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
czy patologią, która przypadkowo może mieć korzystne skutki, ale nie
ma wątpliwości, że drugi typ nielosowych procesów mutacyjnych
lokalne hipermutacje jest przystosowawczy. Wymuszone mutacje
globalne są nielosowe, ponieważ powstają w czasie, kiedy mogą
prawdopodobnie być użyteczne; hipermutacja lokalna powoduje zmia-
ny w miejscach genomu, w których są pożądane. Tempo mutacji w
pewnych obszarach genomu jest setki a nawet tysiące razy szybsze niż
w innych (rysunek 3.4). W żargonie genetyków są to mutacyjne gorą-
ce punkty . Geny w takich gorących punktach kodują produkty biorą-
ce udział w czynnościach komórkowych, wymagających dużej różno-
rodności. Z tego powodu szybkie tempo lokalnych mutacji traktuje się
jako adaptację.
Angielski genetyk Richard Moxon i jego współpracownicy badali
lokalne hipermutacje u Haemophilus influenzae, bakterii, która powo-
duje zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych. Podobnie jak u innych
patogenów, życie tej bakterii pełne jest wyzwań. Atakując i kolonizu-
jąc różne części ciała, napotyka na kilka odmiennych mikrośrodowisk,
musi też nieustannie prowadzić walkę z systemem immunologicznym
gospodarza. Pisałyśmy w ostatnim rozdziale, że ssaki mają imponują-
cy system immunologiczny, w którym regulowane rekombinacje
DNA oraz mutacje umożliwiają komórkom ciągłe wytwarzanie nowe-
go typu przeciwciał, które są niezbędne, by wygrać walkę z patogena-
mi. Niemniej H. influenzae regularnie unika nieustannie zmieniające-
go się systemu obrony, jest też w stanie sprostać różnym środowi-
skom, na jakie natrafia w różnych częściach ciała gospodarza. Dzieje
się tak, ponieważ bakteria posiada coś, co Moxon nazwał genami
kontyngencji. Są to geny o szybkim tempie mutowania, kodujące
produkty, które określają powierzchniową strukturę bakterii. Ze
względu na tempo mutacji subpopulacje bakterii mogą przetrwać w
różnych mikrośrodowiskach w obrębie gospodarza, zmieniając struk-
turę swojej powierzchni. Co więcej, nieustannie przedstawiając syste-
mowi immunologicznemu gospodarza nowe cząsteczki powierzchnio-
we, których system wcześniej nie napotkał i nie rozpoznaje, bakteria
może unikać systemu obronnego gospodarza.
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
23
Rysunek 3.4
Lokalne hipermutacje: po lewej, powolne tempo mutacji (kilka parasolek), ty-
powe dla większości obszarów DNA; po prawej, mutacyjny gorący punkt,
gdzie niektóre z wielu mutacji okazują się adaptacyjne (otwarte parasolki).
Co jest zatem podstawą olbrzymiego tempa mutacji w tych genach
kontyngencji? Elementem charakterystycznym DNA tych genów są
krótkie sekwencje nukleotydów, powtarzane wielokrotnie. Prowadzi
to do wielu pomyłek podczas utrzymywania i kopiowania DNA. Do-
kładne wyjaśnienie procesu wymagałoby zagłębienia się w szczegóły
związane z replikacją i naprawą DNA, czego chcemy tutaj uniknąć,
ale ogólna natura problemu jest łatwo dostrzegalna. Przypuśćmy, że w
jednej nici znajduje się sekwencja ATATATAT, dla której parą jest
komplementarny układ TATATATA w drugiej nici. Nietrudno wy-
obrazić sobie, że podczas replikacji dwie nici mogą przesunąć się w
układzie tak, że na jednym końcu powstanie pozbawione pary AT oraz
TA na drugim. Takie nieuporządkowanie mogłoby doprowadzić do
24 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
usunięcia pozbawionych pary nukleotydów przez systemy opiekujące
się DNA; alternatywą może być ewentualne dopasowanie pary. Rezul-
tatem byłyby mutacje sekwencje krótsze lub dłuższe o dwa nukle-
otydy. Powtórzenia również zwiększają szansę powstania par między
różnymi obszarami chromosomu, a także podziałów i rekombinacji, co
zwiększa potencjalną liczbę zmian. Ponieważ ilość powtórzeń może
wzrastać lub maleć, ten typ mutacji jest łatwo odwracalny, tak więc li-
nie rodowe regularnie przełączają się z jednego fenotypu na inny.
Trudno znalezć właściwy termin na określenie typu procesów mu-
tacyjnych, które zachodzą w genach kontyngencji. Moxon określał je
jako mutacje dyskryminujące , a odpowiedni wydaje się też termin
mutacje docelowe . Niezależnie jak je nazwiemy, nie ma wątpliwo-
ści, że są wytworem doboru naturalnego: grupy z sekwencjami DNA,
prowadzącymi do szybkiego tempa mutacji w odpowiednich genach,
przeżywają dłużej niż te wolniej mutujące. Chociaż zmiany zachodzą-
ce w docelowych obszarach DNA są losowe, charakter adaptacyjny
ma uprzedni wybór tych obszarów.
Geny kontyngencji u H. influenzae nie są odosobnionym przykła-
dem. Podobne, często mutujące geny, o charakterystycznych i prawdo-
podobnie selekcjonowanych ze względu na zdolność do mutowania
sekwencjach DNA, zostały odkryte w innych patogenach, nieustannie
prowadzących wojnę z systemem immunologicznym gospodarza. Od-
naleziono je również u gatunków węży i ślimaków, które wykorzystu-
ją jad, by schwytać ofiarę i obronić się przed drapieżnikami. Dużą
zdolność mutacyjną genów jadowych uznaje się za adaptację, umożli-
wiającą zwierzętom dotrzymanie tempa zmieniającym się drapieżni-
kom i ofiarom oraz pozwalającą przezwyciężyć rozwiniętą w procesie
ewolucji odporność na jad.
Powinno być jasne, że szybkie tempo opisanych mutacji nie jest
kontrolowaną odpowiedzią na zmiany warunków fizjologicznych.
Mutacje zachodzą nieustannie. Te w genach kontyngencji są nabyte
tylko w sensie ewolucyjnym, a nie fizjologicznym. Procesy mutacyjne
trzeciego typu, wymuszone mutacje lokalne (rysunek 3.5), są inne, po-
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
25
nieważ zachodzą w odpowiedzi na zmienne warunki. Wykorzystują
niższy wzrost tempa mutacji (ciągle jednak od pięciu do dziesięciu
razy wyższy niż przeciętnie), ale zachodzą szczególnie w tych genach,
które pomagają organizmowi radzić sobie w nowych sytuacjach. Mu-
tacje są zatem jednocześnie wymuszone przez środowisko i ogranicza-
ją się do genu mogącego uratować sytuację. Ten typ mutacji w żad-
nym razie nie jest losowy mutacje są tak wymagane, jak i nabyte.
Rysunek 3.5
Wymuszone mutacje lokalne: po lewej, tempo mutacji w warunkach normal-
nych (kilka parasolek); po prawej, lokalny wzrost tempa mutacji, będący od-
powiedzią na presję (lokalna burza), skutkuje mutacjami adaptacyjnymi
(otwarta parasolka).
Barbara Wright odkryła nielosowe mutacje tego typu, badając bak-
terie jelitowe Escherichia coli (znane raczej jako E. coli, ponieważ na
słowie Escherichia można połamać język). By zrozumieć jej ekspery-
26 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
menty, należy pamiętać, że jeśli bakterie są na wpół wygłodzone, uru-
chamia się całe spektrum mechanizmów, chroniących komórkę i po-
zwalających jej przetrwać odrobinę dłużej. Geny, które w sprzyjają-
cych warunkach są aktywne, gdyż ich produkt jest niezbędny w roz-
mnażaniu, zostają wyłączone; inne, które zwykle są stłumione, ponie-
waż ich działalność nie jest konieczna i byłaby marnotrawstwem, są
wybiórczo uruchamiane. Wśród genów, wyłączonych w czasach do-
statku, znajdują się geny niezbędne do syntetyzowania aminokwasów,
ponieważ aminokwasy zwykle są w pożywieniu bezpośrednio dostęp-
ne. Jednakże, kiedy konkretny aminokwas jest dostarczany w stopniu
niewystarczającym, odpowiedni gen aktywuje się, a komórka wytwa-
rza aminokwas na swój własny użytek.
Barbara Wright poszukiwała mutacji w defektach kopiowania jed-
nego z genów aminokwasowych. Ponieważ gen był uszkodzony i wy-
twarzał produkt niefunkcjonalny, samo jego włączenie nie wystarczy-
ło, by uratować komórkę, kiedy brakowało aminokwasu. Niezbędna
była również korzystna mutacja, która zmieniłaby uszkodzony gen.
Wykorzystując różne triki genetyczne, Wright porównała tempo muta-
cji w czasie, gdy wymagany aminokwas był obecny i bakteria mogła
w pełni się rozwinąć, z tempem mutacji, kiedy ilość dostępnego ami-
nokwasu była niewystarczająca. W warunkach drugiego typu bakteria
ledwie mogła przetrwać. Wright odkryła, że w tych trudnych warun-
kach tempo mutacji w uszkodzonym genie było znacznie szybsze niż
normalnie i, co ważniejsze, przyspieszone tempo mutacji było charak-
terystyczne dla tego konkretnego genu. Wzrost mutacji w tym wypad-
ku zależał od połączenia dwóch czynników: po pierwsze niedostatku
aminokwasu, co aktywowało gen; i po drugie obecności komórko-
wego sygnału ostrzegawczego, który powstaje w czasie kryzysu. W
rezultacie działania tych dwóch czynników gen, nieodzowny w przy-
padku danego kryzysu, zwiększył tempo mutacji, dzięki czemu szanse
powstania pożytecznej mutacji, umożliwiającej przetrwanie, wzrosły.
Czwarty i ostatni typ interpretatywnych procesów mutacyjnych
można nazwać wzmożonymi wymuszonymi mutacjami regionalnymi
(rysunek 3.6). Niewiele wiadomo na ich temat i być może pokrywają
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
27
się częściowo z którąś z wcześniejszych kategorii, ale są one szczegól-
nie interesujące, ponieważ zostały odkryte u organizmów wielokomór-
kowych. Czasami zmiana warunków, na przykład krótkotrwały znacz-
ny wzrost temperatury, zwiększa tempo mutacji w konkretnym zbio-
rze genów o kilka rzędów wielkości. Nic nie wiadomo o adaptacyj-
nym charakterze tych mutacji, ale z racji tego, że proces jest unikato-
wą i bardzo szczególną odpowiedzią na konkretne warunki środowi-
skowe, nie uważa się go za przypadek. Nasuwa się oczywiste pytanie:
czy obserwowane zjawisko jest przystosowaniem do warunków stre-
sowych, a jeśli obecnie nie ma charakteru adaptacyjnego, czy mogło
pełnić taką funkcję w przeszłości? Tego jednak nie wiemy.
Rysunek 3.6
Wymuszone mutacje regionalne: po lewej, tempo mutacji w normalnych wa-
runkach (kilka parasolek); po prawej, tempo mutacji w kilku określonych ob-
szarach jest przyspieszone z powodu nieco większego natężenia warunków
stresowych (łagodna burza).
28 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
Ten rodzaj krótkotrwałych mutacji regionalnych odkryto w gor-
czycy, Brassica nigra. Szok cieplny prowadzi do utraty niektórych z
wielu kopii sekwencji DNA, które kodują rRNA (RNA będące częścią
rybosomu). Adaptacyjne znaczenie tych odpowiedzi genomowych nie
jest jasne nic nie wskazuje na to, by utrata tych genów zwiększała
sukces reprodukcyjny osobnika, u którego proces zaszedł. Jednakże
spadek liczby kopii jest przekazywany następnym pokoleniom, ponie-
waż mimo że zachodzi on w komórkach somatycznych niektóre z
nich dają początek tkankom reprodukcyjnym. Podobne dziedziczne
zmiany w ilości kopii rRNA i innych, powtarzających się sekwencji,
odkryto również w roślinach lnu, przenoszonych w miejsca charakte-
ryzujące się odmiennymi warunkami żywieniowymi. Jak na razie me-
chanizm mutacji nie jest znany, ale obecność powtarzających się se-
kwencji może sugerować wykorzystanie procesu rekombinacji.
W tabeli 3.1 podsumowałyśmy opisane mutacje różnych kategorii.
Patrząc na tabelę można zauważyć, że wiele zmian DNA nie pasuje
dokładnie do opisu w kategoriach losowości lub ukierunkowania .
Trudności nie nastręcza umiejscowienie specyficznych, adaptacyjnych
reakcji, które zachodzą w procesie rozwoju i są wyraznie ukierunko-
wane, lub przypadkowych pomyłek różnego rodzaju, wyraznie loso-
wych i ślepych, ale wiele interesujących zmian zalicza się do niejasnej
strefy między tymi dwiema skrajnościami. Myśląc kategoriami osi
zmian ze skrajnie ślepymi i skrajnie ukierunkowanymi zmianami
genetycznymi na jej końcach, mutacje, które określiłyśmy mianem
interpretatywnych , znajdują się gdzieś pomiędzy. Niektóre, takie jak
globalny wzrost mutacji w odpowiedzi na presję, są bardzo bliskie
krańcowi osi odpowiadającemu ślepym zmianom, podczas gdy muta-
cje lokalne i regionalne, będące rezultatem określonych zmian fizjolo-
gicznych, są częściowo ukierunkowane, bliżej im więc do końca osi
powiązanego z procesem rozwoju.
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
29
Tabela 3.1
Rodzaj zmia- Ukierunko- Wymuszone Adaptacyj- Rodzaj zmia-
ny genetycz- wane na okre- lub regulowa- ność danego ny DNA
nej ślony gen lub ne? typu zmian
obszar?
Klasyczne Nie Nie Brak Zmiany w za-
ślepe mutacje sadach, po-
myłki przy
naprawie i re-
plikacji, ru-
chy elemen-
tów mobil-
nych, rozry-
wanie i po-
nowne łącze-
nie itp.
Wzmożone Nie Tak, przez Brak, ale Przyspiesze-
wymuszone ekstremalną przyspiesze- nie ogólnego
mutacje glo- presję nie ogólnego tempa śle-
balne tempa mutacji pych mutacji
może być
przystoso-
wawcze
Lokalne hi- Tak Nie Tak Układ se-
permutacje kwencji DNA
prowadzi do
przyspieszo-
nego tempa
mutacji w
określonych
obszarach
Wzmożone Tak Tak, przez Tak Mutacje na-
wymuszone umiarkowany kierowane na
lokalne muta- nacisk konkretne ak-
cje tywne geny
30 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
Wzmożone Tak Tak, przez Brak (na ile Mutacje na-
wymuszone zmiany śro- wiadomo) kierowane na
regionalne dowiska poszczególne,
mutacje powtarzające
się sekwencje
DNA
Rozwojowe Tak Tak, regulo- Tak Precyzyjne
wane przez zmiany geno-
sygnały w mu oraz mu-
trakcie roz- tacje w do-
woju brze określo-
nych obsza-
rach
W przypadku mutacji lokalnych występuje pewien stopień losowo-
ści tego, co powstanie, ale losowość ta jest ukierunkowana bądz utoro-
wana, ponieważ zmiany zachodzą w określonych miejscach genomu, a
czasami w specyficznych warunkach. Mutacje tego rodzaju są szcze-
gólnie interesujące, ponieważ z dużym prawdopodobieństwem mają
charakter adaptacyjny. Zamiast ewolucyjnego ratunku, nadchodzącego
z poszukiwań igły (skrajnie rzadkie pożyteczne mutacje) w olbrzymim
stogu siana (duży genom), poszukuje się igły w małym zakątku stogu,
i to w dobrze oznaczonym. Nadal należy prowadzić poszukiwania, ale
teraz są one bardziej ukierunkowane. Szanse komórki na odnalezienie
rozwiązania mutacyjnego zwiększają się, ponieważ jej ewolucyjna
przeszłość skonstruowała system wspierający wybór czasu i miejsca
powstania mutacji.
Ewolucyjne zgadywanie genetyczne
Nawet jeśli nie mieliśmy nowych dowodów eksperymentalnych,
wykazujących, że mutacja zachodzi w nieprzypadkowej lokalizacji
oraz pod kontrolą środowiska i procesu rozwoju, argumenty ewolu-
cjonistyczne za tym, że czegoś takiego należałoby się spodziewać, są
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
31
bardzo silne. W rzeczy samej dziwne byłoby przekonanie, że w żyją-
cym świecie wszystko, oprócz procesu generowania nowych mutacji,
jest wytworem ewolucji! Nikt nie wątpi, że to, jak, gdzie i kiedy orga-
nizmy wykorzystują rozmnażanie płciowe, które przetasowuje istnie-
jące różnice genetyczne, zostało uformowane przez dobór naturalny,
tak więc podobny nacisk doboru powinien również wpłynąć na spo-
sób, czas i miejsce generowania zmian na drodze mutacji. W istocie
łatwo można sobie wyobrazić, jak system generujący mutacje, który
na podstawie posiadanych informacji zgaduje, co będzie użyteczne,
byłby faworyzowany przez dobór naturalny. W naszym osądzie kon-
cepcja doboru, preferującego zdolność zgadywania na podstawie zdo-
bytych danych, jest prawdopodobna, przewidywalna i możliwa do
udowodnienia eksperymentalnego. Jak stwierdziła amerykańska gene-
tyk Lynn Caporale, przypadek faworyzuje genom przygotowany .
Przygotowanie jest oczywiście ewolucyjne!
Kiedy raz zrozumie się, że nie wszystkie mutacje są losowymi po-
myłkami, sposób postrzegania relacji między fizjologicznymi lub roz-
wojowymi adaptacjami a przystosowaniem ewolucyjnym zaczyna się
zmieniać. Jesteśmy przyzwyczajeni uważać je za bardzo odmienne: fi-
zjologiczne i rozwojowe zmiany wymagają instrukcji zdarzenia w
komórkach i organizmach są kontrolowane przy pomocy wewnętrz-
nych lub zewnętrznych sygnałów regulacyjnych; zmiany ewolucyjne
wymagają doboru pewne dziedziczne zmiany są bardziej preferowa-
ne niż inne. W żargonie filozofów biologii fizjologiczne i rozwojowe
procesy leżące u podstaw fenotypu są przyczynami bezpośrednimi,
podczas gdy procesy ewolucyjne dobór naturalny i wszystko, co
miało wpływ na konstrukcję fenotypu podczas ewolucyjnej historii
to przyczyny ostateczne .
Jednakże, jeśli powstawanie zmienności dziedzicznej jest pod kon-
trolą procesów fizjologicznych lub rozwojowych, to na ile te dwa typy
przyczyn są od siebie odrębne? Postrzeganie ewolucji tylko w katego-
riach doboru, działającego na losowo generowaną zmienność, jest
błędne, ponieważ angażowane są tu również procesy instruowane. Z
naszego punktu widzenia dychotomia między fizjologią/rozwojem a
32 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
ewolucją oraz między bezpośrednią a ostateczną przyczyną nie jest tak
absolutna, jak próbuje się przekonywać. Te przyczyny stopniowo
przechodzą jedne w drugie. Jedno ekstremum to czyste procesy dobo-
ru, działającego na losowe zmiany, drugie to procesy wyraznie in-
struowane, które są całkowicie fizjologiczne lub rozwojowe i nie wy-
magają żadnego doboru. Pomiędzy dwiema skrajnościami znajduje się
większość procesów ze świata rzeczywistego, które w różnym stopniu
są i instruowane, i kierowane doborem. Niektóre zmiany rozwojowe,
jak te zachodzące w trakcie rozwoju systemu immunologicznego,
również wykorzystują dobór, podczas gdy niektóre zmiany ewolucyj-
ne, szczególnie u bakterii i roślin, mogą mieć komponenty kierowane
instrukcją. Innymi słowy, ewolucjonizm darwinowski może obejmo-
wać procesy charakterystyczne dla lamarkizmu, ponieważ dziedziczna
zmienność, na którą działa dobór, nie do końca jest ślepa na funkcję;
niektóre zmiany są wymuszone lub nabyte w odpowiedzi na warun-
ki życiowe.
Ten pogląd, dotyczący pochodzenia dziedzicznych zmian, wpływa
na kwestię omówioną w rozdziale pierwszym wprowadzone przez
Dawkinsa rozróżnienie na replikatory (geny) i nośniki (ciała). Zda-
niem Dawkinsa gen jest jednostką dziedziczenia, zmiany i ewolucji,
podczas gdy ciało to jednostka, która się rozwija. Gen, replikator, kon-
troluje ciało-nośnik, które go przenosi, ale zmiany rozwojowe w ciele
nie wpływają na gen. Jednakże, jeśli jak sugerują świadectwa zja-
wiska zachodzące w ciele mogą wpływać na procesy wywołujące
zmiany w genach, podział na replikatory i nośniki rozmywa się. Roz-
wój, dziedziczenie i ewolucja są zanadto od siebie zależne, by można
je było rozdzielać.
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
33
Dialog
I.M **.: Pozwólcie, że podsumuję wasze stanowisko. Przede wszyst-
kim nie każda mutacja jest losową, przygodną zmianą w genach, jak
się kiedyś uważało. Czasami to, czy, kiedy, gdzie i w jakich ilościach
mutacje zachodzą, zależy od doświadczanych przez organizm warun-
ków. Powodem tego są systemy powstałe na drodze ewolucji, które
zmieniają genom w odpowiedzi na wyzwania środowiska. Czy tak?
M.E.: Tak. O tym, jak te systemy mogły wyewoluować, powiemy
więcej w rozdziale 9.
I.M.: Dobrze. Zacznę więc od pierwszego argumentu, który przedsta-
wiłyście na poparcie waszego poglądu. Powiedziałyście, że nie jest
problemem przedstawienie ewolucyjnych przyczyn tego, iż niektóre
zwierzęta i rośliny zawsze rozmnażają się płciowo, podczas gdy inne
robią to raczej rzadko; albo dlaczego u niektórych roślin następuje sa-
mozapłodnienie, a u innych nigdy; lub dlaczego w pewnych obszarach
chromosomu prawie nie występują rekombinacje, natomiast w innych
jest ich znacznie więcej. Sugerujecie zatem, że ponieważ biologom
ewolucyjnym odpowiada idea, zgodnie z którą dobór naturalny w
przeszłości wpłynął na to, kiedy i jak wiele zmian powstaje w trakcie
procesu rozmnażania płciowego, nie może być teoretycznych przeciw-
wskazań co do prawdziwości podobnej koncepcji w przypadku zmian
generowanych przez mutacje. Jeśli wytwarzanie jednego typu zmian
zostało uformowane przez dobór naturalny, czemu nie przyjąć tego w
drugim przypadku? Zgadzam się, że ma to sens, ale argumenty z moż-
liwości nie są ani dowodami, ani przesłankami. Wydaje mi się, że
wasz argument zdobyłby pewne pośrednie wsparcie, gdyby dwa syste-
**
(Przyp. tłum.) Każdy z rozdziałów zakończony jest podsumowującym dialogiem (w
przypadku rozdziału ostatniego w całości przybiera on tę formę). Oponentem Autorek jest If-
cha Mistabra (I.M.) określenie to w języku aramejskim oznacza przeciwstawne przypusz-
czenie [the opposite conjecture]. (Por. JABLONKA and LAMB, Evolution in Four Dimensions...,
s. 3.)
34 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
my generujące zmienność były w jakiś sposób połączone. Czy takie
powiązanie istnieje? Czy rozmnażanie płciowe i mutacje są mechani-
stycznie powiązane?
M.E.: Na poziomie komórkowym istotnie taki związek do pewnego
stopnia zachodzi. Mechanizmy prowadzące do crossing-over rekom-
binacji genów poprzez wymianę fragmentów chromosomu podczas
mejozy są powiązane z mutacjami. Jest to niezmiernie skompliko-
wane zagadnienie, które wiąże się ze sposobem naprawy DNA w ko-
mórkach. O tym związku powiemy więcej w rozdziale 9. Można
ostrożnie przyznać, że systemy enzymatyczne, które kontrolują re-
kombinację oraz systemy produkujące mutacje interpretatywne, za-
chodzą na siebie. Stopień, w jakim oba systemy się pokrywają, nie jest
jeszcze znany.
I.M.: Czy to oznacza, że warunki środowiskowe mogą wpływać tak na
rekombinację, jak i na mutacje? Nie powiedziałyście za wiele na ten
temat poza może tym, że te interesujące stworzenia, wyposażone w
możliwość płciowego i bezpłciowego rozmnażania, przełączają się na
rozmnażanie płciowe, kiedy przeżycie staje się trudne. Myślę, że jest
to równoważne wymuszonym mutacjom globalnym, ponieważ wytwa-
rza dużą zmienność w czasie, kiedy może okazać się użyteczna. Może-
cie przedstawić coś bardziej charakterystycznego? Czy otrzymałyście
kiedykolwiek wymuszony warunkami stresowymi wzrost tempa re-
kombinacji w określonych obszarach chromosomów równoważnik
wymuszonych mutacji lokalnych lub regionalnych?
M.E.: Szok cieplny zwiększa tempo rekombinacji u muszki owocówki
Drosophila. Na zainteresowanie zasługuje fakt, że niektóre obszary są
bardziej podatne na rekombinacje niż inne. Obszary, które nigdy nor-
malnie nie ulegają rekombinacji, jak niewielki chromosom 4, nagle
zaczynają się zmieniać. A niektóre obszary, zwykle bardzo oporne na
rekombinację, wykazują trzydziestokrotny wzrost jej tempa. Nie jest
to więc proces bezładny. Jednakże, co o ile cokolwiek te wymu-
szone lokalne wzrosty tempa rekombinacji oznaczają w kategoriach
zysków adaptacyjnych, nie jest jasne.
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
35
I.M.: Jak wszystkie te wymuszone zmiany genomu mają się do cen-
tralnego dogmatu biologii molekularnej? Argumentowałyście, że to,
co dzieje się w czasie życia organizmu, może wpłynąć na ilość i rodzaj
zmian genetycznych w następnym pokoleniu. Mimo to, jeśli główny
dogmat jest zasadny, nie ma żadnego przekazu informacji z białek z
powrotem do RNA i DNA. Jak więc zdarzenia na poziomie organizmu
a te obejmują również białka wpływają na genom następnego po-
kolenia? Czy nie powinniśmy przyjąć założenia o translacji wstecznej
o przekazie informacji z białka do DNA? Coś takiego z pewnością
nie może zachodzić!
M.E.: Argument, że główny dogmat oznacza, iż dostosowanie do wa-
runków życiowych w trakcie rozwoju nie wpływa na materiał przeka-
zywany następnemu pokoleniu, wysuwany jest od dawna. Podnoszono
go szczególnie w latach 60-tych XX wieku, kiedy zauważono jedno-
kierunkowy charakter transmisji informacji (od DNA do białka, ale
nie na odwrót). Na przykład w roku 1966 John Maynard Smith napi-
sał: Największą zaletą głównego dogmatu jest wyznaczenie jasnego
zadania lamarkistom muszą udowodnić błędność dogmatu . Nie-
dawno Ernst Mayr, jeden z twórców syntetycznej teorii ewolucji, po-
wtórzył ten pogląd, opisując główny dogmat jako ostatni gwózdz do
trumny idei dziedziczności cech nabytych . Jednakże w świetle dzi-
siejszej wiedzy obaj się mylili. By dziedziczyć cechy nabyte, tłuma-
czenie wsteczne nie jest niezbędne z tego prostego powodu, że więk-
szość cech nabytych w ogóle nie wymaga zmian w sekwencji ami-
nokwasów białka. Zauważ, co się dzieje, kiedy komórka reaguje na
zmianę warunków. Co zmienia się w komórce? Czy jest to łańcuch
aminokwasów białka? Zazwyczaj nie. Zmiana polega na włączeniu i
wyłączeniu odpowiednich genów. To ilość różnych białek, a nie ich
sekwencja, ulega zmianie. Tłumaczenie wsteczne nie wiąże się z prze-
kazem takich zmian. Modyfikacja genetyczna, symulująca zmianę na-
bytą, powinna mieć miejsce w regulacyjnych obszarach DNA, a nie w
sekwencjach kodujących białko. Nawet jeśli odpowiedz komórki po-
woduje reorganizację sekwencji aminokwasów, są pewne szanse, że
jest to skutek przekształceń w procesach składania lub translacji, a nie
36 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
zmiana w kodującym obszarze DNA. Ponownie więc modyfikacja ge-
netyczna symulująca zmianę nabytą prawdopodobnie dotyczy sekwen-
cji regulacyjnych, a nie kodujących. Rodzaje zmian genetycznych,
modyfikujące regulację aktywności genu, to te, które zmieniają albo
liczbę kopii genów, albo sekwencję nukleotydów w obszarach kontro-
lnych, albo położenie genu w chromosomie. Obserwujemy je często w
przypadku mutacji interpretatywnych.
I.M.: W związku z tym nasuwają mi się dwa, w pewnym sensie
przeciwstawne, pytania. Po pierwsze: jeśli te mutacje są tak pożytecz-
ne, to dlaczego jest ich tak mało? Zastanawia mnie, dlaczego tak trud-
no znalezć przykłady tych ukierunkowanych i na wpół ukierunkowa-
nych mutacji, mimo że mogłyby przynieść organizmowi tak wiele po-
tencjalnych korzyści?
M.E.: Częściowej odpowiedzi udzielił eksperyment myślowy. Strate-
gia plemienia Konserwatystów, by zawsze postępować tak samo, oka-
zuje się skuteczna tylko, jeśli powtarza się dokładnie taka sama sytu-
acja. Zawodzi, jeśli zdarzy się najmniejsze odstępstwo. Podobnie pre-
cyzyjna, ukierunkowana mutacja w odpowiedzi na zmianę nie wydaje
się dobrym rozwiązaniem problemów komórki, ponieważ zwykle
identyczne warunki środowiskowe nie powtarzają się zbyt często. Nie
oczekujemy zatem, że system precyzyjnego dostrajania mutacji ukie-
runkowanych będzie częstym efektem ewolucji. Najefektywniejszą
odpowiedzią genomową na większość zmiennych warunków jest zga-
dywanie bazujące na posiadanych informacjach, a następnie, po
uwzględnieniu podanej odpowiedzi, improwizacja coś, co nazwały-
śmy systemem mutacji interpretatywnych. Odkrywamy ich coraz wię-
cej, szczególnie u bakterii, chociaż ciągle niewiele o nich wiemy.
I.M.: To prowadzi do mojego drugiego, przeciwstawnego pytania. W
rozdziale drugim podkreślałyście złożoność relacji między genami a
cechami. Stwierdziłyście, że zwykle zmiana w genie, jeśli w ogóle ma
efekt, to nie jeden, co jest dostrzegalne szczególnie u organizmów
wielokomórkowych. Jeśli tak, to nowa mutacja może być pożyteczna
dla jednego typu komórek, powiedzmy dla komórek wątroby, ale
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
37
szkodliwa dla innego typu, na przykład dla komórek nerwowych. Na
pewno zachodzi możliwość, że ogólny efekt mutacji, po uwzględnie-
niu jej wielu kontekstów, będzie negatywny. Nawet większość tego,
co nazwałyście mutacjami interpretatywnymi, wydaje się problema-
tyczna. Szansa, że dowolny rodzaj ukierunkowanej mutacji służyłby
organizmowi dobrze we wszystkich zróżnicowanych środowiskach i
wszystkim typom komórek, wydaje się raczej niewielka, być może tak
mała, jak w przypadku mutacji losowych. Dlaczego w ogóle oczeki-
wać pojawienia się ukierunkowanych lub częściowo ukierunkowanych
mutacji?
M.E.: Poruszasz w tym miejscu bardzo podstawowy problem. By jaki-
kolwiek rodzaj wymuszonych mutacji modyfikował cechy pod wzglę-
dem adaptacyjnym, zmiana na poziomie organizmu musi wspierać
produkcję odpowiednich zmian na poziomie genu. Niełatwo jest to
przewidzieć u złożonych organizmów wielokomórkowych. W przy-
padku bakterii lub innych organizmów jednokomórkowych, nie tak
trudno wyobrazić sobie, jak zmiana stanu komórki mogłaby wpłynąć
na genom w sposób, który byłby adaptacją. Dałyśmy przykład tego
typu reakcji genomu ( lokalny rodzaj mutacji wymuszonych), kiedy
opisałyśmy, jak tempo mutacji uszkodzonego genu, syntetyzującego
pewien aminokwas u E. coli , zwiększa się, gdy występuje niedobór
aminokwasu. Jednakże nawet tutaj, przy dużym nakierowaniu mutacji,
w zmianach produkowanych w obrębie wybranego obszaru losowość
występuje. Ale masz rację: kiedy system jest złożony, a wiele oddzia-
ływań między genami a środowiskiem wywołuje pośrednie efekty fe-
notypowe, przekaz informacji od organizmu do DNA staje się mniej
prawdopodobny. Również z tego powodu nie oczekujemy translacji
wstecznej. Nawet jeśli informacja mogłaby zostać przekazana ze
zmienionego białka do sekwencji DNA, która to białko koduje, pro-
wadziłoby to do adaptacji tylko w bardzo niewielu przypadkach, kiedy
relacja gen-białko-cecha byłaby bardzo prosta. A zwykle taka nie jest.
I.M.: Tak więc im bardziej złożony organizm, tym mniejsze prawdo-
podobieństwo posiadania systemów, umożliwiających zachodzenie
ukierunkowanych zmian genetycznych?
38 Eva Jablonka i Marion J. Lamb, Zmiana genetyczna...
M.E.: I tak, i nie. Nie zapominaj, że ukierunkowane zmiany genetycz-
ne odkryto w obrębie organizmów złożonych polegamy na nich w
przypadku naszych reakcji immunologicznych. Mają charakter adapta-
cyjny, ponieważ ograniczają się do jednego typu komórki. Tak więc
podstawowy mechanizm kontrolowanych zmian genetycznych jest z
pewnością obecny także u takich organizmów, jak nasze. Niemniej, na
ile wiemy, nie jest on wykorzystany do wytwarzania ukierunkowa-
nych zmian w genach przekazywanych z jednego pokolenia na drugie.
Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy może być fakt, że jakkolwiek
mutacje zlokalizowane są w genomie, u złożonych organizmów muta-
cje ukierunkowane miałyby losowy wpływ na organizm jako ca-
łość, właśnie ze względu na złożone oddziaływania komórkowe.
I.M.: Wnioskujecie, że chociaż pewne mikroorganizmy wykształciły
systemy, umożliwiające im po części lamarkowską ewolucję poprzez
przekaz informacji genetycznej, która została zmodyfikowana w odpo-
wiedzi na ich warunki życiowe, bardziej złożone organizmy tego nie
potrafią. Czy mam rację?
M.E.: Uważamy za mało prawdopodobne, by złożone organizmy po-
siadały systemy, umożliwiające wymuszanie zmian adaptacyjnych na
genach przekazywanych potomstwu, chociaż nie wykluczamy takiej
możliwości. Jeśli spojrzeć na to z ewolucyjnego punktu widzenia, or-
ganizmy wielokomórkowe znajdują się w osobliwej sytuacji. Z jednej
strony, pod wieloma względami przekazywanie wymuszonych, naby-
tych cech byłoby korzystne. Z drugiej jednak strony, możliwość
przekazu informacji adaptacyjnej poprzez wymuszanie zmian w DNA
zmniejszałaby się wraz ze wzrostem złożoności biologicznej.
I.M.: Zgadzacie się zatem, że u organizmów złożonych nie zachodzi
ewolucja lamarkowska?
M.E.: W żadnym razie się nie zgadzamy. Jak wcześniej powiedziały-
śmy, geny to nie wszystko, co zostaje odziedziczone. Pewne systemy
przekazują informację pomiędzy pokoleniami na poziomie ponadge-
netycznym. W tym przypadku adaptacje zachodzące w trakcie życia są
sprzężone znacznie bardziej bezpośrednio z informacją, którą orga-
Filozoficzne Aspekty Genezy 2007/2008, t. 4/5
39
nizm transmituje do następnego pokolenia. W rezultacie, poprzez po-
nadgenetyczne systemy dziedziczenia, organizmy złożone mogą prze-
kazywać pewne cechy nabyte. Tak więc i w ich przypadku ewolucja
lamarkowska jest z pewnością możliwa. W następnych trzech rozdzia-
łach opiszemy te dodatkowe systemy dziedziczenia epigenetyczny,
behawioralny i symboliczny oraz pokażemy, w jaki sposób mogą
wywierać zarówno bezpośredni jak i pośredni wpływ na zmiany ewo-
lucyjne.
Eva Jablonka i Marion J. Lamb
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
3 Zmiana NawykówDz U 2003 190 1864 zmiana z dnia 2003 09 12Algorytmy genetyczne a logika rozmytaARTYKUŁY ZMIANA ŚWIATA PRZEZ ZMIANĘ SIEBIEmoje genetyczny algwięcej podobnych podstron