Науката е постигнала огромен напредък и постижения в генетиката след края на 21 век. Учените са секвенирали и картографирали цели геноми на повече от 2800 организма / вида, включително и човека, и броят е включен. [1]
Макроеволюцията на теорията за еволюцията ни казва, че хората, както и другите многоклетъчни форми на живот, са се развили от примитивни едноклетъчни организми, които попадат под царството на прокариотите или дори по-примитивни. [2] Прокариотите са едноклетъчни организми, които нямат истинско ядро, тъй като геномът им не се съдържа в мембрана, нито се отличава от останалата част на клетката. Те са най-ранните и примитивни форми на живот, открити на земята. [3] Има ли шанс тази еволюция да се осъществи от обикновена, единична клетка до човек през епохата на Вселената?
Човешкият геном [4] съдържа приблизително 3 милиарда химични нуклеотидни двойки (A, C, T и G). [5] Приблизително 34 милиона нуклеотидни основи на човешкия геном кодират за производството на протеини, които са жизненоважни за всички живи процеси. [6] Тези 34 милиона нуклеотиди се наричат гени. Протеините са направени от аминокиселини. Всяка аминокиселина е кодирана от кодон и всеки кодон е съставен от 3 нуклеотида.
Можете да мислите за нуклеотиди като азбуки с 4 букви, а кодоните като думи с дължина 3 букви.
Последователността на тези нуклеотиди в гените е това, което определя характеристиките и функциите на живия организъм и неговата природа; ще бъде ли бактерия, растение, муха, риба или човек. Последователността на това кодиране в човешки гени, както и в други организми, е толкова сложна, прецизна и добре организирана, че е сравнима с последователността на азбуките в Шекспировата поема, роман, дипломна работа, компютърна програма или енциклопедия от 2 милиона думи (или 2 тома).
Според макроеволюцията тази прецизна последователност, кодиране, е възникнала чрез случайни мутации [7] и естествен подбор.
Максимално възможни мутации през епохата на Вселената
Ще се опитаме да открием тук максималния брой мутации, които могат да се появят през епохата на Вселената, въз основа на предположения, благоприятстващи еволюцията.
Максималният брой мутации, които човешкият геном може да претърпи по време на процеса на еволюция от една клетка до човек, е 3 милиарда мутации на поколение, тъй като това е най-големият размер, до който е достигнал геномът на бозайниците. Това е крайно предположение в полза на еволюцията. В действителност, честотата на мутацията варира приблизително между 0,003 и 350 мутации на геном на поколение. [8]
Най-краткото време за поколение, отчетено към днешна дата, е генерирането на Pseudomonas natriegens, морска бактерия с време на поколение 9,8 минути. [9] Въпреки това, стигайки докрай в полза на еволюцията, можем да предположим, че получаваме ново поколение всяка секунда. По този начин през епохата на Вселената [10], която е около 15 милиарда години, [11] максималният брой поколения, които могат да бъдат достигнати, е:
Възрастта на Вселената в години × Дни на година × Секунди на ден
15 милиарда × 365 × 86400,
което се равнява на по-малко от 1018 поколения (1 с 18 нули след него).
Последната информация, необходима за изчисляване на максималния брой възможни мутации, е популацията на тези едноклетъчни организми. За това ще приемем много голям брой, който не оставя място за повече; броят на атомите в наблюдаваната вселена, който е около 1082. [12]
По този начин, въз основа на предишни резултати и щедри предположения, максималният брой мутации, които могат да се появят в цялата Вселена и по време на нейната възраст, е:
Мутации на поколение × Поколения по време на Вселената × Население
3 милиарда × 1018 × 1082,
което се равнява на по-малко от 10110 мутации (1 със 110 нули след нея).
Брой случайни мутации, необходими за еволюцията в човек
Гените на човешкия геном се състоят от приблизително 34 милиона нуклеотиди. [13]
Най-големият геном в прости едноклетъчни организми, прокариоти, е около 13 милиона нуклеотиди. [14]
По този начин има разлика от поне 21 милиона нуклеотиди между прокариотните организми и хората. И за да се развие една клетка в човек, еволюционният процес трябва да мутира - което може да включва вмъкване - поне 21 милиона нуклеотиди с правилната нуклеотидна основа и в правилната последователност.
В гените всяка аминокиселина - градивен елемент на протеините, които са жизненоважни за всички живи процеси - се кодира от 3 нуклеотида, което се нарича кодон. 21 милиона нуклеотиди означава 7 милиона кодона.
Случайните мутации имат един от трите ефекта: Неутрален, Вреден (вреден) или полезен. Само полезните мутации могат да допринесат за еволюционния процес.
В живите организми има 20 различни аминокиселини и стоп-код, [15] по този начин, общият брой е 21. [16] Всяка мутация ще доведе до една от тези 20 аминокиселини или стоп-кода. [17]
Следователно, всяка мутация, попадаща в гени, кодиращата област на генома, [18] има шанс приблизително 1/21 да не промени аминокиселината (т.е. кодиране за същата аминокиселина) и по този начин да бъде неутрална мутация, и шанс приблизително 20/21 да промени аминокиселината. [19] 70% от тези 20/21 мутации са вредни (вредни) мутации. [20] Независимо от това, в името на еволюцията ще приемем, че всички мутации, които променят аминокиселините, са полезни мутации. По този начин всяка мутация има шанс приблизително 20/21 да бъде полезна. [21]
Следователно вероятността 7 милиона кодона да мутират на случаен принцип с полезни мутации е:
Шанс на мутацията да бъде от полза за силата на Брой кодони
20/21 до 7 милиона,
което се равнява на 1 до повече от 10100 000 (1 със 100 000 нули след него) [22].
Може ли естественият подбор да увеличи шансовете за мутации в нашия сценарий? Никога, тъй като това, което всъщност прави естественият подбор, е поддържане на линии с полезни или неутрални мутации и елиминиране на линии с вредни мутации. Естественият подбор не предотвратява повторното мутиране на полезните мутации. Освен това в нашия сценарий вече сме приели, че всички мутации са или неутрални, или полезни, и са изключили вредните мутации. По този начин естественият подбор не може да бъде по-добър в този сценарий.
Заключение
Следователно, ние се нуждаем от повече от 10100 000 (1 със 100 000 нули след него) случайни мутации, за да се появят, така че прости едноклетъчни организми да се развият в човек, докато ние можем да получим само по-малко от 10110 (1 със 110 нули след него) мутации през епохата на Вселената, дори когато цялата Вселена е етап за този еволюционен процес.
Всички тези изчисления се основаваха на човешки гени - които представляват по-малко от 2% от генома - без да се отчита боклучната област, която консумира приблизително 98% от човешкия геном, което се оказа, че вече не е боклук. Консорциумът ENCODE Project успя да възложи биохимични функции за 80% от човешкия геном и установи, че приблизително 20% от него регулира гените. Резултатите от петгодишния проект ENCODE бяха публикувани през 2012 г. в списанията Nature, Science, Genome Biology и Genome Research. [23] 442-те изследователи на консорциума ENCODE, разположени в 32 института по света, използваха 300 години компютърно време и пет години в лабораторията, за да получат своите резултати.
Надявам се това проучване да е от полза при хвърлянето на малко светлина по тази ключова тема.
