과학은 21 세기가 시작된 이래 유전학에서 엄청난 발전과 성취를 이루었습니다. 과학자들은 인간을 포함한 2800 개 이상의 유기체 / 종의 전체 게놈을 시퀀싱하고 매핑했으며 그 수는 계속 켜져 있습니다. [1]

진화론의 대 진화는 인간뿐만 아니라 다른 다세포 형태의 생명체가 원핵 생물의 왕국에 속하거나 훨씬 더 원시적 인 생명체로부터 진화했다고 알려줍니다. [2] 원핵 생물은 게놈이 막 내에 포함되어 있지 않고 세포의 나머지 부분과 구별되지 않기 때문에 진정한 핵이없는 단세포 유기체입니다. 그들은 지구상에서 발견되는 가장 초기의 그리고 가장 원시적 인 형태의 생명체입니다. [3] 이 진화가 우주 시대에 단순한 단일 세포에서 인간으로 일어 났을 가능성이 있습니까?

인간 게놈 [4]은 약 30 억 개의 화학적 염기쌍 (A, C, T, G)을 포함합니다. [5] 인간 게놈의 약 3,400 만 뉴클레오티드 염기는 모든 살아있는 과정에 필수적인 단백질 생산을 암호화합니다. [6] 이 3,400 만 개의 뉴클레오티드를 유전자라고합니다. 단백질은 아미노산으로 만들어집니다. 각 아미노산은 코돈에 의해 암호화되며 각 코돈은 3 개의 뉴클레오티드로 구성됩니다.

뉴클레오타이드는 4 자 풀의 알파벳으로, 코돈은 3 자 길이의 단어로 생각할 수 있습니다.

유전자 내에서 이러한 뉴클레오티드의 서열은 살아있는 유기체의 특성과 기능과 그 성질을 정의하는 것입니다. 박테리아, 식물, 파리, 물고기 또는 인간일까요? 인간 유전자와 다른 유기체에서이 코딩의 순서는 매우 정교하고 정확하며 잘 조직되어 셰익스피어의시, 소설, 논문, 컴퓨터 프로그램 또는 2 백만 단어 (또는 2 권)의 백과 사전.

대 진화에 따르면,이 정확한 서열, 코딩은 무작위 돌연변이 [7]와 자연 선택에 의해 생겨났습니다.

우주 시대에 가능한 최대 돌연변이

우리는 여기에서 진화를 선호하는 가정에 기초하여 우주 시대에 발생할 수있는 최대 돌연변이 수를 알아 내려고 노력할 것입니다.

인간 게놈이 단일 세포에서 인간으로 진화하는 과정에서 겪을 수있는 최대 돌연변이 수는 포유류의 게놈이 도달 한 최대 크기이기 때문에 세대당 30 억 개의 돌연변이입니다. 이것은 진화에 찬성하는 극단적 인 가정입니다. 실제로 돌연변이 비율은 세대당 게놈 당 약 0.003 ~ 350 개의 돌연변이 범위입니다. [8]

현재까지보고 된 가장 짧은 생성 시간은 생성 시간이 9.8 분인 해양 박테리아 인 Pseudomonas natriegens의 생성입니다. [9] 그럼에도 불구하고 진화를 위해 다시 한 번 최선을 다하면 우리는 매초마다 새로운 세대를 얻고 있다고 가정 할 수 있습니다. 따라서 약 150 억년 인 우주 시대 [10]에 도달 할 수있는 최대 세대 수는 다음과 같습니다.

우주 연령 (년) × 일수 × 하루 초

150 억 × 365 × 86400

1018 세대 미만 (1은 그 뒤에 0이 18 개 있음).

가능한 돌연변이의 최대 수를 계산하는 데 필요한 마지막 정보는 이러한 단세포 유기체의 개체군입니다. 이를 위해 우리는 더 이상 자리를 남기지 않는 매우 많은 수를 가정 할 것입니다. 관측 가능한 우주의 원자 수는 약 1082 개입니다. [12]

따라서 이전 결과와 관대 한 가정에 따르면 전체 우주에서 그리고 그 나이 동안 발생할 수있는 최대 돌연변이 수는 다음과 같습니다.

세대당 돌연변이 × 우주 시대의 세대 × 인구

30 억 × 1018 × 1082

, 10110 개 미만의 돌연변이 (1 개 뒤에 0이 110 개 있음).

인간으로의 진화에 필요한 무작위 돌연변이

의 수 인간 게놈의 유전자는 약 3400 만 개의 뉴클레오티드로 구성됩니다. [13]

단순한 단세포 유기체 인 원핵 생물에서 가장 큰 게놈은 약 1,300 만 개의 뉴클레오티드입니다. [14]

따라서 원핵 생물과 인간 사이에는 최소 2,100 만 개의 뉴클레오티드 차이가 있습니다. 그리고 단일 세포가 인간으로 진화하기 위해서는 진화 과정에서 정확한 염기 염기와 정확한 서열로 최소 2,100 만 개의 뉴클레오티드를 돌연변이 (삽입 포함)해야합니다.

유전자에서 각 아미노산 (모든 살아있는 과정에 필수적인 단백질의 구성 요소)은 코돈이라고하는 3 개의 뉴클레오티드로 코딩됩니다. 2100 만 개의 뉴클레오티드는 7 백만 개의 코돈을 의미합니다.

무작위 돌연변이에는 중립, 유해 (유해) 또는 유익의 세 가지 효과 중 하나가 있습니다. 유익한 돌연변이 만이 진화 과정에 기여할 수 있습니다.

살아있는 유기체에는 20 개의 다른 아미노산과 정지 코드가 있으며 [15] 따라서 총 21 개입니다. [16] 어떤 돌연변이라도이 20 개의 아미노산 중 하나 또는 정지 코드로 이어집니다. [17]

따라서 게놈의 코딩 영역 인 유전자 내부에있는 각 돌연변이 [18]는 아미노산을 변경하지 않고 (즉, 동일한 아미노산을 코딩하는) 중성 돌연변이가 될 확률이 약 1/21이고, 약 20/21의 아미노산 변경 가능성. [19] 이러한 20/21 돌연변이의 70 %는 해로운 (유해한) 돌연변이입니다. [20] 그럼에도 불구하고 진화를 위해 우리는 아미노산을 변화시키는 모든 돌연변이가 유익한 돌연변이라고 가정 할 것입니다. 따라서 각 돌연변이는 약 20/21의 유익한 기회를가집니다. [21]

따라서 7 백만 개의 코돈이 유익한 돌연변이로 무작위로 돌연변이 될 확률은 다음과 같습니다.

Number of codons

20/21의 거듭 제곱에서 7 백만의 거듭 제곱으로

1에서 10100,000 이상 (1 개 뒤에 0 만 개의 0이있는 1) 에 이로운 돌연변이 확률 . [22]

자연 선택이 우리 시나리오에서 돌연변이 가능성을 높였 을까요? 결코, 자연 선택이 기본적으로하는 것은 유익하거나 중립적 인 돌연변이가있는 혈통을 유지하고 유해한 돌연변이가있는 혈통을 제거하는 것입니다. 자연 선택은 유익한 돌연변이가 다시 돌연변이되는 것을 방지하지 않습니다. 더욱이 우리의 시나리오에서 우리는 이미 모든 돌연변이가 중립적이거나 유익하다고 가정하고 유해한 돌연변이를 배제했습니다. 따라서 자연 선택은이 시나리오에서 더 잘할 수 없습니다.

결론

따라서 우리는 단순한 단세포 유기체가 인간으로 진화 할 수있는 반면 10110 개 (1 개는 110 개의 0) 만 얻을 수 있도록 무작위 돌연변이가 발생하기 위해서는 10100,000 개 (1 개는 0 만 개)가 필요합니다. 그 후) 우주 시대 동안의 돌연변이, 심지어 전체 우주가이 진화 과정의 한 단계 일 때도 말입니다.

이 모든 계산은 인간 게놈의 약 98 %를 소비하는 정크 영역을 고려하지 않고 게놈의 2 % 미만을 구성하는 인간 유전자를 기반으로했으며, 더 이상 정크가 아닌 것으로 판명되었습니다. ENCODE 프로젝트 컨소시엄은 인간 게놈의 80 %에 대해 생화학 적 기능을 할당 할 수 있었고 그 중 약 20 %가 유전자를 조절한다는 것을 발견했습니다. 5 년에 걸친 ENCODE 프로젝트의 결과는 2012 년 Nature, Science, Genome Biology 및 Genome Research 저널에 게재되었습니다. [23] 전 세계 32 개 기관에 위치한 ENCODE 컨소시엄의 442 명의 연구원은 결과를 얻기 위해 300 년의 컴퓨터 시간과 5 년의 실험실 작업을 사용했습니다.

이 연구가이 중요한 주제에 대해 약간의 빛을 비추는 데 도움이되기를 바랍니다.