Наука достигла огромных успехов и достижений в генетике с начала XXI века. Ученые секвенировали и нанесли на карту полные геномы более 2800 организмов / видов, включая человека, и подсчет продолжается. [1]
Макроэволюция теории эволюции говорит нам, что люди, как и другие многоклеточные формы жизни, произошли от примитивных одноклеточных организмов, подпадающих под царство прокариот или даже более примитивных [2]. Прокариоты - это одноклеточные организмы, у которых нет истинного ядра, поскольку их геном не содержится в мембране и не отличается от остальной части клетки. Это самые ранние и примитивные формы жизни, обнаруженные на Земле. [3] Есть ли шанс, что эта эволюция произошла от простой одиночной клетки до человека в эпоху Вселенной?
Геном человека [4] содержит около 3 миллиардов химических пар нуклеотидных оснований (A, C, T и G). [5] Приблизительно 34 миллиона нуклеотидных оснований генома человека кодируют производство белков, которые жизненно важны для всех жизненных процессов. [6] Эти 34 миллиона нуклеотидов называются генами. Белки состоят из аминокислот. Каждая аминокислота кодируется кодоном, и каждый кодон состоит из 3 нуклеотидов.
Вы можете думать о нуклеотидах как о алфавитах из 4 букв, а о кодонах как о словах из 3 букв.
Последовательность этих нуклеотидов в генах определяет характеристики и функции живого организма и его природу; будет ли это бактерия, растение, муха, рыба или человек. Последовательность этого кодирования в генах человека, а также других организмов настолько сложна, точна и хорошо организована, что сравнима с последовательностью алфавитов в стихотворении Шекспира, романе, диссертации, компьютерной программе или энциклопедия объемом 2 миллиона слов (или 2 тома).
Согласно макроэволюции, эта точная последовательность, кодирование, возникла в результате случайных мутаций [7] и естественного отбора.
Максимально возможные мутации в эпоху Вселенной
Мы попытаемся выяснить здесь максимальное количество мутаций, которые могут произойти в эпоху Вселенной, основываясь на предположениях, благоприятствующих эволюции.
Максимальное количество мутаций, которые может претерпеть человеческий геном в процессе эволюции от одной клетки до человека, составляет 3 миллиарда мутаций на поколение, поскольку это самый большой размер, которого достиг геном млекопитающих. Это крайнее предположение в пользу эволюции. В действительности, частота мутаций колеблется примерно от 0,003 до 350 мутаций на геном на поколение. [8]
Самое короткое время генерации, о котором сообщалось на сегодняшний день, - это генерация Pseudomonas natriegens, морской бактерии с временем генерации 9,8 минут. [9] Тем не менее, идя еще раз до предела в пользу эволюции, мы можем предположить, что каждую секунду мы получаем новое поколение. Таким образом, в течение возраста Вселенной [10], который составляет около 15 миллиардов лет [11], максимальное количество поколений, которое может быть достигнуто, составляет:
Возраст Вселенной в годах × Дней в году × Секундах в день
15 миллиардов × 365 × 86400,
что составляет менее 1018 поколений (1 с 18 нулями после него).
Последняя информация, необходимая для расчета максимального количества возможных мутаций, - это популяция этих одноклеточных организмов. Для этого мы предположим очень большое число, которое не оставляет места для большего; число атомов в наблюдаемой Вселенной составляет около 1082. [12]
Таким образом, исходя из предыдущих результатов и щедрых предположений, максимальное количество мутаций, которые могут произойти во всей вселенной и в течение ее возраста, составляет:
Мутации на поколение × Поколения в эпоху Вселенной × Население
3 миллиарда × 1018 × 1082,
что составляет менее 10110 мутаций (1 со 110 нулями после).
Количество случайных мутаций, необходимых для превращения в человека
Гены человеческого генома состоят приблизительно из 34 миллионов нуклеотидов. [13]
Самый большой геном у простых одноклеточных организмов, прокариот, составляет около 13 миллионов нуклеотидов. [14]
Таким образом, между прокариотическими организмами и людьми существует разница как минимум в 21 миллион нуклеотидов. А для того, чтобы отдельная клетка превратилась в человека, в процессе эволюции необходимо мутировать - что может включать в себя вставку - по крайней мере, 21 миллиона нуклеотидов с правильным нуклеотидным основанием и в правильной последовательности.
В генах каждая аминокислота - строительный блок белков, которые жизненно важны для всех жизненных процессов - кодируется тремя нуклеотидами, которые называются кодоном. 21 миллион нуклеотидов означает 7 миллионов кодонов.
Случайные мутации имеют один из трех эффектов: нейтральный, пагубный (вредный) или полезный. Только полезные мутации могут способствовать эволюционному процессу.
В живых организмах существует 20 различных аминокислот и стоп-код [15], таким образом, всего 21. [16] Любая мутация приведет к одной из этих 20 аминокислот или стоп-коду. [17]
Следовательно, каждая мутация, попадающая в гены, кодирующую область генома [18], имеет шанс примерно 1/21 не изменять аминокислоту (т.е. кодировать ту же аминокислоту) и, таким образом, быть нейтральной мутацией, и шанс примерно 20/21 изменения аминокислоты. [19] 70% этих мутаций 20/21 являются вредными (вредными) мутациями [20]. Тем не менее, ради эволюции мы предположим, что все мутации, изменяющие аминокислоты, являются полезными мутациями. Таким образом, у каждой мутации примерно 20/21 шансов оказаться полезной. [21]
Следовательно, вероятность случайной мутации 7 миллионов кодонов с полезными мутациями составляет:
Вероятность мутации в пользу преимущества от числа кодонов
20/21 до степени 7 миллионов,
что равняется от 1 до более чем 10100 000 (1 со 100 000 нулями после нее). [22]
Мог ли естественный отбор увеличить вероятность мутаций в нашем сценарии? Никогда, поскольку естественный отбор в основном поддерживает линии с полезными или нейтральными мутациями и устраняет линии с вредными мутациями. Естественный отбор не предотвращает повторную мутацию полезных мутаций. Более того, в нашем сценарии мы уже предположили, что все мутации нейтральны или полезны, и исключили вредные мутации. Таким образом, в этом сценарии естественный отбор не может быть лучше.
Заключение
Таким образом, нам нужно более 10100000 (1 со 100000 нулями после него) случайных мутаций, чтобы простые одноклеточные организмы могли эволюционировать в человека, в то время как мы можем получить только менее 10110 (1 со 110 нулями). после него) мутации в эпоху Вселенной, даже когда вся Вселенная является стадией этого эволюционного процесса.
Все эти расчеты основывались на человеческих генах, составляющих менее 2% генома, без учета мусорной области, которая потребляет примерно 98% человеческого генома, которая, как оказалось, больше не была мусорной. Консорциум проекта ENCODE смог назначить биохимические функции для 80% генома человека и обнаружил, что примерно 20% из него регулируют гены. Результаты пятилетнего проекта ENCODE были опубликованы в 2012 году в журналах Nature, Science, Genome Biology и Genome Research. [23] 442 исследователя консорциума ENCODE из 32 институтов по всему миру использовали 300 лет компьютерного времени и пять лет в лаборатории, чтобы получить свои результаты.
Надеемся, что это исследование помогло пролить свет на эту важную тему.
