В ерата на клонинга

Идеята за клониране на човешки същества е жива от много десетилетия насам. Започнала още от страниците на научнофантастичните романи, продължена от откриването на ДНК и развитието на генетиката, тази мечта днес е напълно осъществима. Но доколко морална е тя, трябва ли да се хвърлят огромни средства около нея и какво всъщност представлява клонирането? Задавали ли сте си тези въпроси?

Като чисто биологичен процес клонирането представлява начин за получаване на няколко идентични организма по безполов (включително вегетативен) начин за размножаване. В наши дни терминът „клониране“ се използва по правило в по-различен смисъл и означава копиране на клетки, гени, антитела и даже на многоклетъчни организми в лабораторни условия. Екземплярите, които се появяват в резултат на безполовото размножаване, принципно са генетично еднакви, но дори при тях може да се наблюдава наследствена изменчивост, която се обуславя от случайни мутации. Факти, чиито подробности ще разберете след малко.

Клонингите на практика

Научната дума „клонинг“ (от гръцки klon – клон, израстък) се отнася до редица следващи едно след друго поколения на наследствено близки потомци на един-единствен организъм (растение, животно, микроорганизъм), който се образува в резултат на безполово размножаване. Класически пример за такова нещо е размножаването на амебата, чиято клетка се дели, а всяка от двете получени се дели наново, образувайки нови 4 и т.н. В основите на методиката на клонирането лежи моделът на размножаване, при който вътре в клетката протича и разделяне на генетичната информация.

Клонирането на хора се постига чрез техника, базирана на трансфер на клетъчни ядра от нормални соматични клетки (SCNT). Процесът включва вкарване на материал от ядрото на клетката, обикновено от кожата, в ооцит – женска първична яйцеклетка, която все още не е преминала процеса на трансформация към зряла яйцеклетка. Ядрото на ооцита се премахва или се деактивира, като се внася ядрото от чуждата клетка. След това ооцитът се превръща в зряла яйцеклетка, която не е нужно да бъде фертилизирана (оплождана), защото вече съдържа нужното количество генетична информация. Новият организъм започва да се дели и нараства, оформяйки новия човешки ембрион.

Клонингите не са ксерокопия или двойници на човека

Повечето хора всъщност не разбират как протича самият процес на клониране. Даже повечето грешно си представят, че клонингът на дадено животно или човек е нещо като ксерокопие – хоп и от лабораторията излиза ваш (или на някой друг) готов двойник. Е, разбира се, това далеч не е така.

Днес е възможно с клониране да копирате живи организми по безполов начин и да отглеждате копия на живи същества, включително бозайници (каквито са хората). Но човешките клонинги, ако можете да ги създавате, всъщност са нещо като близнаци на другия човек, само че с разлика в годините. Тоест – ако искате да клонирате себе си, човек, да речем, на около 40-годишна възраст, то може да го направите, но ще трябва да изчакате той да се роди и порасне в следващите 40 години – т.е. НЕ можете да го отгледате в лабораторни условия директно като жив екземпляр на 40 години. За тази грешна представа са виновни предимно научнофантастичните филми (като например сериалите Westworld, Altered Carbon и др.), в които клонингите се отглеждат за нула време и са възрастни, напълно годни за живот хора… или истински чудовища.

Човешките клонинги, ако изобщо ги има сред нас, са съвсем нормални човешки същества. Те са износени в утробата на истинска жена в продължение на 9 месеца, родили са се, възпитавани са в семейства, както всяко нормално дете. Така че идентичното копие на изходния човек е с няколко десетилетия по-младо от оригинала и няма как да ги объркате.

Ето и научното обяснение – клонингите не възпроизвеждат точно генетичния материал на донора. Всички човешки клетки, включително яйцеклетките и сперматозоидите, съдържат малки, произвеждащи енергия органели, наречени митохондрии. Те съдържат малко количество собствена ДНК, която има специфични генетични заложби за изработката на няколко уникални митохондриални белтъци. SCNT процесът трансферира ядро от чужда клетка в ооцита, но последният съдържа митохондриална ДНК на донора. И по този начин, точно като при сексуалната репродукция ембрионът се формира, съдържайки генетичен материал от два различни индивида.

Клонирането всъщност не е безопасно и безгрешно

Не си мислете, че можете просто да клонирате някакъв организъм, а след това да го ползвате с лекота за „резервни части“. Поради липсващи изключително важни взаимодействия между яйцеклетката и сперматозоида винаги се появяват генетични грешки при възпроизвеждането, които се наследяват от клонинга. Това води до непредсказуеми, случайни генетични промени и индивидуални „дефекти“, които често при нормалните организми водят до израждане на клетките, по-известни като ракови образувания.

technology with science in future and cloning

Точно заради тези дефекти клетките, които вземате впоследствие от клонинга и инжектирате обратно в донора, винаги се отхвърлят заради генетичните разлики от митохондриалната ДНК и неспособността на вече „остарелите“ клетки да се впишат правилно в тъканите на възрастния донорски организъм. Този факт е едно от най-големите препятствия за използването на материали от клонирани ембриони за лечението на болести, макар и пробиви в тази област да се правят постоянно.  

Защо клонирането е толкова желано и вълнуващо?

Като цяло от хуманна гледна точка клонирането би било полезно най-вече поради две причини: за да дадем възможност на бездетни семейства да имат свои деца, а втората е малко по-егоистична – да можем да създаваме копия на личности с изключителни качества – умствени, физически и т.н.

Втората причина обаче наистина води и до множество морални проблеми. Дори да ви се струва логично да клонирате знаменити учени, творци, интелектуалци, спортисти, то няма гаранция, че тяхното идентично копие ще има същия принос за цивилизацията като оригинала. Вземете например Алберт Айнщайн. Дори да отгледате негово ДНК копие, приличащо на него като две капки вода, то няма никаква гаранция, че отгледаното дете ще иска да стане физик, а не например обущар или шофьор. Житейските фактори около един човек оказват огромно влияние над решенията и бъдещето му. Така че Айнщайн-клонингът може да не прояви същата гениалност, въпреки че всички очакват това от него. Същото се отнася и за известните личности в други области. На практика не можете да разчитате, че едно копие на Ганди или Жул Верн ще попадне в същите житейски обстоятелства, които са формирали първия като борец за независимост, а втория като писател. Или още по-забавно – представете си, че почитателите на Мерилин Монро я клонират, а след 20 години новата красавица се огледа наоколо и си каже „Господи, в какъв мрачен лош свят съм се родила!“ – и реши да отиде в манастир?

Според данни на статистически агенции 9 от 10 американци считат, че клонирането на човека вече е възможно или поне ще е възможно в близко бъдеще, като то задължително трябва да бъде забранено поради ред причини. Почти същото число хора са против клонирането и на животни. Но така или иначе днес живеем в общество, в което мнението на болшинството (или на богатите) може да се окаже решаващо. И въпреки забраните и опасенията компании като „Клонейд“ намират всякакви начини да заобиколят закона и да правят опити с хора. „Клонейд“ вече дори официално е обявявала за старта на програмата си за клониране на починало на 10 месеца момиченце, чиито родители са заплатили 560 000 долара. А това е само една от многото заявки към компанията.

Няколко любопитни факта

На 23 февруари 1997 година в лаборатория във Великобритания под ръководството на генетика Ян Вилмут, след цели 277 неуспешни опита се появява „първото в света клонирано животно бозайник“ – овцата Доли. Нейни снимки и статии за нея обикалят с години света и всички медии. В същото време руснаците твърдят, че на практика първият клониран бозайник е мишка с името Маша, клонирана през 1987 година в руска лаборатория.  

Отново в Русия е имало закон за временна забрана за клониране на хора. Издаден е през 2002 година, но е бил за срок от 5 години и е изтекъл. След това е подновен през 2010 година, но през трите години „почивка“ никой не знае дали не са произвеждани човешки клонинги. Медиите мълчат.

Повечето клонирани животни живеят по-кратко от нормалното. Овцата Доли е доживяла до 6 години и половина – по-малко от нормалното за овцете. Създателите ѝ твърдят, че вероятно причината за ранната ѝ смърт е фактът, че за създаването ѝ са взети клетки от възрастен организъм. А както знаем, в клетките на възрастните се намират значително повече теломери – свързани със стареенето участъци на хромозомите. Де факто Доли по рождение вече е била с по-стари клетки.

Успехът на клониране дори днес е доста нисък. В най-добрия случай на клониране на домашни любимци процесът на успех е около 5%. А що се отнася до диви животни – там процентът рядко надвишава 1.

Една от най-желаните области, в които са концентрирани усилията на учени, работещи над клониране, е пресъздаване на отдавна изчезнали видове. Динозаври едва ли скоро ще бъдат създадени, защото намирането на добре запазена ДНК от този период е почти невъзможно. Но в момента екипи на руско-японски научни групи работят над открита добре запазена ДНК от мамут на територията на Сибир. Ако този опит успее, то те ще опитат да клонират древните слонове.

Клонирането и Църквата

Ако с човешките закони всичко може да се нагласи, прокара и лобира, то Божиите закони не могат така лесно да се престъпват, а те са категорично против клонирането. За забраната за клониране на хора са се изказвали представители на всички религии, като мнението е приблизително еднакво – изследванията на учените над клонирането на живи същества и човека създават проблеми в съзнанието на вярващите по отношение на идеята за божественото творение на живота на Земята, оскърбявайки институцията на Църквата и брака.

За непримиримата позиция на католическата църква, наброяваща в момента повече от 1 милиард последователи по света, по темата с клонирането е говорил още папа Йоан Павел II през август 2000 г. по време на международен конгрес на специалисти по трансплантации в Рим.

Така че учените, които закачат духовната страна на въпроса, рискуват – и то много. Като минимум – да бъдат отлъчени от Църквата, а по-сериозните проблеми не изключват дори погроми над тях от религиозни фанатици.

За и против клонингите

Науката днес е доказала по опитен път, че дори копирането на ДНК не дава възможност за получаване на напълно идентично същество. Така например клонирани котки получават различна окраска в сравнение с тази на майката – донор на генетичния материал. Много учени считат, че тази технология дава възможност за „възкресяване“ на домашни любимци, а дори и на умрели хора. Но разглеждането на клонирането като клон на репродуктивната медицина днес не е на дневен ред. В същото време развитието на нейния потенциал в терапевтичната област е напълно възможно. Ако се следват този път на действие и тези идеи, то количеството на противниците на клонирането рязко ще намалее.

ST. PETERSBURG, RUSSIA: Bernard Buigues, Alexei Tihkonov, Daniel Fisher, Yuri Khudi, and Kirill Seretetto attend microsurgery on Lyuba, a baby mammoth that discovered on the shore of a remote Siberian river in May 2007. Ten thousand years after her species became extinct, she is in amazing condition and unlike any other animal ever dug out of the frozen earth. (Photo credit © Pierre Stine)

Основните преимущества на клонирането са откриващите се възможности за лечение на много сериозни заболявания, възстановяване на пострадали от сериозни изгаряния, подмяна на органи. Но противниците на клонирането с основание поставят въпроса за моралните и етични страни на въпроса – за това, че тези технологии ще трябва да убиват зараждащия се живот, за да вземат единствено някой орган, стволови клетки и др. Кой е прав – тези за или тези против, – това е въпрос на гледна точка, а не на научни доказателства.

Елемент 115 – Унунпе́нтий

Защо този новооткрит химичен елемент се оказа по-специален от всички останали в Менделеевата таблица?

Периодичната система, известна още като таблица на Менделеев, е прецизна класификация на химичните елементи. Или поне на тези, известни на човечеството. Елементите са подредени спрямо броя на протоните, които съдържат, който всъщност отговаря и на техния пореден номер в таблицата. Не е чудно, че тя постоянно се изменя през годините, тъй като се откриват все повече и повече нови – непознати до момента елементи.

Така се случва и с Московия, познат още като Елемент 115. Той е синтезиран за първи път (на Земята) през 2003 г. в Обединения институт за ядрени изследвания (ОИЯИ) в Дубна, Русия. Екипът, който провежда опитите, е съставен от руски учени и техни американски колеги от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор. Ръководител е руският ядрен физик Юрий Оганесян.
В резултат на направените първоначални експерименти учените откриват съществуването на непознатия до този момент 115-и химичен елемент. Но поради изключителната бързина на полуразпада му и някои други обстоятелства, те така и не успяват да докажат съществуването му черно на бяло веднага. Убедени в истинността на откритието си обаче, учените не спират да експериментират и да търсят път към доказването му. Много техни колеги по света също се вдъхновяват от примера им и също започват да правят изследвания и да търсят непознатия елемент. Временно му е дадено името Унунпентий.

Ununpentium (Uup). Diagram of the nuclear composition, electron configuration, chemical data, and valence (outer electron) orbitals of an atom of ununpentium-288 (atomic number: 115), the most stable isotope of this radioactive element. The nucleus consists of 115 protons (red) and 173 neutrons (orange). 115 electrons (white) successively occupy available electron shells (rings). Ununpentium is a temporary name (2003 synthesis not yet official). It is a transactinide of unknown properties in group 15, period 7, and the p-block of the periodic table. The ununpentium-288 nucleus (half-life: 173 milliseconds) emits an alpha particle to form ununtrium-284.

В края на 2015 година съществуването на Елемент 115 официално е доказано и той става част от Менделеевата таблица. Получава названието Московий година по-късно – на името на Московска област, където за първи път успешно е синтезиран. Изобразява се с химичния знак Mc. Московият е изцяло синтетично създаден продукт, тоест не може да бъде открит в природата.

Фактът, че е записан под заветния 115 номер в периодичната система, поне към момента го нарежда сред най-тежките и радиоактивни метали, познати на човечеството. В нашите условия Елемент 115 е изключително нетраен – скоростта на полуразпада на най-стабилния му известен изотоп – Московий-290, е под 1 секунда. Но според Боб Лазар, за когото ще стане дума малко по-надолу в текста, е въпрос на време да бъде открит и синтезиран много по-устойчив изотоп на химичния елемент.

През 2011 г. съвместна група учени от Международния съюз за чиста и приложна химия (IUPAC) и Международния съюз за чиста и приложна физика (IUPAP) правят нова оценка на експериментите в Дубна и обявяват, че те не отговарят на критериите за откритие. Тоест, настояват елементът Московий да бъде изключен от Менделеевата таблица. В това действие мнозина привърженици на конспиративните теории не виждат нищо друго, освен поредния опит на „властите“ да прикрият истината за съществуването на НЛО

Може би се чудите къде е връзката? Какво е общото между елемента от периодичната система и извънземните? Може би сте срещали името на Боб (Робърт) Лазар. Той твърди, че е учен-физик и дълги години е бил част от секретна мисия, провеждана в мистериозната Зона 51 в пустинята Невада, Америка. Лазар разказва, че там са „складирани“ 9 паднали на Земята космически кораба. Именно на това място, по думите му, за първи път се е запознал с мистичния Елемент 115, който продължава да изучава и до днес. Разказва, че този химичен елемент се среща под определена форма в космическите кораби, над които е работил, докато бил в Зона 51. И допълва, че именно известният на Земята като Московий елемент се използва като гориво на космическите машини. Освен с изучаване на космическите кораби, събраните от цял свят учени в Зоната правили опити и да ги поправят, разгадавайки технологията и материалите, от които са изградени.

Интересното тук е, че Боб Лазар изнася тази информация – за непознатия извънземен елемент още през 1989 г. – близо 15 години преди първите опити Елемент 115 да бъде синтезиран на Земята. Както можем да се досетим, твърденията му по онова време са сметнати за скандални и абсурдни, поради липсата на знание за мистериозния елемент в научните общности.

След като излиза от системата и разкрива част от нещата, които се случват на територията на Зона 51, Лазар става обект на преследване от американските власти. Поне такива са твърденията му. Казва още, че не само неговият собствен живот е в постоянна опасност, но и този на съпругата му и останалите му близки хора. След направените разкрития, Боб Лазар многократно е подлаган на полиграф, който всеки път потвърждава, че казаното от него е истина.

Въпреки това, мнозина през годините са се опитвали да опровергаят думите му или просто са ги обявявали за измислица. Посланието на Лазар към скептиците е: „Всеки трябва да бъде скептичен към всякакви твърдения от всякакъв вид“, казва той пред Newsweek

 „Всички твърдения изискват доказателство и аз абсолютно не съм изключение. Понастоящем не мога да дам много такива, само разкази за случилото се в живота ми преди 30 години. Единственото ми послание към скептиците ще бъде: „Аз съм с теб.“ Ако ролите бяха обърнати, и аз не можех да повярвам на подобна фантастична история без повече доказателства, то не бих могъл и да я отхвърля.“

През 2015 г. в световната преса се появява новина, че изследователи от UCLA (Калифорнийски университет – Лос Анджелис) са създали изключително твърд, но невероятно лек метал. Много ковък и същевременно особено издръжлив на висока температура. Според мнозина, тази сплав е разработена именно на основата на изследваните парчета от паднали космически кораби и отговаря напълно на описанията на материала, намерен край Розуел през 1945 г. Дейвид Уилкок категорично споделя, че според него:„Този материал е началото на изцяло нова революция в материалознанието. Защото сега ние ще бъдем способни да разработваме материали на молекулярно ниво“.

Това е може би първата стъпка, която ще позволи на хората да създават собствени космически кораби и да се придвижват с тяхна помощ из Космоса. Уфолози твърдят, че с разработването на космически машини, изградени от новия свръхлек, но супер издръжлив метал и задвижвани с Московий, по подобие на извънземните кораби, за които Лазар говори, хората най-сетне ще могат да летят свободно в Космоса. Също така ще бъдат способни да отварят космически портали и да правя огромни трансгалактически скокове.

Развръзката

Но да се върнем отново тук на Земята и на драмата с официалното признаване на Московия като отделен и реално съществуващ химичен елемент. В резултат на направения през 2011 г. опит то да бъде обявено за невалидно, голяма част от представителите на научните общности по света се надигат. За да се докаже съществуването му веднъж завинаги, са направени множество нови научни експерименти и проучвания в различни точки на Земното кълбо – Русия, Германия, по-късно Швеция и др. Така през декември 2015 г. се стига до повторното официално признаване на химичния елемент с пореден номер 115 в таблицата на Менделеев. Това обаче далеч не е краят на сагата. В следващите години отново се появяват критики и съмнения от различни научни и други организации. Но те, поне засега, успяват да бъдат оборени и оценени като несъстоятелни.

Важно е да направим и едно последно уточнение – заедно с Елемент 115 в таблицата на Менделеев се появяват още 3 нови химични елемента. Те са с поредни номера 113, 117 и 118. Всичките те са изключително тежки, силно радиоактивни и създадени в лабораторни условия.

Абиогенеза – парадигма на живота

Статистика и вероятност – Ян Масгрейв

Лъжи, нагли лъжи, статистика и вероятност на разчетите за абиогенезата

Въведение

Мине-немине време и някой се изцепи, че “случайно формиране на ензим е почти невъзможно и затова и абиогенезата е невъзможна”. Често прилагат впечатляващите изчисления на астрофизика Фред Хойл (Fred Hoyle) или ни пробутват нещо под названието “Закон на Борел” (Borel), за да докажат, че животът е статистически невъзможен. Тези хора, включително Фред, правят една или няколко от следните грешки:

Проблеми с креационистските “това е толкова невероятно” изчисления:

1. Те изчисляват вероятността за възникване на “съвременен” белтък, или даже на цяла бактерия с всички “съвременни” белтъци в резултат на случайност. Това теорията за абиогенезата не твърди.
2. Те допускат, че има точно определен брой белтъци, с фиксирани последователности за всеки белтък, за абсолютно необходими за живота
3. Те изчисляват вероятността от последователни опити вместо едновременни, успоредни опити.
4. Те не разбират, какво се има предвид под изчисления на вероятността.
5. Те сериозно недооценяват количеството действащи ензими/рибозими намиращи се в случайна последователност.

Ще се опитам да ви покажа тези разнообразни грешки и да ви докажа, защо не е възможно да се направи каквото и било разумно изчисление на “вероятността за абиогенеза“.

Доисторическата протоплазмена капка

Според изчисленията, вероятността за случайно възникване на белтък с дължина от 300 аминокиселини (да кажем ензим като carboxypeptidase) е равна на (1/20)^300 или 1 шанс от 2,04*10^390, което е удивително и умопомрачително невероятно. После, това се задълбочава от допълнителни вероятности за възникването на около 400 подобни ензими докато резултатът не стане толкова огромен, че просто само мисълта за такова число може да накара мозъкът ви да изтече през ушите. Това създава впечатлението, че формирането даже на най-малкия организъм е абсолютно невъзможно. Но все пак, това е съвършено неправилно.

Първо, формирането на биологични полимери от мономери става по законите на химията и биохимията и тези закони определено не са случайни.

Второ, изначалната предпоставка е неправилна, защото в съвременната теория на абиогенезата първите “живи обекти” са били много по-прости, даже не протобактерии или препротобактерии (това, което Опарин нарича протобионти и Воуз (Woese) нарича протогеноми), а една или няколко прости дълги молекули, не повече от 30-40 субединици. Тези прости молекули бавно се развивали отначало в по-организирани самовъзпроизводителни системи, а след това – в прости организми.

Илюстрация, сравняваща хипотетичен протобионт със съвременна бактерия.

Първият “жив обект” може да е бил една самовъзпроизвеждаща се молекула подобна на “самовъзпроизвеждащ се” пептид от групата Гадири (Ghadiri), или самовъзпроизвеждащ се хексануклеотид, или полимераза на РНК, която се самокопира.

Още една гледна точка за това, че първите саморепликатори (самовъзпроизводители) са били групи катализатори, или белтъчни ензими, или рибозими на РНК, които регенерирали себe като каталитичен цикъл. За пример може да служи Sun Y, самовъзпроизвеждаща се от три субединици.

Тези каталитични цикли могат да са ограничени в малък водоем или лагуна или да е каталитичен комплекс, адсорбиран или в глина или с липидни вещества в глина. Ако вземем под внимание, че съществуват много каталитични последователности в група от случайни пептиди или полинуклеотиди, вероятно е, че може да се образува малък каталитичен комплекс.
Teзи два модела не са взаимоизключващи се. Пептидите на Гадири може да мутират и да образуват каталитичен цикъл.
Независимо от това били ли са първите саморепликатори единични молекули или комлекси от малки молекули, този модел нямат нищо общо с Хойловия “тайфун на бунище, произвеждащ Боинг 747″. За да подчертая още веднъж мисълта си ще приведа тук просто сравнение на теорията, която критикуват крeационистите и теорията за абиогенезата.

Обърнете внимание, че реалната теория за абиогенезата се състои от няколко малки стъпки. Всъщност съм изпуснал някои стъпки (особено между хиперцикъла и протобионта) за простота. Всяка стъпка е свързана с нарастване на организацията и сложността, а химическите компоненти се движат под “покрива на организма” постепенно, а не го правят с една голяма крачка.

Откъде креационистите са взели представата, че съвременните организми са се сформирали спонтанно, не е много ясно. Първата съвременна формулировка за абиогенезата, хипотезата на Опарина/Холдейн направена през 20-те, започва с прости протеини/протеиноиди бавно развиващи се в клетки. Даже идеите блуждаещи през в 1850-те не били теории за “спонтанност”. Най-близкото, което мога да намеря са оригиналните идеи на Ламарк през 1803!

Ако вземем под внимание, че креационистите критикуват теория, която е остаряла с 150 години и към която не се подкрепя от нито един съвременен еволюционист биолог, защо трябва да продължаваме? Защото в техните погрешни “опровержения” се проявяват някои фундаментални проблеми със статистиката и биохимията.

Митът за “последователността на живота”

Още едно твърдение, което може често да се чуе, това е че съществува “последователност на живота” от 400 белтъка и аминокиселиниотни и последователностите на тези белтъци не могат да бъдат изменени, ако искаме организмите да останат живи.

Обаче, това са глупости. Изглежда, че историята с 400-те белтъци е тръгнала от кода на гена на белтъка на бактерията Mycobacterium genetalium, която притежава най-малкия генетичен набор сред всички известни сега организми. Всъщност, при по-внимателен преглед се оказва, че този генетичен набор може да бъде намален до 256 белтъка. Отново обърнете внимание, че това е съвременен организъм. Първият протобионт/протогеном би бил още по-малък, с предшественици, които биха представлявали още по-прости химически системи.

Що се отнася до твърденията, че последователността на белтъците не може да бъде изменена, това е отново безсмислица. В много белтъци съществуват области, където почти всяка аминокиселина може да бъде заменена и други области, където консервативната замяна (заредените аминокиселини могат да бъдат заменени с други заредени аминокиселини, неутралните – с други неутрални аминокиселини и хидрофобните аминокиселини с други хидрофобни аминокиселини) може да бъде направена. Някои функционално еквивалентни молекули могат да се различават от своите аминокиселини с 30-50%. Фактически е възможно да се заменят не еднакви по своята структура белтъци на бактерии с белтъци на дрожди и белтъци на червей с белтъци на човек и при това организмите ще продължат да живеят, все едно че нищо не е било.

“Последователността на живота” е мит.

Подхвърляне на монета за начинаещи и макромолекулярно сглобяване

Все пак нека да поиграем на играта на креационистите и да погледнем на формирането на пептида по пътя на случайно добавяне на аминокиселини. Естествено, пептидите не са възникнали на ранната Земя по този начин, но това ще е поучително упражнение.

За пример, ще използвам споменатия по-рано, самовъзпроизвеждащ се пептид на групата на Гадири [7]. Бих могъл да избера други примери: самовъзпроизвеждащия се хексануклеотид (hexanucleotide), саморепликатора Sun Y или полимеразата на РНК, описана от Екланд (Eckland) и колектив, но за историческата последователност с креационистките твърдения малкия пептид е идеален. Този пептид с дължина от 32 аминокиселини с последователност RMKQLEEKVYELLSKVACLEYEVARLKKVGE, се проявява също и като ензим, пептидовата лигаза (ligase), която копира сама себе си от две субединици с дължина от 16 аминокиселини. Той също и по размер и по състав идеално подхожда за възникване по пътя на абиотичен пептидов синтез. Този факт, че той предстравлява и саморепликатор, придава на този пример допълнителна ироничност.

Вероятността за възникване на такъв пептид по пътя на последователни случайни опити е равна на (1/20)^32 или 1 шанс от 4,29*10^40. Това е с много пъти по-вероятно, от 1 шанс от 2,04*10^390 от обичайния креационистки сценарий на “случайно възникноване на carboxypeptidase”, но все пак още е много малко вероятно.

Обаче, съществува друга страна на оценката на вероятностите и тя се свежда до това, че мнозина от нас не разбират добре статистиката. Когато ни казват, че вероятността да се случи едно събитие е само един шанс от милион, мнозина от нас мислят, че трябва да предприемем милион опити, преди да се случи споменатото събитие, но това не е вярно.

Следният експеримент можете да направите и сами: вземете монета, подхвърлете я четири пъти, запишете резултатите и повторете всичко отначало. Колко пъти, мислите, ще ви се наложи да повторите тази процедура докато не ви се паднат 4 пъти тура подред?

Вероятността да ви се паднат 4 пъти тура по ред е равна на (1/2)^4 или 1 шанс от 16. Значи ли това, че ще ни се наложи да направим 16 опита, за да ни се паднат 4 тура (ТТТТ)? Не, в последователни експерименти аз направих 11, 10, 6, 16, 1, 5, и 3 опита, преди да ми се падне ТТТТ. Числа като 1 от 16 (или 1 от милион или 1 от 10^40) ни дават вероятността на събитието в отделно взет опит, но нищо не ни говори за това, къде в последователността на опитите това събитие ще стане. Вие можете да хвърлите ТТТТ ощв в първия си опит (случвало ми се е). Даже при един шанс от 4,29*10^40, саморепликаторът може да се появи много рано. Но това още не е всичко.

1 шанс от 4,29*10^40 е все едно ужасно, умопомрачително малко вероятно, такова число е трудно да се “смели”. Даже при по-горе изнесения аргумент (че може да се падне на първия опит), мнозина ще кажат: “в крайна сметка, все едно, за това ще трябва повече време, отколкото е възрастта на Земята, за да се създаде този репликатор със случайни методи”. Не съвсем. В предишните примери ние разглеждахме последователни опити, като че ли само един белтък/ДНК/прото-репликатор се е заел да прави всеки опит. Всъшност, милиарди едновременни опити може би са ставали с милиарди изграждащи молекули взаимодействащи си в океана или на хиляди километра брегова линия, която е предоставяла каталитична повърхност или шаблони.

Нека се върнем към нашия пример с монетите. Да предположим, че подхвърлянето на четири монети ще ни отнеме една минута, а за да се хвърли ТТТТ средно ще трябват 8 минути. Сега доведете 16 приятели, всеки със своята монета, за да хвърлят монетата едновременно 4 пъти. Средното време, за да се хвърли ТТТТ е вече станало равно на една минута. Сега опитайте да хвърлите 6 пъти тура подред, вероятността за това е (1/2)^6 или 1 от 64. Средно ще ви отнеме половин час, но идете и вербувайте 64 човека и ще можете да достигнете желания резултат за една минута. Ако ви се прииска да хвърлите последователност с шанс едно към милиард, то наемете населението на Китай, за да подхвърлят за вас монети и ще хвърлите вашата комбинация за броени минути.

Следователно, ако на нашата предбиологична Земя едновременно са расли милиарди пептиди, то времето необходимо за създаване на репликатора същественно ще намалее.

Добре, вие отново гледате това число, 1 шанс от 4,29*10^40, това е голямо число и милиард молекули за начало са също много молекули. Ще можем ли да намерим достатъчно молекули, за да може случайно да се сглоби нашия пръв възпроизводител за по-малко от половин милиард години?

Да. Един килограм аминокиселини аргинин съдържит 2,85*10^24 молекули (това е доста повече от милиард милиарда). Тон аргинин съдържа 2,85*10^27 молекули. Ако вземете камион, натоварен с аминокиселини и изсипете товара му в езеро среден размер, то ще имате достатъчно молекули, за да създадете нашия възпроизводител за няколко десетки години, отчитайки, че белтъците с дължина от 55 аминокиселини се създават за една, две седмици [14, 16].

Как това се относя към предбиологичната Земя? Океанът на ранната Земя, най-вероятно, е имал обем 1*10^24 литра. Ако приемем концентрацията на аминокиселините за 1*10^-6 М (супа със средна гъстота, виж Чиба (Chyba) и Саган (Sagan) 1992 [23]), тогава ще имаме приблизително 1*10^50 потенциални стартови вериги. При това, прилично количество ефективни пептидни лигази (примерно 1*10^31) може би ще бъде произведено за по-малко от година, да не говорим за милион години. Синтезът на примитивен саморепликатор може да стане относително бързо даже при вероятност от 1 от 4,29*10^40 (и не забравяйте, че репликатора може да бъде синтезиран в най-първия опит).

Да допуснем, че последователността може да бъде синтезирана за седмица. Тогава лигазата на Гадири може също да бъде синтезирана за седмица и всяка последователност на цитохрома С (cytochrome C) за срок малко повече от един милион години.

Макар че използвах лигазата на Гадири за пример, както вече споменах, бих могъл да направя същите изчисления за саморепликатора Sun Y или за полимеразата на РНК на Екленд. Оставям тези упражнения на читателя, но главното заключение (те могат да се появят достатъчно бързо) ще бъде такова за тези олигонуклеотиди (oligonucleotides).

Пространства на търсене или колко игли има в купа сено

По този начин продемонстрирах, че създаването на отделно взет неголям ензим не е така умопомрачително сложно, както креационистите (и Фред Хойл) се опитват да ни убедят. Някакво неразбиране става защото, на хората им се струва, че множеството ензими/рибозими, да не говорим вече за рибозимни полимерази на РНК или всяка форма на саморепликатор, представляват много малко вероятни конфигурации и че шанса за формирането даже на един ензим/рибозим, да не говорим вече за няколко, от случайните аминокиселини/нуклеотиди са много малки.

Обаче, анализите проведени от Екланд показват, че в пространството от 220-нуклетидни РНК последователности, впечатляващите 2,5*10^112 последователности са ефективни лигази [12]. Съвсем не е лошо за вещество, което по-рано се смяташе само за структурно. Да се завърнем в нашия примитивен океан с обем от 1*10^24 литра и предполагаема концентрация на нуклеотиди равна на 1*10^-7 М [23], ще получим примерно 1*10^49 потенциални нуклеотидни вериги и тогава съществено количество от ефективни лигази на РНК (около 1*10^34) може би ще получим в течение на година, да не говорим вече за милиони години. Потенциалното количество полимераза на РНК е също високо. Около 1 на всяка от 10^20 последователности ще бъде полимераза на РНК. Подобни разчети се отнасят също и за рибозомната ацил трансфераза (acyl transferases) (около 1 на всяка от 10^15 последователности), и за синтеза на рибозимните нуклеотиди.

Също така, от 1*10^130 възможни 100-компонентни белтъци, 3,8*10^61 представляват цитохром С (cytochrome C)! [29] Съществуват множество функционални ензими в пептидно/нуклеотидното пространство на търсене, затова изглежда възможно, че работещите комплекси ензими напълно са могли да се “сготвят” в предбиологичната супа на ранната Земя.

По този начин, даже при по-реалистични (макар и умопомрачителни) цифри, случайното сглобяване на аминокиселини в “жизнени” системи (да вземем белтъчни ензими, основани на хиперцикли, системи от света на РНК, или съсъществуващи рибозимно-белтъчни ензими РНК ) изглежда съвършено реално, даже с песимистичните цифри за концентрацията на изходния мономер и времето за синтез.

Заключения

Даже самата предпоставка на креационистките изчисления на вероятността е неправилна, тъй като се целят в неправилна теория. Освен това, този аргумент често потъва в статистически и биологични грешки.

Днес, тъй като не знаем, каква е вероятността за живот, практически е невъзможно да му се припишат каквито и да било смислени вероятни стъпки за възникването му, с изключение първите две (мономери в полимери р=1.0, формиране на каталитични полимери р=1.0). Вероятността за преход от възпроизвеждащи се полимери в хиперцикли е равна вероятно на 1.0, при условие, че е прав Кауфман (Kauffman) за каталитичното затваряне и моделите за фазови преходи. Но за подтвърждение на това е нужна истинска химия и по-подробно моделиране. За преход от хиперцикъл в протобионт вероятността зависи от теоретичните концепции, които все още се намират в стадий на разработка и засега са неизвестни.

И накрая, възможността за възникване на живот зависи от химията и биохимията, които все още развиваме, а не от подхвърляне на монети.

Пояснения и термини:

“Законът на Борел“, както се цитира от креционистите твърди, че има конкретен порядък вероятност, по-ниско от който се смята, че такова събитие е “по същество невъзможно”. Емил Борел представя логически примери, които всеки може да използва, за да оцени минималната вероятност, под която събития от конкретен тип могат да се считат за незначителни. Важно е да се подчертае, че са приложими за специфични физически проблеми, не като универсален закон.

Абиогенеза:
възникване на живо от неживо, т. е. изходната хипотеза на съвременната теория за произхода на живота.

Ацил трансфераза (Acyl transferase): Ензим (фермент) или рибозим, който синтезират пептиди.

Лигаза (Ligase): Ензим (фермент) или рибозим, който добавя мономер към полимер или съединява къси полимери.

Мономер: Всяка субединица (подединица) полимер. Аминокиселината е мономер на пептид или белтък, нуклеотидът е мономер нa олигонуклеотид или полинуклеотид.

Нуклеотид: Аденин, Гуанин, Цитозин и Урацил. Това са мономери от които се състоят олиго- или полинуклеотиди такива като РНК.

Олигонуклеотид: Къс полимер, състоящ се от нуклеотидни субединици.

Полимераза: Ензим (фермент) или рибозим, създаващ полимер от мономери. Например, полимеразата на РНК произвежда РНК от отделни нуклеотиди.

Рибозим: Биологичен катализатор, произведен от РНК.

Саморепликатор (Самовъзпроизводител):
Молекула, която може да създава идентични или почти идентични копия на самата себе си от по-малки подединици. Известни са ни най-малко четири саморепликатора.

Използвани източници

[1] Unrau PJ, and Bartel DP, RNA-catalysed nucleotide synthesis. Nature, 395: 260-3, 1998

[2] Orgel LE, Polymerization on the rocks: theoretical introduction. Orig Life Evol Biosph, 28: 227-34, 1998

[3] Otsuka J and Nozawa Y. Self-reproducing system can behave as Maxwell’s demon: theoretical illustration under prebiotic conditions. J Theor Biol, 194, 205-221, 1998

[4] Woese C, The universal ancestor. Proc Natl Acad Sci USA, 95: 6854-6859.

[5] Varetto L, Studying artificial life with a molecular automaton. J Theor Biol, 193: 257-85, 1998

[6] Wiegand TW, Janssen RC, and Eaton BE, Selection of RNA amide synthases. Chem Biol, 4: 675-83, 1997

[7] Severin K, Lee DH, Kennan AJ, and Ghadiri MR, A synthetic peptide ligase. Nature, 389: 706-9, 1997

[8] Ruse M, The origin of life, philosophical perspectives. J Theor Biol, 187: 473-482, 1997

[9] Lee DH, Severin K, Yokobayashi Y, and Ghadiri MR, Emergence of symbiosis in peptide self-replication through a hypercyclic network. Nature, 390: 591-4, 1997

[10] Lee DH, Severin K, and Ghadri MR. Autocatalytic networks: the transition from molecular self-replication to molecular ecosystems. Curr Opinion Chem Biol, 1, 491-496, 1997

[11] Di Giulio M, On the RNA world: evidence in favor of an early ribonucleopeptide world. J Mol Evol, 45: 571-8, 1997

[12] Ekland EH, and Bartel DP, RNA-catalysed RNA polymerization using nucleoside triphosphates. Nature, 383: 192, 1996

[13] Lohse PA, and Szostak JW, Ribozyme-catalysed amino-acid transfer reactions. Nature, 381: 442-4, 1996

[14] Ferris JP, Hill AR Jr, Liu R, and Orgel LE, Synthesis of long prebiotic oligomers on mineral surfaces [see comments]. Nature, 381: 59-61, 1996

[15] Lazcano A, and Miller SL, The origin and early evolution of life: prebiotic chemistry, the pre- RNA world, and time. Cell, 85: 793-8, 1996

[16] Ertem G, and Ferris JP, Synthesis of RNA oligomers on heterogeneous templates. Nature, 379: 238-40, 1996

[17] Lee DH, Granja JR, Martinez JA, Severin K, and Ghadri MR, A self-replicating peptide. Nature, 382: 525-8, 1996

[18] Joyce GF, Building the RNA world. Ribozymes. Curr Biol, 6: 965-7, 1996

[19] Ishizaka M, Ohshima Y, and Tani T, Isolation of active ribozymes from an RNA pool of random sequences using an anchored substrate RNA. Biochem Biophys Res Commun, 214: 403-9, 1995

[20] Mushegian AR and Koonin, EV, A minimal gene set for cellular life derived by comparison of complete bacterial genomes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93: 10268-10273.

[21] Ekland EH, Szostak JW, and Bartel DP, Structurally complex and highly active RNA ligases derived from random RNA sequences. Science, 269: 364-70, 1995

[22] Breaker RR, and Joyce GF, Emergence of a replicating species from an in vitro RNA evolution reaction.Proc Natl Acad Sci U S A, 91: 6093-7, 1994

[23] Chyba C and Sagan C, Endogenous production, exogenous delivery and impact-shock synthesis of organic molecules: an inventory for the origins of life. Nature, 355: 125-32., 1992

[24] Doudna JA, Couture S, and Szostak JW, A multisubunit ribozyme that is a catalyst of and template for complementary strand RNA synthesis. Science, 251: 1605-8, 1991

[25] Lahav N, Prebiotic co-evolution of self-replication and translation or RNA world? J Theor Biol, 151: 531-9, 1991

[26] Stadler PF, Dynamics of autocatalytic reaction networks. IV: Inhomogeneous replicator networks. Biosystems, 26: 1-19, 1991

[27] Eigen M, Gardiner W, Schuster P, and Winkler-Oswatitsch R, The origin of genetic information. Sci Am, 244: 88-92, 96, et passim, 1981

[28] Eigen M, and Schuster P, The hypercycle. A principle of natural self-organization. Springer-Verlag, isbn 3-540-09293, 1979

[29] Yockey HP, On the information content of cytochrome c. J Theor Biol, 67: 345-76, 1977

Използвани книги

Statistics at Square One, T.D.V. Swinscow, 8th Edition Paperback, Published by Amer College of Physicians, 1983, ISBN: 0727901753

Evolution from Space, F Hoyle and Wickramasinghe, JM Dent and sons, London, 1981

Vital Dust: Life As a Cosmic Imperative, by Christian De Duve, Basic Books 1995, ISBN: 0465090451

The Major Transitions in Evolution, Maynard Smith J & Szathmary E, 1995, WH Freeman, ISBN: 0716745259

The Origins of Order: Self Organization and Selection in Evolution. By Stuart Kauffman, S. A. (1993) Oxford University Press, NY, ISBN: 0195079515.

At Home in the Universe. By Stuart Kauffman, 1995) Oxford University Press, NY.

Линкове

• Creation Column: Evolutionary Improbabilities. A creationist page which uses Hoyle’s calculation.
• Chandra Wickramasinghe’s Testimony in Arkansas, 1981. Transcribed by Brig Klyce.
• A description of the Ghadiri group, with comments by Stuart Kauffman.
• Some other self-replicating molecules
• An American Scientist article on the origin of life by C. de Duve. This account was written before the ribozymal polymerases were described, and a number of other issues resolved, so is slightly more pessimistic than it needs to be.
• A discovery article on Deamer’s work on protocells. From the Discover site, go to the Archives, search on November 1995 and click on the First Cell link.

Бръсначът на Окам