Kategorie:

Przypadek w przyrodzie. Czy ma jakiekolwiek znaczenie?

Każdy jest kowalem własnego losu.
Człowiek jest kowalem swojego losu. Takie sentencje, przypisywane Appiuszowi
Klaudiuszowi i Giovanni Pico della Mirandola słyszało wielu z nas dziesiątki,
jeśli nie setki razy. Mówią one w istocie o tym, że niezależnie od
okoliczności, wypadków i utrudnień, jesteśmy w stanie osiągnąć wszystko, co
tylko sobie zapragniemy. Wystarczy jedynie odpowiednio się starać. Chciałbym
dyskusję o roli przypadku przenieść na poziom biologii. Jaki wpływ w ewolucji, genetyce czy rozwoju chorób, ma losowość zdarzeń?

przypadek
źródło: www.pbs.org

Wyobraźmy sobie stado delfinów w
Zatoce Kalifornijskiej, mające wszystko, czego mu do dobrego życia potrzeba.
Przestrzeń, brak plastikowych butelek i siatek dryfujących w morzu, woda
niezanieczyszczona ściekowymi chemikaliami, a jedyny hałas to odgłosy ptaków i
dźwięki burz. Pożywienia jest pod dostatkiem. Nie ma globalnego ocieplenia,
pogoda jest stabilna. Ekosystem działa, jak należy. Jesteśmy w stanie
stwierdzić, że nasze delfiny mają właściwe warunki. Przenieśmy się teraz kilka lub kilkanaście wieków do przodu. Nasze walenie są zabijane przez ludzi na mięso, mają mniej
pożywienia ze względu na obfite połowy ryb przez ludność. Woda jest
zanieczyszczona szkodliwymi substancjami, plastikiem, hałasem łódek, statków,
turystów. Dodatkowo, delfiny napotykają anomalie pogodowe związane z globalnym
ociepleniem.
Tutaj pada pytanie: czy szanse
owych waleni kilka wieków wcześniej i później były równe? Oczywiście, że nie.
Czy opisane zmiany były w jakikolwiek sposób dla delfinów kierunkowe,
nieprzypadkowe, zaplanowane? Też nie. Z perspektywy konkretnego osobnika to,
jacy rodzice czy rodzeństwo mu się trafili (co przekłada się na szanse
przetrwania i rozmnożenia się) jest losowe. To, czy urodził się w czasach obfitości
pokarmowej, też jest w tym kontekście przypadkowe. Pogodę również możemy w
pewnym stopniu tak scharakteryzować. Rola przypadku staje się bardziej wyraźna,
jeśli spojrzymy na dalszy zasięg jego oddziaływania.

zatoka kalifornijska
Zatoka Kalifornijska, NASA

W przypadku rozmnażania
płciowego, dominującego wśród nie-mikroorganizmów, mamy do czynienia z mejozą. Nawet, jeżeli dany gatunek
rozmnaża się partenogenetycznie, bez
udziału obu płci, to i tak w jego komórkach rozrodczych zachodzi zjawisko
crossing-over, czyli wymiany odcinków DNA między chromosomami homologicznymi
(chromosom pierwszy z chromosomem pierwszym, chromosom drugi z chromosomem drugim,
chromosom trzeci z chromosomem trzecim itd.). Crossing-over w pewnym stopniu
jest losowe, choć istnieją ograniczenia przypadkowości, związane z odległością
czy sprzężeniem genów oraz miejscem wystąpienia crossing-over
(prawdopodobieństwo jest mniejsze w pobliżu zajścia innej wymiany odcinków
chromosomów).
Po crossing-over spermatocyty
(komórki, które przekształcą się później w plemniki) i oocyty (zwane też
powszechnie na następnych etapach komórkami jajowymi) redukują ilość materiału
genetycznego. Oznacza to, że komórki diploidalne stają się haploidalne, a więc
z zestawu 46 chromosomów (23 x 2, każdy zestaw od jednego z rodziców; w przypadku
partenogenezy jeden zestaw 23 chromosomów od jednego rodzica, który się
zduplikował) w każdej pozostają 23 chromosomy. To, który chromosom danej pary
trafi do tworzącej się gamety (spermatocytu lub oocytu), jest zjawiskiem
losowym.

gametogeneza
Gametogeneza plemników, fot. Josef Reischig,
Później, kiedy plemnik i komórka
jajowa już powstaną (i się spotkają), następuje ich fuzja. Również
to, który plemnik, z którym oocytem stworzy zygotę, uważa się za zjawisko
losowe. Nie jest bowiem kierunkowe czy celowe natrafienie się tego konkretnego
oocytu, z tym konkretnym plemnikiem (chyba, że mówimy o sztucznym rozrodzie;
selekcji nasienia do inseminacji i zapłodnienia in vitro lub selekcji oocytów do zapłodnienia in vitro).
Widzimy już, że wiele
fundamentalnych zdarzeń sprzed zapłodnienia, które są na ogół losowe, ma
ogromne znaczenie dla dalszego rozwoju embrionalnego (w przypadku ssaków także
płodowego) i postnatalnego (czyli po narodzinach). Na poziomie indywidualnego
osobnika ogromną rolę pełnią też mutacje genetyczne. Od tych punktowych, gdzie
podmieniane są pojedyncze nukleotydy, po te chromosomowe, kiedy np. zdeletowany
(delecja) zostanie fragment ramienia chromosomu. Mutacje mogą przekładać się na
zmiany fenotypowe, czyli morfologiczne i behawioralne. Mogą powodować choroby i
dysfunkcje. Od delikatnych, np. zwiększonej podatności na alergie czy demencję,
aż do poważnych i śmiertelnych wad wrodzonych. Czasem zdarza się (a ryzyko rośnie wraz z wiekiem), że podczas podziałów mejotycznych oocytu nadmiar DNA w trakcie wspomnianej redukcji nie będzie prawidłowo usunięty. Wówczas w komórce rozrodczej żeńskiej może zostać np. dodatkowy chromosom i w efekcie dochodzi do triploidii (trzy chromosomy danego typu, zamiast dwóch), znanej wszystkim na przykładzie Zespołu Downa. 
Mutacje również są losowe. I to
pomimo czynników środowiskowych, zwiększających prawdopodobieństwo ich
wystąpienia. Jak to możliwe? Zobaczmy najpierw, co może wpływać na tempo
zachodzenia mutacji. Tradycyjnie wyróżniamy trzy kategorie: czynniki fizyczne,
chemiczne i biologiczne. Do fizycznych należy promieniowanie jonizujące czy temperatura. Wśród chemicznych wymienia się różnorodne trucizny,
związki mutagenne, indukujące wolne rodniki czy same reaktywne formy tlenu.
Biologiczne czynniki mutagenne to np. wirusy, które przemieszczając się w
genomie wywołują zmiany sekwencji DNA, a więc i jego odczytu.

kolchicyna
Zimowit jesienny, roślina zawierająca zaburzającą segregację chromosomów kolchicynę, fot. M. J. Richardson, www.geograph.org.uk

Zastanówmy się teraz nad
następującą sytuacją: wystawiamy się celowo na promieniowanie ultrafioletowe.
Robimy to w pełni świadomie i nieprzypadkowo. Czy w takim razie mutacje
powstałe w komórkach naszej skóry, spowodowane promieniowaniem UV będą także
nieprzypadkowe? Rzecz polega na tym, że nie będą. Mimo pewnego,
kierunkowego działania, mutacje które z niego wynikną nadal będziemy określać
losowymi. Dlaczego? Ponieważ najzwyczajniej nie wiemy gdzie wystąpią i jakie
będą. Czy pojawią się na chromosomie pochodzenia matczynego czy ojcowskiego?
Czy zaindukują duplikację genową, a może inwersję ramienia chromosomu? Nie
znamy odpowiedzi na te pytania. Wiemy jedynie, że ten czy inny czynnik zwiększa
szansę wystąpienia pewnych mutacji, ale nie jesteśmy w stanie przewidzieć jakie
dokładnie one będą i gdzie się pojawią.
Tworzenie nowych odmian roślin i
zwierząt oparte było niejednokrotnie o indukowaną promieniowaniem jonizującym
mutagenezę. Ponieważ siłą rzeczy łatwiej jest popsuć, niż ulepszyć, zdecydowana
większość mutacji jest szkodliwa. Jednak wśród dysfunkcyjnych mutantów
znajdowały się i pożądane perełki, czyli rośliny i zwierzęta o cechach, jakich
hodowca oczekiwał. W ten właśnie sposób powstało wiele współczesnych odmian
owocodajnych roślin – poprzez indukowaną bombardowaniem promieniowaniem
mutagenezę – które wcześniej mogły się wydawać bardzo nieapetyczne, a czasem wręcz niejadalne. Cały proces wyglądał więc następująco: prowokujemy
powstawanie mutacji i wybieramy osobniki, u których wystąpiły oczekiwane
zmiany.
Przenieśmy się teraz z
laboratorium rolniczego do nienaruszonego ludzką ręką, dziewiczego lasu.
Znajdziemy w nim wiele gatunków roślin i zwierząt. Spośród nich możemy zaobserwować
małe, ciemnobrązowe gryzonie. Ale kiedy przyjrzymy się im dokładniej i zbadamy
populację, spostrzeżemy, że umaszczenie poszczególnych osobników różni się
między sobą. Jedne mają bardzo ciemno-brązowe futerko, przechodzące niemal w
czerń. Inne są zwyczajnie ciemnobrązowe, a jeszcze kolejne jasnobrązowe, aż do
rudych.

przypadek
Kania

Wyobraźmy sobie teraz, że za
poszczególny kolor, a raczej jego odcień, odpowiadają drobne mutacje z jednym
genie. Zależnie od tego, jakie one są i ile ich jest, barwa futerka będzie przechodziła
od bardzo ciemno-brązowego, do rudego. Ściółka lasu jest z kolei jasnobrązowa,
a więc osobnikom ciemniejszym trudniej jest się skryć przed drapieżnikami. Co
za tym idzie, będą częściej padały ofiarami swoich naturalnych wrogów i będzie
ich zawsze w populacji mniej. Zauważcie, że wspomniani drapieżcy odgrywają
analogiczną rolę do człowieka wybierającego owoce po mutagenezie z pożądanymi
dla niego cechami. Różnica jest taka, że jedna selekcja jest naturalna (dobór
naturalny), a druga sztuczna. I chociaż same mutacje są losowe, co wyjaśniałem
wyżej, to działanie doboru już nie – jest w pełni ukierunkowane względem danej
cechy czy grupy cech. Dlatego właśnie gdy mówimy o przypadkowych mutacjach, nie
mijamy się z prawdą, ale gdy powiemy o przypadkowej ewolucji w wyniku doboru
naturalnego (co jest argumentem podnoszonym przez kreacjonistów i wyznawców
inteligentnego projektu), nasza wypowiedź jest merytorycznie niepoprawna.
Pisząc o przypadku w przyrodzie i
jego roli w ewolucji biologicznej, nie mógłbym nie wspomnieć o jeszcze jednym
zjawisku. Chodzi o horyzontalny transfer genów. W pewnych sytuacjach mikroorganizm
może zostać wchłonięty przez inny organizm. Wówczas składniki tego pierwszego
są trawione czy niszczone za pomocą układu odpornościowego tego drugiego. Bywa jednak, że DNA
nie zostanie w całości strawione, a niektóre fragmenty będą wbudowane do genomu
gospodarza. Co więcej, może stać się tak, że cały mikroorganizm nie zostanie
zneutralizowany przez gospodarza. Wówczas mówimy o endosymbiozie. Dokładnie tak się stało w historii ewolucyjnej eukariontów (czyli także naszej historii), których
mitochondria w przeszłości były wchłoniętymi, ale nie zniszczonymi przez enzymy
i system obronny, mikroorganizmami. Z czasem taka symbioza stała się nierozłączna, a
niektóre geny bakteryjne-mitochondrialne zostały przetransferowane do jądra
komórkowego. Jak to się ma do losowości? O ile endosymbioza sinic dla
przeprowadzania fotosyntezy zdarzała się częściej (co wcale nie musi znaczyć, że nie jest losowa), tak ta mitochondrialna być
może miała miejsce tylko raz. Taki łut szczęścia przesądził o
przewadze eukariontów i ich dalszych sukcesach ewolucyjnych.
Esencją przypadku w biologii jest
dryf genetyczny. Mówiąc fachowo,
jest to zmiana frekwencji alleli w populacji, która nie jest spowodowana
doborem naturalnym, lecz przypadkiem. Wyjaśniając prościej, jest to
nieprzewidywalna, przypadkowa śmierć danego osobnika, a co za tym idzie,
wypadnięcie z populacji jego genów (czyli zmiana frekwencji). Zobaczmy jeszcze raz, na przykładzie (moim
ulubionym). Wyobraźmy sobie silną, zdrową, płodną lwicę, która całkowicie
przypadkowo udławiła się kawałkiem kości swojej ofiary. Nie działał tutaj dobór
naturalny, lecz pechowy traf.

lwica
Lwica z potomstwem 

Dryf genetyczny zaznacza się
wyraźniej w małych populacjach, ponieważ niefortunne zdarzenie w grupie np. 50
osobników, ma dużo większą siłę oddziaływania na frekwencję genów w populacji,
niż gdyby taki sam osobnik umarł przypadkowo w populacji składającej się z 500
osobników. Dla prostszego zrozumienia posłużę się jeszcze jednym przykładem.
Pomyślcie o średniowiecznej wiosce, w której mieszka kilkadziesiąt osób i o
średniowiecznym mieście, gdzie liczba obywateli sięga trzech tysięcy. W której
sytuacji śmierć jednego z nich będzie bardziej dotkliwa?
Pytamy często „po co?” (w jakim
celu) coś powstało, podczas gdy właściwe pytanie brzmiałoby „dlaczego?
(z jakiej przyczyny). Pisząc ten artykuł chciałem, by głównym jego przesłaniem
było stwierdzenie, że rola przypadku w zjawiskach przyrodniczych, w fizjologii,
genetyce i ewolucji biologicznej jest niezwykle istotna. Sukces jednostki i
populacji w dużej mierze zależy od losowych zjawisk pogodowych,
nieprzewidywalnych nieszczęśliwych wypadków czy przypadkowych mutacji i
segregacji chromosomów. W pewnych, nieprzychylnych warunkach silniejsza rodzina
poniesie porażkę, a w bardziej przyjaznych poradzi sobie także ta słabsza. To
ostatnie obserwujemy zwłaszcza w populacji ludzkiej dzięki postępowi medycyny.
Bez niej zapewne nie byłoby mnie dzisiaj tutaj, tak samo jak wielu z Was nie
czytałoby tego teraz tego, co napisałem. Umarlibyśmy od zakażeń, przez brak szczepień albo innych, specjalistycznych leków. Przypadek nie ma monopolu wśród
zdarzeń na świecie, to prawda. Jego wpływ na rozwój wydarzeń jest jednak nie do
przecenienia.
Ponieważ prowadzenie bloga
naukowego wymaga ponoszenia kosztów (nie tylko finansowych, ale także
czasowych), zdecydowałem się stworzyć profil na Patronite, gdzie możecie ustawić
w prosty sposób comiesięczne wpłaty na rozwój bloga. Dzięki temu może on
funkcjonować i będzie lepiej się rozwijać (pojawia się dzięki temu więcej
artykułów na blogu). 5 czy 10 złotych nie jest dla jednej osoby dużą kwotą, ale
przy wsparciu wielu z Was staje się realnym, finansowym patronatem bloga. 
Literatura

Brown. Genomy. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2009.
Douglas Futuyma. Ewolucja. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa 2005.
H. Fletcher, I. Hickey, P. Winter. Krótkie wykłady. Genetyka. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2013.
Halina Krzanowska, Adam Łomnicki. Zarys mechanizmów ewolucji. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2002. 
Hieronim Bartel. Embriologia. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa 2012.

 

 

bioksiążka

 

Najnowsze wpisy

`

Liczba komentarzy: 5 na temat “Przypadek w przyrodzie. Czy ma jakiekolwiek znaczenie?

  1. Generalnie cały postęp cywilizacyjny polega na przesunięciu środka ciężkości w ludzkim losie od przypadku w stronę wyboru.
    Z drugiej strony, w społeczeństwie funkcjonuje argument, że co naturalne to dobre. Argument często używany bezmyślnie, powtarzany głupawo za jakąś ideologią religijną i często niezgodnie z faktami (np stosunki homoseksualne jakoby sa niezgodne z naturą, choć jest mnóstwo gatunków, w któryc występują.)

  2. Bardzo ciekawy artykuł, zarówno od strony biologicznej, jak i filozoficznej. Często obecnie szermuje się twierdzeniem, że każdy jest kowalem własnego losu, a jak mu coś nie wyjdzie, widać nie starał się odpowiednio. A tymczasem wystarczyło urodzić się w innym miejscu i czasie, mieć słabsze zdrowie, paść ofiarą nieprzewidywanego zbiegu okoliczności – i całe "kowalowanie" szlag trafia. I odwrotnie – nie wyróżniać się niczym szczególnym, ale dzięki korzystnej koniunkturze i przypadkowi osiągnąć ogromny sukces.

  3. Proponowałbym mówić o prawdopodobieństwie. Przeciwstawienie zmiany kierunkowej i losowej jest matematycznie niejasne. Czy jeśli rozkład ma wyraźną dominantę, to nie ma już losowości, bo jest kierunkowość?

    Losowość kojarzy się (nie każdemu ofc) może niezbyt szczęśliwie z równymi szansami na jakieś zdarzenia (orzeł i reszka, zestawy numerów lotto). Niewielu ludzi sobie przypomina ze szkoły, że wynikami zdarzeń losowych rządzi rozkład prawdopodobieństwa i nie musi on oznaczać, że wszystko ma takie same szanse powstania/przeżycia. Zatem i mutacja jest efektem probabilistycznym (przy tym w różnych miejscach jej prawdopodobieństwo jest różne) i dobór naturalny nim jest (środowisko decyduje o rozkładzie prawdopodobieństwa przeżycia i rozmnażania osobnika o danych cechach/genach, nie bezpośrednio o jego przeżyciu).

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *