onsdag 6. april 2011

Genetisk entropi, del 5. Kan Naturlig Utvelgelse hjelpe oss?

Genetikere er i hovedsak enige om at i denne tid, degenereres det menneskelige genom pga rask ansamling av mutasjoner, og et avslappet naturlig utvelgelsespress. Dette resulterer i redusert fitness (dugelighet, tilstand, evner).  Nedgangen i fitness anntas å være 1-2% pr generasjon. Alt dette skjer på genetisk nivå, selv om medisin og teknologiske fremskritt har klart å øke levealderen vår i det siste. Derfor vil antagelig alle genetikere være enig i at utvelgelsen må intensiveres, hvis vi skal stoppe degenereringen. Men det er få offentlige uttalelser om dette, pga de politiske konsekvenser som ville komme.
Dette aksepterte problemet, reiser et interessangt spørsmål: Hvor mye utvelgelse kreves for å stoppe degenereringen? Eller kanskje spørsmålet burde være: Kan degenereringen stoppes i det hele tatt?
Noen ser på naturlig utvelgelse som en tryllestav; at det ikke er grenser for hva den kan få til. Men naturlig utvelgelse er ikke en tryllestav. Den er et virkelig fenomen. Den har virkelige muligheter, og virkelige begrensninger. Den er ikke all-mektig.
”Prinsessen på erten” problemet:


Naturlig utvelgelse har et fundamentalt problem. Det innebærer den enorme kløften som eksisterer mellom genotype (gener), og fenotype (hele organismen). Det er behov for å drive utvelgelse blandt milliarder av (nesten) uendelig små og komplekse forskjeller på gen-nivå. Men dette kan bare gjøres ved å kontrollere reproduksjonen på hele organismen-nivå. Når ”moder jord” velger for eller imot et individ i befolkningen, må hun akseptere eller avslå komplette sett av 6 milliarder baser i genomet, på en gang! Moder jord ser aldri de individuelle basene i genomet. Hun ser bare hele orgaismen.
Problemet med genotype variasjon VS fenotype utvelgelse, har mye til felles med eventyret om prinsessen på erten. Prinsessen må kunne føle erten under 13 madrasser. Men vårt genetiske problem er faktisk mye verre! Vår prinsesse (naturlig utvelgelse) må i bunn og grunn lese svære bøker, skrevet med blindeskrift, under alle madrassene, for å kunne finne ut hvilken bok som har færrest feil. Skal vi være ærlig her, så finnes det noen få mutasjoner som har mye større effekt enn en blindeskriftbokstav i vårt eksempel (svært skadelige mutasjoner). De har stor biologisk effekt, og virker mer som bowlingballer under madrassen. Naturlig utvelgelse mot slike bowlingballer fungerer bra. Mesteparten av informasjonen i genomet er skrevet i basene, hvis effekt egentlig er mye mindre enn blindeskrift... Det er opprinnelsen og vedlikeholdet av disse basene (bokstavene) vi prøver å forstå.
Kløften mellom basene og hele organismen, er egentlig enda større. Mellom basene og organismen ligger det flere nivåer med organisering. Usikkerhet og vrangforestillinger blir lagt til i hvert nivå. For eks.: en base kan kanskje påvirke et gen, som kanskje påvirker mRNA, som kanskje påvirker et enzym, som kanskje påvirker en retning, som kanskje påvirker en del av en celle, som kanskje påvirker et vev, som kanskje påvirker hele organismen, som kanskje påvirker reproduksjon. Dette kalles ”støy”, eller ”forstyrrenser”,  og utgjør et tap av beslutningsevne. Det er forsvinnende liten sammenheng mellom en base og hele organismens sjanse for reproduksjon.
Det blir litt som å skulle vurdere styrken på en sommerfugls vingeslag, midt i en orkan, 100 mil unna. Eller å velge en soldat utfra hele hærens innsats.



For bedre å kunne forstå dette ”Prinsessen og erten” paradokset, skal vi forestille oss en ny metode for å forbedre lærebøker. Vi starter med en  biologibok i ungdomsskolen, og sier at den er likeverdig med et enkelt bakterie genom. Hver elev i hele landet, vil få litt forskjellige bøker, hver og en av dem inneholder nemlig egne 100 tilfeldige skrivefeil. Når året er omme, tester vi alle elevene, og beholder bare lærebøkene til de 100 elevene med best karakter. Disse 100 bøkene vil da bli brukt til å kopiere neste års bøker, som vil inneholde 100 nye feil, osv...  Kan vi forvente å se en stadig forbedring av bøkene? Hvorfor ikke? Kan vi forvente å få elever med gjennomsnittlig bedre karakterer etterhvert? Hvorfor ikke?
Det viktigste med dette eksempelet, er å vise at det er nesten ingen forhold mellom skrivefeilene i elevenes lærebøkene og elevenes karakter. Fordi nesten alle lærebøkene er ”like mye feil”, og forskjellen mellom disse feilene er for minimale til å bety noe i forhold til alt annet. Hva er ”alt annet”? Elevens karakter vil bli avgjort mange andre faktorer, som personlige egenskaper, personlig situasjon, lærere, klasserom, andre barn, motivasjon, livet hjemme, kjærlighetsliv, mangel på søvn, uflaks, osv... Alt dette er ”støy” som vil tilsidesette noen få skrivefeil i læreboken. Hvis en elev får god karakter så er det nesten bare pga disse andre fakorene.
Hva om dette ”lærebok mutasjon -og utvelgelseskretsløpet” får fortsette slik? Læreboken vil uten tvil degenerers over tid,  og elevenes gjennomsnittelige karakter vil med tiden også gå ned.
Dette ”lærebokscenarioet” er en god illustrasjon på ”Prinsessen og erten” paradokset. Hvis dette virker absurd, prøv å forstå en ting til: Hovedaksiomet hedver at det samme mutasjon/utvelgelsesystemet faktisk skrev hele læreboken i første omgang. Det var ingen intelligens involvert, hverken som forfatter eller redaktør!
Prinsessen og erten-paradokset blir til og med enda større når vi forstår fenomenet homeostase. Homeostase er et naturlig fenomen i alle levende organismer. De selv-regulerer seg selv etter som forholdene forandrer seg. For eks. varmblodige dyr i kaldt klima. Homeostase er et resultat av et utrolig kompleks nettverk av sensorer og regulatorer i hver celle. Det er som å ha 13 super-duper madrasser som justerer seg selv. Så hvis vi legger en tennissball under en madrass, vil den automatisk jevne seg ut på oversiden. Dette gjør ting enda vanskeligere for prinsessen (utvelgelsen) som må føle blindeskriften gjennom madrassene.
Paradokset om prinsessen og erten er i seg selv grunn god nok til å forkaste hovedaksiomet. Men dette er bare begynnelsen på problemene for hovedaksiomet.  Av hensyn til videre diskusjon, og for resten av denne boken, vil vi gladelig gi teoretikerene deres modell av livet og befolkningen som et ”basseng av gener” (istede for individer), og ideen om utvelgelse på ”base-nivå” (at hver og en bokstav kan naturlig utvelges). Denne teorien er selvsagt falsk, men vi skal se at den ikke holder mål uansett.

Tre spesifike utvelgelsesproblem.
Se for deg en spesifik mutasjon (f.eks. en bokstav som har byttet plass) som har hopet seg opp i 50% av befolkningen. Vi sier at denne mutasjonen er dominant (de fleste mutasjoner er recessiv, som gjør utvelgelse enda vanskeligere). Hvilken type utvelgelse kreves for å eliminere denne mutasjonen fra befolkningen, og hva er de kritiske faktorene? Ved første øyekast, virker dette problemet å kunne løses enkelt. Vi kan eliminere alle mutasjonene i en genenerasjon, hvis vi har råd til å miste 50% av befolkningen, hvis vi kunne identifisere alle personer som har mutasjonen, og hvis vi kunne forhindre alle som har mutasjonen fra å reprodusere. Så hva er problemet?


1.  Prisen for utvelgelse.
All utvelgelse medfører en biologisk pris (kostnad). Det betyt at man må fjerne (”bruke”) en del av befolkningen (hindre dem i å formere seg). Dette er essensen av utvelgelse. Hvis vi bruker eksempelet over, har vi råd til å bruke 50% av befolkningen, hindre 50% av befolkningen i å reprodusere, så vi kan ha en rask utvelgelsesprosess? Gitt menneskers fruktbarhets-nivå (globalt mindre en 3 barn pr 2 voksne), hvis vi eliminerer 50% av befolkningen til utvelgelse, vil befolkningen bli redusert med 25%. 2 voksne trenger åpenbart minst 2 barn i gjennomsnitt for å holde befolkningen oppe. Dessuten vil ikke alle barn reprodusere senere i livet (pga. ulykker, personlige valg osv.) Så mer enn 2 barn pr 2 voksne kreves for å holde befolkningen oppe. Hvis 3 barn pr 2 voksne trengs for å holde befolkningen oppe, ville ingen utvelgelse være mulig.  Derfor vil mye mindre en 1 av 3 barn kunne bli ”brukt” til utvelgelse. Antagelig kan bare 10% av befolkningen bli brukt til utvelgelseshensikter. Hvis 50% av befolkningen ble brukt i hver generasjon, ville befolkningen synke kraftig, og til slutt bli utryddet.
Meningen med denne illustrasjonen er å vise at mens utvelgelse virker, har den klare begrensninger i intensitet. Og vi må forstå at hver utvelgelses-hendelse har en biologisk pris. Dette blir et vesentlig problem, når vi må velge mot mange forskjellige mutasjoner samtidig.
Et overskudd i befolkningen trengs for å ”finansiere” mange ting, både genetisk og ikke-genetisk. For eks. er det et stort tilfeldighetselement når det gjelder reproduksjon. Mange får ikke barn, av andre en genesiske grunner. Å havne utfor en ulykke, har lite å gjøre med personens genetiske ”fitness”. At noen ikke reproduserer, er en kostnad som må ”betales”, før vi engang vurderer utvelgelse. Når vi i tillegg ser på de genetiske faktorene som kan avgjøre om det blir reproduksjon eller ikke, er det betydelige genetiske trekk som IKKE bringes videre til avkomet. De er ikke ”arvelige”. For eks. noen gener virker bedre i visse kombinasjoner, men er ikke bedre i seg selv. Å velge slike gener er ”falsk utvelgelse”, og gir ingen nytte til avkomet. Likevel må slike ”falske utvelgelser” finansieres, og krever mer reproduksjon. Vi har ikke engang begynt å betale for ”virkelig” utvelgelse. Med andre ord: Utvelgelse er bare mulig der det er et overskudd i befolkningen etter at alle de andre kostnadene er betalt. Utvelgelse kan sammenlignes med en familie på trangt budsjett, som vil kjøpe seg noe. De må spørre seg: ”Har vi råd til det?”
Fitness/dugelighet (pga overlegenhet, de som får flest barn)....
...er den egenskapen naturlig utvelgelse alltid ser etter, men denne egenskapen er faktisk veldig lite arvelig! Fitness har lite med arv og gjøre. Kanskje teller arven bare 0.4% av en persons fitness. Dette ser vi nærmere på i kapittel 5. Foreløpig holder det å si at den lave arveegenskapen til fitness, betyr at miljømessige faktorer er mye viktigere enn genetiske faktorer i å avgjøre hvem som er ”overlegen”. Dette betyr at nesten alt befolkningsoverskuddet blir ”brukt” til å fjerne ikke-arvelige variasjoner. Med andre ord: Utvelgelse for generel fitness, har minimal virkning for neste generasjon.
Selv om dette er en viktig faktor, skal vi være ekstremt generøs, og tildele alle ”utvelgelses-kronene” (befolkningsoverskudd) til mutasjoneliminering videre i boken. Men som vi nettopp har lært, bare en brøkdel av overskuddet kan virkelig tildeles mutasjonseliminasjon.
En av de mest fundamentale feil (evolusjons-) teoretikere gjør når de finner opp sine ulike scenarioer, er å ignorere kostnadene ved utvelgelse. De bruker utvelgelses-kroner som en tenåring med kredittkort. De spekulerer som om det alltid er et uendelig overskudd i befolkningen. De forestiller seg at de kan finansiere ubegrensede mutasjonsutvelgelser samtidig. De kjører utvelgelsessenarioer på utvelgelsessenarioer oppå hverandre. Som en cowboy i en westernfilm som aldri går tom for kuler, eller Legolas i Ringenes herre filmene, som aldri går tom for piler. Men teoretikere har ikke ”kunstnerisk lisens”, og burde gjøre rede for hvordan de bruker utvelgelseskronene sine. De burde vært tildelt en realistisk sum med utvelgelsespenger, basert på de reproduktive realiteter i en gitt art. De kunne da ”bruke” denne delen av befolkningsoverskuddet nøkternt, uten å gå med underskudd.
Hvis dette prinsippet ble fulgt, ville forventningene til hva utvelgelse egentlig kan gjøre, sunket betraktelig.

2. Å gjennkjenne ”usynlige” mutasjoner.
Hvis vi skal velge bort en mutasjon, må vi først finne den i befolkningen. Men dette kan bare gjøres ved å ”gjennomlyse” hele befolkningen med dyre DNA-tester. Dette er umulig å gjennomføre. Og skal vi vurdere millioner av mutasjoner samtidig, blir det enda mer umulig.

3. Systematisk eliminasjon
Utfordringen blir enda større når vi skal hindre muterte individ i å få barn. I de fleste tillfeller vil menneskelig reproduksjon være tilfeldig, bortsett fra i noen ekstreme tillfeller der mutasjoner har ført til åpenbare genetiske svakheter. Å gjøre som Hitler eller aborttilhengere (selektiv)er ikke en effektiv måte å eliminere mutasjoner på.
Vi kan konkludere med at vi (kunstig) praktisk talt ikke kan utvelge en eneste mutasjon i den menneskelige befolkning, grunnet disse tre nevnte faktorene:
 1) Vedlikehold av befolkningsstørrelse; 2) identifikasjon av mutanter: og 3) å ekskludere mutanter fra reproduksjon.
Vil naturlig utvelgelse redde oss? Nei, naturlig utvelgelse har akkurat de samme problemene. I tillegg har vi et problem med ”utvelgelses innblanding”. Dette skjer når utvelgelse for en egenskap, blander seg borti utvelgelse for en annen egenskap. F.eks vil en ønsket egenskap, bli funnet sammen med en uønsket egenskap, i samme person. Evt. nyttige mutasjoner som blir valgt, vil også dra med seg en haug med skadelige mutasjoner.
Men ikke misforstå. Utvelgelse virker, på en begrenset måte. Naturlig utvelgelse fjerner de verste mutasjonene, hvis ikke ville vi vært degenerert og utryddet for lenge siden. Men utvelgelse er ikke en tryllestav. Ingen form for utvelgelse kan vedlikeholde (eller skape) et genom.
Utvelgelsesterskel av for mange ”moderat skadelige mutasjoner”.
Dette er de mutasjonene akkurat til venstre for ”nesten nøytral” boksen.
De har en liten, men tydelig effekt på reproduksjonspotensialet. Naturlig utvelgelse kan normalt ”se” dem, siden de pr definisjon representerer sannsynligheten for reproduksjon. Men også her har naturlig utvelgelse klare begrensninger. Eliminasjon av moderat skadelige mutasjoner, blir i høyeste grad påvirket av støy. Naturlig utvelgelse må se på de som en betydelig faktor i reproduktive muligheter. Men ”moder jord” kan ha problemer med å oppdage moderat skadelige mutasjoner. Dette er fordi at forskjellene i reproduktive egenskaper, pga disse, er veldig små i forhold til forhold til andre faktorer.
Og etterhvert som antallet moderat skadelige mutasjoner øker i befolkningen, blir hver og en av de mindre utslagsgivende for reproduksjonsmuligheter, og utvelgelsestrykket på hver av de, blir mindre og mindre, og går mot 0. For hver ny egenskap vi vil utvelge/velge bort samtidig, synker utvelgelsestrykket på hver enkel egenskap. I en befolkning som vår egen, kan vi effektivt velge bare noen hundre egenskaper (teoretisk). Noe mer en det, vil lede til opphørende utvelgelsesprosess. Når vi skal velge vekk flere moderat skadelige mutasjoner, blir de også på en måte støy for hverandre, og alle virker som ”nesten nøytrale”.  I det lange løp, trenger vi å velge bort milliarder av mutasjoner, ikke hundre.


Del 6. En nærmere titt på støy.

Ingen kommentarer:

Legg inn en kommentar