Geenipuut

"If the Tree of Life Fell, Would We Recognize the Sound?"
(Ford Doolittle)


Darwin yritti selvittää kuinka uudet lajit voivat kehittyä vanhoista lajeista. Hän ajatteli että evoluutio muodostaa puun. Darwin ei laittanut eläimiä ja puita tähän puuhun, vaan hän ajatteli prosessia itsessään. Nykyisinkin evoluutiopuut ovat yleinen näky tiedelehdissä, joissa tiedemiehet muodostavat HIV -n kehitystä ja yrittävät selvittää kuinka eläimet kehittyivät. Se on ihan käytännöllinen tutkintatapa, koska evoluutioteoria kuitenkin nojaa nimen omaan vähittäiseen muutokseen genomissa. Koska muutokset ovat geneettisiä, näistä muutoksista jää jälki perimään, ja ne on tunnistettavissa. Evoluution jättämiä jälkiä testataan mm. biokemiallisin keinoin, DNA -ja rakennevertailulla. Näillä metodeilla on konsilienssiä mm. kemian, matematiikan, tietojenkäsittelytieteen sekä tilastotieteen kanssa.

Tästä on rakennettu jopa evoluutiota testaavia kokeita. Rakenteista voidaan tehdä fylogenia puita. Menetelmän käyttäminen vaatii homologisen ja analogisen rakenteen erottamista. Homologinen ominaisuus on samalähtöinen ominaisuus ja analoginen ominaisuus on sama rakenne eri lähtökohdista.

Tässä kohden samanlainen toiminta syntyy joko samalla genomilla(homologia) tai erilaisella genomilla(analogia). Se, että esimerkiksi delfiineillä on samanlainen virtaviivainen muoto kuin kaloilla, on analoginen ominaisuus, kun taas niiden hengityselimistö on homologinen nisäkkäiden hengityselimistön kanssa. Tätä kautta voidaan tutkia asioita. Kun esimerkiksi tiedetään, että Australiassa on erilaiset eläimet, eikä siellä ole nisäkkäitä vaan pussieläimiä, ja tiedetään geologian kautta milloin alueen isolaatio on alkanut, voidaan vetää johtopäätöksiä. Evoluutioteoria ennustaa tältä pohjalta fylogeniapuiden perusteella, että pussihukka, joka näyttää sudelta, on geneettisesti lähempänä muita pussieläimiä kuin sutta. Ja näin onkin. Kreationistit sen sijaan eivät pysty selittämään miksi "samanlainen toiminto samaan paikkaan" toimii aina juuri siellä missä se sopii evoluutioteoriaan, eikä muualla, mutta jättää toimimatta esim. pussihukan kohdalla.

Eliökunta sisältämää DNA:ta ja sen sisältämää 'informaatiota' ja sen suhteita tutkii tieteenhaara jota kutsutaan bioinformatiikaksi. Endokrinologia taas on tutkimushaara joka tutkii yhteneväisyyksiä ja eroja eliöiden geeneissä.

Evoluutioteoriasta ja yhteisen kantamuodon oletuksesta voidaan päätellä, että eri homologiset rakenteet muodostavat keskenään yhtenevät sukupuut, kunhan seuraavat ehdot toteutuvat:
1: Ominaisuus ei ole syntynyt samanlaisesta genomista toisistaan irrallaan.
2: Ominaisuus on tullut suvullisesti populaation sisältä seksillä tai kloonautumalla, eikä esimerkiksi ole tullut horisontaalisen geeninsiirron tai endosymbioosin kautta soluun.

Kun ehdot toteutuvat, informaatiopuun evoluutioteoria olettaa että rakentuu siisti puu, ja vieläpä siten että juuressa on lähempänä juurta oleva yksilö. Jos yhtenevien geenipuiden juuresta löytyisi vaikkapa virtahepo, tulisi päätellä, että kaikki muut eliöt ovat peräisi virtahevon kaltaisesta muodosta. Tämä sopisi rappeutumismalliin, mutta ei evoluutioon jossa yksisoluiset olisivat alkuperä, josta on tehty monimutkaisempia rakenteita. Geenipuiden rakenteleminen on mahdollista, koska evoluutioteorian "ei-teleologisen" luonteen vuoksi se voi tehdä ennusteita jo havaittujen faktojen pohjalta: Se osa mitä puusta on valmiina toimii ennusteena toisiin rakenteisiin. Jo olemassaolevat rakenteet ja näiden havaitut "sukulaisuussuhteet" muuttuvat evoluution kannalta "näennäisiksi",jos ne eivät sovi yhteen=sukulaisuus ei pohjaudu yhteiseen kantamuotoon.

Tätä voidaan soveltaa esimerkiksi kromosomitutkimukseen:
Ihmisellä on 22+1 kromosomiparia, simpanssilla 23+1 kromosomiparia.
Ihminen ja simpanssi ovat toisilleen geneettisesti läheisiä: 13% ihmisen ja simpanssin proteiineista ovat aminohappotasolla täysin samanlaisia ja ainoastaan 20% proteiineista eroa on yli 98%.(Galina Glazko, Vamsi Veeramachaneni, Masatoshi Nei, Wojciech Makayowski,"Eighty percent of proteins are different between humans and chimpanzees", Gene Vol.346, 2005, s.215-219) nukleiinihappojakaumana laskien eroa ihmisen ja simpanssin välillä on 1.5 % ihmisten DNAsta ei löydy simpansseilta ja 1.5% simpanssien geeneistä puuttui ihmisiltä- Kaikki erot yhteenlaskien ero on 4%, eli ihmisessä ja simpanssissa on 96% samanlaisuutta. Vertailun vuoksi: Samaa erittelytapaa käyttäen ihmisten geneettinen eroavaisuus keskenään on 0.1%, hiiret erovat rotista 10% -ja hiirten ja ihmisten välillä eroa on 60%:
"Chimp genetic code opens human frontiers"(Science;1. Sept 2005)
Tämä tarkoittaa,että simpanssin ja ihmisen kantamuodolla on ollut:
joko 23+1 kromosomiparia, jolloin jotkut kromosomit ovat liittyneet yhteen.
tai 22+1 kromosomiparia,jolloin joku kromosomi on hajonnut kahdeksi.
Kumpikin ennustaa,että ihmiseltä on löydyttävä kromosomi,joka muistuttaa suuresti kahden simpanssin kromosomin geenejä.
Näin käykin,kromosomi ihmisen geeni nro.2 sisältää samankaltaiset geenit hyvin samassa järjestyksessä kahden simpanssin pienen kromosomin kanssa. (Ridley, M. "Perimä -ihmisen historia 23 kappaleessa", 2000, sivu 34) Tälläinen olisi epätodennäköistä vain sattumalta. Evoluution tuottamiin jälkiin se sen sijaan sopii hyvin.

Yhteneväisiä geenejä on löydetty jopa yllättävissä paikoissa. Esimerkiksi hailta on löydetty geenejä, jotka eläimillä ohjaavat varpaiden kehitystä. Sama geeni viittaa siihen, että kyseiset osat HOX -geenistöä on vanhaa; Hailla ja eläimillä on geneettistä yhteyttä. Uutisen mukaan evoluutioon ei ole tarvittu niin suuria muutoksia geeneissä kuin mitä voisi olettaa; Geenien säätelymekanismejen muutokset vaikuttavat paljon. Hailla ei ole geeneistään huolimatta varpaita. Löydön antaman tiedon mukaan geeni "vanheni". Koska vanha ikä perustui siihen että sormien ohjaamisjärjestelmä rakensi geenistä sormien kaltaisia ja tämä tiedettiin - ja uusi tieto laskikin iän sen mukaan mitä jokin geeni teki ennen kuin se tuotti sormien kaltaisia elimiä.

Kreationisteilla on kaksi kantaa fylogeniapuihin:
*Mitä enemmän geenejä tutkitaan, sen vaikeampaa on rakentaa minkäänlaista yhtenevää puuta.
*Perusryhmäoppi ennustaa yhtenevät puut, ne vain liittyvät toisiinsa, koska satunnaisetkin jonot liittyisivät. Ne, joiden "RakenneSuunnitelma" on samanlaisempi, liittyvät toisiinsa lähempänä;

Kreationistit voivat aina sanoa, että hain varvasgeenit viittaavat "suureen kehityspotentiaaliin" ja rakennesuunnitelmien samanlaisuuteen. Mutta toisaalta, jos hailla ei olisi ainuttakaan yhteistä geeniä eläimien kanssa ja olisi täysin erilainen, selittäisi kreationisti että kyse on erillisestä luomisesta, omasta baramiinista. Selitysarvoa näillä "havaintoihin sovittamisilla" ei ole.

Ensimmäinen asia on tietysti se, että kreationisti joka sanoo “common design” tekee sen ainoastaan välttääkseen sanomasta “common descent” ; Heti kun ajatellaan yhteistä Suunnittelua, hekin myöntävät että taustalla on “descent with modification”. He siis myöntävät että on olemassa järjestys, joka voitaisiin evoluutioteorian kautta pätevästi tulkita suureksikin evoluutioksi, jos taustalle ei oleta jotain henkevää näkymätöntä luonteeltaan tuntematonta tai ainakin eihavaittua Suunnittelija -entiteettiä.

Häiriöitä.

Fylogeniapuihin liittyy häiriöitä, jotka poistavat ennustettavuutta ja tekevät osassa alueita puut tilastolliseksi. Tämä tarkoittaa sitä että mistään yhdestä geenistä ei voida tehdä geenipuuta, jota aivan kaikki seuraisivat: Ennusteita voidaan tehdä, vaikka vertikaalinen geeninsiirto, redundanssista johtuva "satunnaiskävely" samankin geenin sisällä ja rekombinaation sekä "crossing over" -ilmiön aikaansaama risteäminen ja kohtaaminen tekevätkin ennusteista epätarkempia. Syynä on tietenkin se, että monisoluiset eläimet lisääntyvät suvullisesti, niillä on kromosomit, ja ne lisääntyvät lajin sisällä eivätkä vapaasti minkä tahansa eliön kanssa, ja niiden lisääntymistä rajoittaa myös aika : Esimerkiksi jos jokin geeni katoaa jänispopulaatiosta kokonaan, kun kaikki sen kantajat kuolevat, se ei ilman ihmisen apua vain ilmesty populaatioon kovin todennäköisesti aivan identtisenä, toki samaa toimintoa voi ilmestyä mutaatioiden kautta.

Siksi evoluutio selittää mainiosti monissa paikoissa sitä, miksi itsenäisesti tehtyjen fylogeniapuiden kaikki organismit sopivat yhteen tilastollisesti merkitsevällä tasolla. (Penny, Foulds & Hendy "Testing the theory of evolution by comparing phylogenetic trees constructed from five different protein sequences.",1982)(Penny, Hendy, & Steel,"Testing the theory of descent.", 1991) Koska mutaatio on muutosta suhteessa aikaisempaan, ja oletetaan yhteinen kantamuoto, kertoisi falsifiointi "eimutatiivisesta alkuperästä" ja kumoaisi makroevoluution tätä kautta.

Luomisen "sama geeni samaan toimintaan" ei ole pätevä ennuste, koska se ei ennusta analogisten ja homologisten ominaisuuksien olemassaoloa ja sijaintia: Se vain selittelee havaintoa jälkikäteen: RakenneSuunnitelmaan rajojen ja vaikutusalueen laajentaminen perusryhmän ulkopuolelle mahdollistaa minkälaisen puun tahansa sovittamisen malliin: Se ei siis itse asiassa ennusta yhtään mitään. Evolutiivisissa fylogeniapuissa taas selitetään miksi se toimii missäkin ja missä alueissa se ei "mekanistismien tuomien rajoitteiden" vuoksi toimi.
Evoluution vastustajien on siis esitettävä esimerkiksi homologinen(ei analoginen) rakenne,joka "hyppää" kehitysketjussa yli. Tälläisestä kävisi esimerkiksi endogeeninen retrovirus, jota löytyisi muutoin samoilla mutaatioilla vain kädellisiltä, mutta joka hiireltä löytyisi samoilla mutaatioilla jotka tekevät samasta geenistä toimimattoman, samassa kohtaa kromosomistoa. *
Samoin todisteesta kävisi myös fossiiliaineistosta "liian varhain" löytyvä rakenne, tai genomin kodonien koodituksessa olevien pienten erojen jakautuminen saadun homologiapuun kanssa epäjatkuvasti, esimerkiksi että rotta ja ihminen jakaisivat saman geneettisen kodonien koodituksen, mutta se olisi simpanssilla tai gorillalla erilainen.

Evoluutiota ei kumota pelkällä erojen suurudella, vaan niiden sijainnilla. Myös "geeniperheiden" muutokset, niiden kehittyminen ja tuhoutuminen vaativat tietynlaista asettautumista. Myös Endogeeniset retro virukset vaativat tietynlaista asettautumista toimiakseen todisteena eri lajien yhteisestä esi-isästä. Koska virustartunnoista jäävät jäljet ovat sattumanvaraisia, voidaan päätellä, että jos identtiset jäljet löytyvät identtisistä kohdista eri lajien kromosomeista, niin niillä on yhteinen sukupuu. Näidenkin sukupuiden tulee vieläpä korreloida keskenään.

Kyseessä on nimenomaan korrelaatio, jonka evoluutio ennustaa. Yhteys ei ole aivan 100% suora, ei itse asiassa edes pidä olla ; Esimerkiksi Richard Dawkins mainitsi jo 1986 kirjassaan "the Blind Watchmaker" (pokkari, s 272) "parsimony principlen" eli että "se reitti mikä on 'yleisin', on todennäköisin." Periaatetta tarvitaan vain jos puut eivät ole aivan identtiset vaan että niissä on pieniä eroja; Puuta sekoittavat yksittäiset mutaatiot esimerkiksi kun mutaatioita on paljon voi samaan kohtaan eri linjoissakin osua samoihin kohtiin mutaatioita (jotka sitten puuttuvat lajin muilta lähisukulaisilta), seksuaalinen lisääntyminen, sukusiitos... voivat piilottaa syntyvää puuta jne. Korrelaatiolle voidaan luultavasti sovittaa falsifioimattomaan Suunnittelijaan, mutta evoluutio silti selittää tämän korrelaation, jonka puute kumoaisi evoluution, jolloin yhteys toimii todisteena evoluutiolle. Osa kreationisteista jopa väittää että retroviruksia ei olisi lainkaan, mutta perimästä retroviruksia on jopa "herätetty henkiin".

Tähän liittyy myös se, että translaatiossa lähetti RNA:n muunnossa aminohappoketjussa kodoni edustaa tiettyä aminohappoa. Tämä tapahtuu tietyn säännön kautta, eikä tunneta mitään syytä miksi toimivaa perimää ei voitaisi valita valitsemalla toisenlainen kodonikooditus. Huomattavaa on kuitenkin kaikkien eliöiden "kodonien koodin" samankaltaisuus. Tämä ei tarkoita että koodit olisivat aivan identtisiä, ne eivät ole. Mutta kuitenkin kaikkien väliset erot ovat pieniä. Lisäksi ne eivät sijoitu satunnaisesti suhteessa geenien tekemään puuhun, se on keskittynyt tiettyihin haaroihin. Tämä tarkoittaa sitä, että niistä tulee eroineen erittäin konservoitunut ketju, jonka yhteensopivuus muiden kanssa on vahva todiste evoluutiolle. Itse asiassa jopa niin vahva, että jopa "Evoluutio - kriittinen analyysi" kertoo sivulla 298 että:

"Kokonaisuutena geneettinen koodi on kuitenkin kaikissa toistaiseksi tutkituissa elävissä olennoissa niin samanlainen, että on perusteltua uskoa niiden yhteiseen alkuperään."

Geenipuun juurella

Mutta tiedemiehet ovat myös havainneet että selvän "bakteereista ihmiseen ja mäntyyn" -puumallin tuottaminen on vaikeampaa kuin mitä sen on aikanaan ajateltu olevan. Evoluutio, ytimessään, on DNA:n muuttumista. Joillain organismeilla, kuten ihmisillä, DNA -materiaali tulee lähes täysin vanhemmilta, jolloin puun piirtäminen on helppoa. Ongelmana on, että geenejä voi siirtyä organismista toiseen. Ilmiötä kutsutaan horisontaaliseksi geeninsiirroksi - ja se on havaittu tapahtuvaksi tosiasiaksi.

*transformaatio(engl. transformation) eli suora DNA:n imu solun ulkopuolelta.
*konjugaatio(engl. bacterial conjugation), eli DNA:n siirto bakteerilta toiselle.
*transduktio(engl. transduction), eli geneettisen materiaalin siiryminen bakteriofagien välityksellä.

Horisontaaliset geeninsiirrot ovat yleisiä mikrobeilla, niitä havaitaan sen vuoksi niiden parissa muun muassa laboratodioissa ja luonnossa. Kun geeni kerran tekee hypyn, se siirtyy aivan samoin, kuin jos kyseinen mikrobi olisi aina omistanut kyseisen geenin. Tämä johtaa siihen, että geenipuuhun tulee hyppäys. Olemme havainneet että eri geeneillä on toisistaan eriävät puut nimenomaan "puun juureen" päin mentäessä. Esimerkiksi Doolittlen tutkimukset antavat tukea sille, että alkeistumallisten tapauksessa "standardipuuta" ei ole ; Jokainen geeni on erittäin suurella todennäköisyydellä siirtynyt bakteerilajista toiseen. Geenipuu on pensaistunut - ja nimenomaan juuresta. Doolittle ja kumpp. ei siis väitä että makroevoluutiota ei olisi tapahtunut. Doolittle esittää, että horisontaalinen geeninsiirto on aikaansaanut sen, että yksisoluisten tasolla, geenipuun juuressa, ei voida vetää yhteyttä yhteen yhteiseen kantamuotoon, vaan suureen populaatioon, jonka jäsenet ovat suuresti vaihtaneet "horisontaalisesti geenejään ristiin" niin, että suora sukulaisuussuhde on muuttunut sumuksi. Horisontaalinen geeninsiirto on sitä satunnaistavampaa, mitä yleisempää se on. *

Vrt:Moni kreationisti sanoo että mistä tahansa geeneistä voisi piirtää puun, ja että evoluutiolla kantamuotoa asettamalla voitaisiin saada aikaan mistä tahansa laisesta lähtökohdasta siisti evoluutiopuu. Koska he samanaikaisesti puhuvat mielellään "geenipuun juuren pusikoitumisesta", voimme vain ihmetellä ristiriitaa. Jos puun voisi tehdä mistä tahansa miten vain, miten tämä on mahdollista?

Asiasta on tietysti debatoitu: Tieteen periaatehan ei ole "se mitä tiedät, vaan se mitä voit todistaa". Siksi esimerkiksi Karl Zimmerin sivuilla oleva 184 mikrobilajin perimien muodostama puu oli lukuisista geeneistä tehty puu, jonka oksilla on "yhteinen kantamuoto", geenit yhdessä muodostavat puun, jossa enemmistö tietyssä kohdassa etenee samalla lailla, mutta josta kuitenkin sinkoilee horisontaalisten geeninsiirtojen jäljet. Tämä oli "1% puu", jonka voi tulkita "otokseksi" ja sen puolesta voi tehdä yleistyksen. Tosin huomattiin että yleistys ei olekaan pitävä, vaan yksisoluisten kohdalla puu on todella sotkuinen.

Kun tarkastelemme Doolittlen julkaisemaa kuvaa (Doolittlen julkaisema kuva yllä, ympyröinti minun) ja huomaamme, että punaisella ympyröinti käsittää kloroplastin siirtymistä, joka taas katsotaan yksisoluisten välillä (endosymbioosilla) tapahtuneeksi, ymmärrämme että "puu on sotkuinen" juuri sieltä, missä on havaittu "sotkeva mekanismi", horisontaalit geeninsiirrot tai tässä tapauksessa endosymbioosi. Doolittlen puussa monisoluiset edustavat vain minimaalisen pientä osaa -aivan siitä syystä että valtaosa eliökunnasta on niitä- ja niiden kohdalla sotkuisuus puuttuu. Monisoluisten kohdalla geenipuut toimivat paremmin, mutta ne voidaan nähdä "poikkeuksina jotka nousevat geeniverkosta". Kun asialle on luonnontieteellinen selitys, tälläistä on vaikea nähdä minään "ongelmana, jota naturalismi ei voi selittää".

Joka myös mahdollistaa sen, että samanlainen geeni on eri linjoissa; sen ei tarvitse siksi "syntyä identtisinä montaa kertaa toisistaan riippumatta", kuten eräskin kreationisti kehtasi väittää ainoaksi tavaksi, jolla evoluutio voisi tuottaa sotkuista geenipuuta. Tälläinen olisikin tietysti "niin epätodennäköistä että on lupa kutsua mahdottomaksi".

Jos "perusryhmät" taas näkyisivät geenipuiden sekoittumisena "eri lähtökohdista peräisin olevien samojen osien käytön kautta" niin olisi evoluutio yksisoluisista eläimiksi "pätevin" vaihtoehto. Ja mikä ironisinta: fylogeniapuita voidaan piirtää koko lailla vanhaan malliin. Syy on se, että niiden teossa ollaan yleensä korostettu monisoluisia. Monisoluiset ovat verkkoon nähden pieniä yksityiskohta, mutta tämän pienen yksityiskohdan kohdalla se toimii hyvin. Siksi kuva, jossa esimerkiksi korostetaan havupuiden tyypillisiä ominaisuuksia jotka ovat kaikilla niiden jälkeläisillä eivätkä esimerkiksi kissoilla, on juuri se mitä evoluutio odottaa. Nä'kökulmaero on siinä missä tarkastellaan eikä niinkään siinä mitä havaitaan: Tämän huomaa kun vertaa fylogeniapuuta Doolittlen piirrokseen, se mitä korostetaan ovat eri asiat. Koska horisontaaliset geeninsiirrot eivät ole monisoluisilla eliöillä yleinen ilmiö verrattuna perinteiseen jälkeläisten hankkimiseen kloonautumisella tai seksillä.

Lisäksi haluaisin korostaa sitä, että Wells korosti "Icons of evolution" -kirjassaan sitä, miten geenipuun pensaistuminen olisi jotain sellaista, mitä evoluutikot eivät ikinä myöntäisi. He ovat kuitenkin selvästi niin tehneet. Ehdotankin tämän vuoksi että Wells uudelleennimeäisi kirjansa "Kreationistien yleismmät harhaluulot ja kannanotot siitä mitä he virheellisesti luulevat evoluutikkojen luulevat". En pidätä hengitystäni.


Lähteet:
Larry Moran, "The Three Domain Hypothesis",2006
Carl Zimmer, "Tangling the Tree",2006
Juha Leinivaara, "Darwin oli väärässä",2009
Jason Rosenhouse, "The Trouble With Science Journalism",2009
"On gene trees and species trees",2009
Hosted by www.Geocities.ws

1