EWOLUCJA NA POZIOMIE

MOLEKULARNYM

MOLEKULARNYM

WYBRANE ZAGADNIENIA 2009

MARIA W

Ę

DZONY

AKCEPTACJA DLA
TEORII EWOLUCJI

Mamy XXI wiek, ale w wielu
krajach spora cz

ęść

społecze

ń

stwa nie posiada

wystarczaj

ą

cej wiedzy, by

zaakceptowa

ć

teori

ę

ewolucji.

Ankieta z jednym
pytaniem: Czy teoria

2

pytaniem: Czy teoria
ewolucji jest prawdziwa?

(w nawiasie liczba ankietowanych osób)

Tak

Nie wiem

Nie

Co to jest „teoria naukowa”?

Co to jest „teoria ewolucji”?

Nauka ma swoje prawa. Nie ka

ż

da teoria mo

ż

e by

ć

opatrzona przymio-

tnikiem „naukowa”. Z drugiej strony Nauka nie zajmuje si

ę

(nie powinna

si

ę

zajmowa

ć

!) tymi dziedzinami

ż

ycia, gdzie z przyczyn metodycznych

nie jest mo

ż

liwe przeprowadzenie naukowego do

ś

wiadczenia.

Teoria naukowa (def.) – zespół praw naukowych, definicji, twierdze

ń

i hipotez,

dotycz

ą

cych danej dziedziny zjawisk, tworz

ą

cy

rzeczowo powi

ą

zan

ą

oraz

logicznie uporz

ą

dkowan

ą

i spójn

ą

cało

ść

. Zadaniem teorii naukowej w naukach

3

logicznie uporz

ą

dkowan

ą

i spójn

ą

cało

ść

. Zadaniem teorii naukowej w naukach

empirycznych jest nie tylko wyja

ś

nianie faktów, lecz tak

ż

e ich przewidywanie.

Ewolucja (def.) – powolny, nieodwracalny i kierunkowy proces rozwoju
organizmów, którego efektem jest coraz wi

ę

ksza ró

ż

norodno

ść

, zło

ż

ono

ść

i

organizacja

ś

wiata

ż

ywego i

któremu podlegaj

ą

całe populacje, a nie

pojedyncze osobniki

.

Teoria ewolucji jest teori

ą

naukow

ą

gdy

ż

sformułowano definicje, prawa,

twierdzenia i hipotezy, tworz

ą

ce spójn

ą

cało

ść

, które znajduj

ą

potwierdzenie w

dotychczas zebranych faktach do

ś

wiadczalnych i pozwalaj

ą

przewidywa

ć

dalszy przebieg zjawiska. Teoria mi

ę

dzy innymi sprawdza si

ę

na bie

żą

co w

mo

ż

liwej do zaobserwowania skali 100 lat - mikroewulucja.

Dlaczego teoria ewolucji budzi niekiedy

kontrowersje?

Teoria ewolucji odrzucana jest najcz

ęś

ciej z powodów

religijnych.

Nie da si

ę

pogodzi

ć

z teori

ą

ewolucji tekstów

religijnych wielu religii (np. Biblii lub Koranu) je

ż

eli

interpretuje si

ę

te teksty dosłownie. (Nie da si

ę

ich równie

ż

wtedy pogodzi

ć

z wieloma innymi teoriami naukowymi).

4

Do takich ugrupowa

ń

religijnych nale

żą

wyznawcy np.

konserwatywnych odłamów Islamu, konserwatywnych
ugrupowa

ń

chrze

ś

cija

ń

skich np. Jehowici i Kreacjoni

ś

ci w

USA. Taka postawa religijna nie akceptuje odr

ę

bno

ś

ci nauki

i jej narz

ę

dzi poznania

ś

wiata, a za jedyne

ź

ródło wiedzy o

ż

yciu uwa

ż

a pisma apostołów, proroków i duchownych.

Postawa Ko

ś

cioła Katolickiego wobec teorii ewolucji

i nauki

W Ko

ś

ciele Katolickim współczesna interpretacja tekstu o stworzeniu odnosi

si

ę

do niego jako do tekstu w sposób literacki opisuj

ą

cego

prawd

ę

o tym,

ż

e

Bóg stworzył

ś

wiat i człowieka

, a

nie przekaz na temat sposobu jak to zrobił

.

Ko

ś

ciół akceptuje obecnie pogl

ą

d,

ż

e mógł to zrobi

ć

„za pomoc

ą

” lub „przy

współudziale” procesu ewolucji.

Ewolucjonizm nie dotyczy nauki o duszy

ludzkiej, do której odnosz

ą

si

ę

teksty i dogmaty religijne.

Nie zawsze tak było – w XIX wieku i na pocz

ą

tku XX wieku Ko

ś

ciół Katolicki

zwalczał teori

ę

ewolucji i widział w niej zagro

ż

enie dla religijnego

ż

ycia.

5

zwalczał teori

ę

ewolucji i widział w niej zagro

ż

enie dla religijnego

ż

ycia.

Starsi duchowni i ludzie starszego pokolenia wci

ąż

mog

ą

prezentowa

ć

pogl

ą

dy z tamtego okresu i mo

ż

ecie si

ę

spotka

ć

z takimi postawami w

ś

ród

rodzin dzieci, które b

ę

dziecie uczy

ć

.

Wi

ę

cej informacji na stronie Ko

ś

cioła Katolickiego w Polsce:

http://www.wiara.pl/
http://zapytaj.wiara.pl/

Ko

ś

ciół Prawosławny nie zajmuje oficjalnego stanowiska wobec teorii

ewolucji, ko

ś

cioły protestanckie bardzo rozmaicie, mo

ż

na spotka

ć

zarówno

całkowit

ą

akceptacj

ę

, stanowiska neutralne i skrajnie konserwatywne.

Jak biolog poznaje

ś

wiat?

Jak poznaje

ś

wiat osoba wierz

ą

ca?

Pozorna sprzeczno

ść

pomi

ę

dzy nauk

ą

a religi

ą

wynika cz

ę

sto z braku

wła

ś

ciwego zrozumienia granic poznania empirycznego i duchowego.

Trwaj

ą

cy od XIX wieku spór: Czy jest sprzeczno

ść

pomi

ę

dzy nauk

ą

o

ewolucji, a religi

ą

jest bezprzedmiotowy: nauka i religia w inny sposób

poznaj

ą

ś

wiat. Nauka przez do

ś

wiadczenie, religia przez objawienie.

Biologia posługuje si

ę

eksperymentem

w poznawaniu

ś

wiata. Wszystko co

nie jest potwierdzone do

ś

wiadczeniem, mo

ż

e by

ć

jedynie hipotez

ą

o ró

ż

nym

poziomie prawdopodobie

ń

stwa. Niejedna hipoteza ju

ż

upadła.

Religia poznaje

ś

wiat przez

objawienie

, które odnosi si

ę

do spraw

6

Religia poznaje

ś

wiat przez

objawienie

, które odnosi si

ę

do spraw

duchowych.

Czy mo

ż

na wykona

ć

naukowy eksperyment na „istnienie Boga”?

Nie mo

ż

na naukowo udowodni

ć

istnienia Boga (duchowo

ś

ci, istnienia

ś

wiata niematerialnego), ale z tych samych przyczyn nie mo

ż

na tak

ż

e

naukowo udowodni

ć

,

ż

e go nie ma.

Zagadnienie istnienia Boga pozostaje w sferze wiary, a nie wiedzy. Mo

ż

na

by

ć

„pewnym” istnienia Boga pod wpływem gł

ę

bokiego prze

ż

ycia religijnego,

a nie eksperymentu. Ludzie, którzy s

ą

„pewni”,

ż

e Bóg nie istnieje te

ż

w

gruncie rzeczy „wierz

ą

” – wierz

ą

,

ż

e Boga nie ma. Nauka nie pomo

ż

e nam

rozstrzygn

ąć

tej wa

ż

nej kwestii egzystencjalnej.

Podejrzewam,

ż

e jest

jeszcze inny powód
odrzucania teorii ewolucji:
człowiek ma si

ę

za co

ś

lepszego od zwierz

ą

t, nie

chce czu

ć

si

ę

krewnym

małpy.

Na rysunkach: dwie

7

Na rysunkach: dwie
koncepcje (hipotezy ?)
przyszło

ś

ci ewolucyjnej

człowieka

☺

ś

adna teoria nie wyja

ś

nia, dlaczego w ogóle

ewolucja si

ę

dzieje, a cz

ą

steczki tworz

ą

organizmy

ż

ywe wbrew fizycznym prawom

entropii (rozpraszania) energii.

ś

ycie jest

tajemnic

ą

.

Teorie ewolucyjne nie daj

ą

odpowiedzi na

ż

adne z

Na jakie pytania nie odpowie teoria ewolucji?

8

Teorie ewolucyjne nie daj

ą

odpowiedzi na

ż

adne z

egzystencjalnych pyta

ń

nurtuj

ą

cych człowieka, takich

jak:

Kim jeste

ś

my? Jaki jest sens naszego

ż

ycia?

Nie wierzcie biologom, którzy twierdz

ą

,

ż

e ju

ż

wszystko wiedz

ą

o

ż

yciu. Czym wi

ę

cej wiemy,

tym wi

ę

cej pojawia si

ę

pyta

ń

.

Hipoteza

dotycz

ą

ca powstania wszech

ś

wiata, jak

ą

mo

ż

emy postawi

ć

w oparciu o obecn

ą

wiedz

ę

Wszech

ś

wiat powstał przez wybuch skoncentrowanej energii

(jedna z uznawanych teorii) – teoria nazywana „teori

ą

rozszerzaj

ą

cego si

ę

wszech

ś

wiata”. Inne teorie mówi

ą

o tym,

ż

e

ś

wiat „pulsuje”, rozszerza si

ę

by potem si

ę

zapa

ść

, by

ć

mo

ż

e

takie cykle powtarzaj

ą

si

ę

wiele razy. Astronomowie zgromadzili

do

ść

du

ż

o dowodów na to,

ż

e w tej chwili wszech

ś

wiat si

ę

rozszerza.

9

Hipotezy dotycz

ą

ce powstania

ż

ycia, jakie

mo

ż

emy postawi

ć

w oparciu o obecn

ą

wiedz

ę

:

Wszystkie liczby s

ą

hipotetyczne, najbardziej prawdopodobne w

ś

wietle

aktualnej wiedzy:

Ziemia uformowała si

ę

około 5 mld lat temu.

Pierwsze komórki ok. 3 mld lat temu
Pierwsze Procaryota ok. 2 mld lat temu
Eksplozja

ż

ycia na Ziemi trwa mniej ni

ż

1 mld lat

Człowiek ok. 1,5 miliona lat

10

5 mld

4 mld

3 mld

2 mld

1 mld

Era organizacji molekuł

Era Procaryota

Pierwsze Eucaryota

Eksplozja

ś

ycia

U pocz

ą

tków powstania

ż

ycia jest wiele znaków

zapytania. Brak kopalin, tylko hipotezy, niektóre

poparte eksperymentami.

1938 Oparin – bulion pierwotny, koacerwaty
1953 Miller – metan, amoniak, wodór, woda i
wyładowania elektryczne daj

ą

zwi

ą

zki organiczne.

11

ś

ycie wymaga powstania polimerów,

tymczasem

ś

rodowisko wodne sprzyja

depolimeryzacji. By

ć

mo

ż

e rol

ę

odegrały

granice faz, powierzchnie niektórych
minerałów…

Pomi

ę

dzy molekułami a najprostsz

ą

komórk

ą

jest funkcjonalna przepa

ść

.

Teoria
endosymbiozy

12

Organizm

ż

ywy (def.):

(a)

ma własny metabolizm – potrafi pozyska

ć

energi

ę

i materi

ę

z

otoczenia i przetworzy

ć

j

ą

na swoje potrzeby.

(b)

potrafi si

ę

powieli

ć

– pomna

ż

a „

ż

ycie”

(c)

Populacja organizmów

ż

ywych podlega mechanizmom

ewolucji – ma zdolno

ść

reagowania na

ś

rodowisko

zewn

ę

trzne.

Dylemat: co było pierwsze – białko czy kwas nukleinowy?

13

Dylemat: co było pierwsze – białko czy kwas nukleinowy?

Bez białka kwasy nukleinowe
nie potrafi

ą

si

ę

powieli

ć

ALE!

To wła

ś

nie w kwasie nukleinowym

jest zakodowana struktura białka

Nowe spojrzenie na ewolucj

ę

molekuł:

1981 –

Cech

odkrył,

ż

e RNA mo

ż

e pełni

ć

rol

ę

katalityczn

ą

.

Razem z

Altmanem dostali w 1990 r. nagrod

ę

Nobla

za badania

nad katalitycznymi wła

ś

ciwo

ś

ciami RNA

W ostatnim dwudziestoleciu odkryto wiele rodzajów cz

ą

steczek RNA,

pełni

ą

cych funkcje katalityczne.

RYBOZYM (def.) – cz

ą

steczka RNA posiadaj

ą

ca wła

ś

ciwo

ś

ci

katalityczne, enzymatyczne.

Rybozym faga T4 jest zdolny do samopowielenia, stanowi rodzaj „replikazy” RNA

14

Rybozym faga T4 jest zdolny do samopowielenia, stanowi rodzaj „replikazy” RNA

Mi

ę

dzy innymi funkcje katalityczne pełni

ą

cz

ą

steczki RNA w

procesach:



Wycinania intronów (splicing)



Obróbka 3’ ko

ń

cówek mRNA



Matryca do syntezy telomerów chromosomów



Primery (inicjuj

ą

syntez

ę

DNA)



Czynniki reguluj

ą

ce transkrypcj

ę

(transcryption factors)

Teoria ewolucji molekuł w skrócie:

Pierwszymi samoreplikuj

ą

cymi si

ę

cz

ą

steczkami były

cz

ą

steczki RNA

, które wykorzystywały rybonukleotydy

z otoczenia,

ż

eby si

ę

powieli

ć

: stanowiły one zarówno

materiał genetyczny (matryc

ę

) jak i enzym, zdolny do jej

odtworzenia (genotyp i fenotyp – 2 w 1)

DNA jest modyfikacj

ą

RNA – przej

ą

ł funkcj

ę

matrycy ze

15

DNA jest modyfikacj

ą

RNA – przej

ą

ł funkcj

ę

matrycy ze

wzgl

ę

du na swoj

ą

stabilno

ść

.

Białka nie maj

ą

zdolno

ś

ci do samopowielania – zatem

ż

adna cecha nabyta białka,

ż

adna „super-kombinacja”

aminokwasów powstała spontanicznie, nie mo

ż

e by

ć

przekazana potomstwu. Białka nie mog

ą

pełni

ć

roli

„praprzodka”.

Dalsze przesłanki dla kluczowej roli RNA:

W dzisiejszym

ś

wiecie

ż

ywym kompleksy RNA-białko

(rybonukleoproteiny) pełni

ą

kluczowe role w

metabolizmie:

•

Rybosomy s

ą

rybonukleoproteinami.

•

Bardzo wiele enzymów ma rybonukleotydy lub ich
pochodne w swoim aktywnym centrum.

16

•

Bardzo wiele enzymów ma rybonukleotydy lub ich
pochodne w swoim aktywnym centrum.

•

Replikacja DNA i regulacja aktywno

ś

ci genów opiera

si

ę

na interakcji RNA i białek.

•

Ponadto ponad połowa białkowych enzymów swoj

ą

aktywno

ść

zawdzi

ę

cza niebiałkowym kofaktorom.

Białka maj

ą

lepsze wła

ś

ciwo

ś

ci katalityczne od RNA, oraz

lepsze wła

ś

ciwo

ś

ci budulcowe – s

ą

jednak

niesamodzielne.

Jakie były kluczowe wydarzenia w ewolucji

ż

ycia, które

znamy? (hipoteza)

•

Pierwotny

rybozym

samopowiela si

ę

i katalizuje równie

ż

powstawanie białek.

•

Powstaje

reduktaza

katalizuj

ą

ca przekształcenie

rybonukleotydów do dezoksyrybonukleotydów.

•

Odwrotna transkrypcja

RNA => DNA

•

Błony białkowo-lipidowe

oddzielaj

ą

od siebie

poszczególne procesy, oddzielaj

ą

je od

ś

rodowiska.

17

poszczególne procesy, oddzielaj

ą

je od

ś

rodowiska.

(Ostatnio uwa

ż

a si

ę

,

ż

e pierwotna błona komórkowa

mogła by

ć

nieorganiczna, np. pewne rodzaje iłów)

•

Endosymbioza

odegrała kluczow

ą

rol

ę

w ewolucji

eukariota: mitochondria i chloroplasty. Nie ma zgodno

ś

ci

co do pochodzenia j

ą

dra: wpuklenie błony lub te

ż

endosymbioza.

PROGENOTA – praorganizmy zbudowane z p

ę

cherzyka błony

otaczaj

ą

cej kwasy nukleinowy i białka.

•

Kod genetyczny jest identyczny w całym

ś

wiecie

ż

ywym na

Ziemi: ten sam u wirusów, bakterii i człowieka.

Jednakowe zasady

zapisu i odczytywania informacji genetycznej u wszystkich

Czy „

ż

ycie” powstało na Ziemi jeden raz?

By

ć

mo

ż

e wi

ę

cej ni

ż

raz, ale wszystko na to wskazuje,

ż

e tylko jedna wersja przetrwała. Przesłanki dla takiej

hipotezy:

18

zapisu i odczytywania informacji genetycznej u wszystkich
organizmów

•

Centralna zasada biologii molekularnej: nadrz

ę

dno

ść

genotypu w

procesie ewolucji

DNA <=> RNA =>białko

•

Neodarwinizm: organizmy

ż

ywe s

ą

skomplikowanymi układami

słu

żą

cymi do namna

ż

ania genomów. „Udane” zestawy genów

osi

ą

gaj

ą

sukces dzi

ę

ki interakcji produkowanych przez nie fenotypów

z otoczeniem.

MOLEKULARNE PODSTAWY EWOLUCJI

(podsumowanie)

• Ewolucja organizmów

ż

ywych jest powszechnie

uznawan

ą

hipotez

ą

. Wci

ąż

jednak wiemy niewiele o

mechanizmach, którymi si

ę

kieruje.

• Ewolucj

ę

mo

ż

emy bada

ć

na ró

ż

nych poziomach.

GATUNKI – POPULACJE – FENOTYPY – GENOMY

ASPEKT CHRONOLOGICZNY – GEOGRAFICZNY

19

ASPEKT CHRONOLOGICZNY – GEOGRAFICZNY

•

Ś

ledzenie ewolucji na poziomie molekularnym stało

si

ę

faktem dzi

ę

ki technikom porównywania cz

ą

stek:

sekwencji nukleotydów, aminokwasów… Ta
dziedzina rozwija si

ę

dynamicznie od około 20 lat.

WYNIKI BADA

Ń

MOLEKULARNYCH

POTWIERDZAJ

Ą

JEDNO

ŚĆ

Ś

WIATA

O

ś

YWIONEGO I PASUJ

Ą

DO TEORII EWOLUCJI