Darvinismin luomisvoima

Ao. artikkelin kirjoittaja on Matti Leisola, bioprosessitekniikan emeritusprofessori

Evoluutioteoria on suuri kertomus biologian historiasta. Evoluutioteorian mekanismiksi väitetään sattumanvaraisia geneettisiä muutoksia ja luonnonvalintaa. Yleisesti tunnustetaan kuitenkin, ettei ole olemassa mitään kehityspolkuja biologisten innovaatioiden synnylle.

”… we must concede that there are presently no detailed Darwinian accounts of the evolution of any biochemical system, only a variety of wishful speculations”1  (…on myönnettävä, että tällä hetkellä ei ole yhtään yksityiskohtaista darvinistista selitystä minkään biokemiallisen järjestelmän evoluutiolle, vain joukko toiveajattelua)

Äskettäin Belgiassa Gentin yliopiston sivuilla julkaistu kirjoitus2 väittää että uusien innovaatioiden ongelma on nyt ratkaistu ja evoluutiokritiikki on osoitettu vääräksi. Kirjoitus viittaa tieteelliseen artikkeliin3 joka julkaistiin PLOS/Biology-tiedelehdessä. Kirjoituksen mukaan

” An important unanswered question in Darwin’s theory of evolution is how new characteristics seem to appear out of nowhere. (Tärkeä vastaamaton kysymys Darwinin evoluutioteoriassa on se miten uudet ominaisuudet näyttävät ilmestyvän tyhjästä)

Kirjoituksen mukaan tämä ongelma on lopultakin ratkaistu viime marraskuussa julkaistussa tutkimuksessa, jossa pyrittiin selvittämään tiettyjen entsyymien evoluutiohistoriaa. Tutkijat selvästikin haluavat kertoa miten koko joukko uusia entsyymiaktiivisuuksia on kehittynyt. Jokainen tutkija on oikeutettu tulkitsemaan tulokset omalla tavallaan. Tiedelehdissä tutkimustulokset tulee kuitenkin esittää selkeästi ja rehellisesti. Näin lehti kuvaa tuloksia:

The preduplication [i.e., ancestral] ancMalS enzyme was multifunctional and already contained the different activities found in the postduplication [i.e., evolved] enzymes, albeit at a lower level. (Muinaisessa ancMalS entsyymissä oli jo ne eri aktiivisuudet joita myöhemmissä kehittyneissä entsyymeissäkin – vaikka alhaisemmalla tasolla)

Tutkijat ovat toisin sanoen osoittaneet sen mikä jo tiedettiin – evoluutio (muuntelu, mikroevoluutio) voi muokata entsyymissä olevien sivuaktiivisuuksien suhteita. Kyse ei siis ole uusista aktiivisuuksista eikä tulos ole edes mitenkään uusi.

Olin väitöskomitean jäsenenä Gentin yliopistossa helmikuun alussa vuonna 2013; hieman edellä kuvatun kirjoituksen julkistamisen jälkeen. Väitöskirjan4 aiheena oli joidenkin entsyymien geenitekninen muokkaus siten, että ne pystyisivät katalysoimaan tietyn reaktion uudentyyppisillä sokereilla. Väittelijä käytti tutkimuksissaan darvinistista sattumamenetelmää, suunnittelua ja näiden yhdistelmää. Mikään käytetyistä menetelmistä ei tuottanut toivottuja uusia entsyymiaktiivisuuksia vaikka väittelijä oli tehnyt useita miljoonia mutaatioita. Kysyin väittelijältä oliko hän arvioinut tilastollisesti millä todennäköisyydellä hän voisi löytää toivomansa uudet mutaatiot, jos edellytyksenä olisi kaksi tai kolme mutaatiota tietyssä entsyymin kohdassa. Koska hän ei ollut kyseistä arviota tehnyt, kerroin tuloksen hänelle. Todennäköisyys kahden tietyn samanaikaisen mutaation esiintymiselle hänen tutkimissaan entsyymeissä on korkeintaan yksi kahdestakymmenestä miljoonasta (1/2×107) ja kolmen tietyn samanaikaisen mutaation esiintymiselle noin yksi sadasta biljoonasta (1/1014). Ei siis ollut mikään yllätys, että hän ei darvinistista menetelmää käyttäen löytänyt yhtään positiivista tulosta.

Science-tiedelehdessä julkaistiin viime vuonna mittava tutkimus5, jossa oli mukana yli 70 tutkijaa eri maista (myös suomalaisia). Helsingin yliopisto uutisoi tutkimusta seuraavasti: Sieni sulki öljyhanat – Science-julkaistu tutkimus vahvistaa sienten osuuden fossiilisten hiilikertymien kasvun hiipumisessa6. Artikkelin mukaan sienten evoluutiohistoria on selvitetty ja sienten evoluutio selittää mahdollisesti kivihiilikerrostumien synnyn. Ennen sieniä pääosin ligniinistä muodostunut kivihiili ei hajonnut biologisesti ja vasta lahottajasienten kehityksen myötä ligniinin hajoaminen mahdollistui ja hiilen kertyminen lakkasi. Sienten evoluutiohistoria perustui artikkelissa hapettavien entsyymiaktiivisuuksien vertailuun. Samanlaisten aktiivisuuksien vertaaminen ei kuitenkaan kerro sitä mistä aktiivisuudet ovat alun perin tulleet. Hapettavien entsyymien alkuperä jäi laajassa vertailevassa tutkimuksessa arvoitukseksi. Lahottajasienetkään eivät kykene hajottamaan ligniiniä ilman energialähdettä kuten olemme omassa ligniiniä käsittelevässä artikkelissamme7 todenneet. Sieniä todennäköisempi syy hiilikerrostumien syntyyn on puuaineksen hautautuminen hapettomiin maakerrostumiin, koska ligniinin hajoaminen on happea runsaasti vaativa tapahtuma.

Biokemisti Douglas Axe osoitti vuoden 2004 julkaisussaan8 että toimivat proteiinirakenteet ovat äärimmäisen harvinaisia valtavassa mahdollisuuksien meressä (sequence space) – vain noin 1/1077. Michael Behe ja David Snoke9 simuloivat mutaatioiden mahdollisuuksia synnyttää proteiiniin uusia ominaisuuksia. Heidän mukaansa tarvitaan miljardi organismia ja sata miljoonaa sukupolvea jotta kaksi tai useampia mutaatioita saadaan vakiintumaan populaatioon. Omassa yhteenvetoartikkelissamme10 osoitimme miten darvinistisen menetelmän mahdollisuudet luoda uutta ovat hyvin rajallisia. Michael Behen vuoden 2010 artikkelin11 mukaan mutaatiot johtavat lähinnä toiminnan menettämiseen ja Douglas Axen12 mukaan proteiinilaskosten synty on mahdotonta darvinistisella mekanismilla. Ann Gauger et al.13  tutkivat mikrobien evoluutiota ja osoittivat evoluution etenevän väärään suuntaan vaikka organismille annetaan valmis evoluutiopolku ja suhteellisen helppo ongelma ratkaistavaksi. Gauger ja Axe 14 osoittivat vuoden 2011 julkaisussaan kokeellisesti, että melko vaatimattomatkin biologiset innovaatiot ovat darvinistisen mekanismin tavoittamattomissa.

Päinvastaisista väitteistä huolimatta kokeellinen luonnontiede ei ole kyennyt osoittamaan miten uudet biologiset innovaatiot – edes yhden toimivan proteiinin tapauksessa – voisivat syntyä darvinistisella mekanismilla. Vaikka minulla onkin huonoja kokemuksia keskusteluista uskontotieteilijöiden kanssa niin voin hyvin yhtyä yhdysvaltalaisen uskonnonfilosofi Griffinin näkemykseen15, kun hän on etsinyt kuvauksia evoluutiopoluista uusien innovaatioiden synnylle:

“When I ask in which books I can find these discussions, however, I either get no answer or else some titles that, upon examination, do not in fact contain the promised accounts. That such accounts exist seems to be something that is widely known, but I have yet to encounter anyone who knows where they exist.” (Kun kysyn mistä kirjoista kuvaukset löytyvät, en saa joko mitään vastausta tai viittauksia kirjoihin, joista ei näitä kuvauksia löydykään. Kaikki tuntuvat tietävän, että selitykset ovat olemassa, mutta vielä en ole löytänyt ketään, joka tietäisi missä)

  1. Harold FM (2001) The Way of the Cell – Molecules, Organisms, and the Order of Life, Oxford University Press, p.205
  2. http://www.ugent.be/en/news/bulletin/prehistoric-dna.htm
  3. http://www.plosbiology.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pbio.1001446
  4. https://biblio.ugent.be/record/3125525
  5. Floudas D et al. (2012) The Paleozoic Origin of Enzymatic Lignin Decomposition Reconstructed from 31 Fungal Genomes. Science Vol. 336 no. 6089 pp. 1715-1719. doi: 10.1126/science.1221748
  6. http://savotta.helsinki.fi/halvi/tiedotus/lehti.nsf/e1e392ad852e72f5c225680000404fa8/f37be47bc014535bc2257a320038c2e9?OpenDocument
  7. Leisola M, Pastinen O, Axe DD (2012) Lignin—Designed Randomness. BIO-Complexity 2012 (3):1–11. doi:10.5048/BIO-C.2012.3
  8. Axe DD (2004) Estimating the prevalence of protein sequences adopting functional enzyme folds. J Mol Biol 341: 1295–1315. doi:10.1016/j.jmb.2004.06.058
  9. Behe MJ, Snoke DW (2004) Simulating evolution by gene duplication of protein features that require multiple amino acid residues. Protein Sci 13: 2651- 2664. doi:10.1110/ps.04802904
  10. Leisola M, Turunen  O (2007) Protein engineering: opportunities and challenges.  Appl Microbiol Biotechnol Volume: 75   Issue: 6   Pages: 1225-1232   DOI: 10.1007/s00253-007-0964-2
  11. Behe MJ (2010) Experimental evolution, loss-of-function mutations, and “the first rule of adaptive evolution.” Q Rev Biol 85:419–445. doi:10.1086/656902
  12. Axe D (2010) The case against a Darwinian origin of protein folds. BIO-Complexity 2010(1): 1-12. doi:10.5048/BIO-C.2010.1
  13. Gauger AK, Ebnet S, Fahey PF, Seelke R (2010) Reductive evolution can prevent populations from taking simple adaptive paths to high fitness. BIO-Complexity 2010(2):1-9. doi:10.5048/BIO-C.2010.2
  14. Gauger AK, Axe DD (2011) The evolutionary accessibility of new enzyme functions: a case study from the biotin pathway. BIO-Complexity 2011(1):1-17. doi:10.5048/BIO-C.2011.1
  15. Griffin DR (2000) Religion and Scientific Naturalism; SUNY Press, s. 287.