Koncepcja, że mutacje są „nieprzypadkowe” — zwykle oznacza to, że mutacje adaptacyjne są bardziej prawdopodobne w niektórych sytuacjach (np. zmiana środowiska) — była podnoszona przez lata, głównie dlatego, że gdyby było to dość powszechne zjawisko, byłaby to dogłębna zmiana neodarwinowskiej teorii ewolucji. Ale nie znamy żadnego mechanizmu, który popychałby w kierunku zwiększenia częstotliwości błędu w sekwencji DNA (a tym jest mutacja), tak by mutacja szła w kierunku adaptacyjnym przy zmianie środowiska. (Wiemy, że zmiany środowiskowe mogą podnieść ogólny poziommutacji, ale nie jest to zjawisko adaptacyjne, ponieważ zdecydowana większość mutacji jest szkodliwa.) Z powodu tego braku dowodów na „mutację adaptacyjną” i braku mechanizmu, dzięki któremu mogłaby ona wystąpić, ewolucjoniści nadal akceptują, że mutacje są „losowe” w zdefiniowanym przeze mnie sensie.
Niedawno pojawił się artykuł, który wydawał się wykazywać, że co najmniej jedna mutacja w ludzkiej hemoglobinie – ta powodująca anemię sierpowatą, gdy występuje w dwóch kopiach – może występować częściej na obszarach, na których mutacja jest adaptacyjna, to znaczy na obszarach Afryki dotkniętych malarią. Mutacja sierpowata, jak pokazuje poniżej Brian Charlesworth, jest adaptacyjna, ale tylko wtedy, gdy występuje w jednej kopii: kiedy jest w „heterozygocie” razem z jedną kopią „normalnego” łańcucha beta hemoglobiny, zapewnia znaczną ochronę przed malarią. Taka heterozygota ma wyższą przeżywalność i zdolność reprodukcyjną niż homozygota dla „normalnego” allelu, który jest bardziej podatny na śmiertelną malarię, oraz homozygota sierpowata, która cierpi na anemię sierpowatą i jest częstą przyczyną śmierci przed osiągnięciem dorosłości. Mechanika genetyki populacyjnej pokazuje, że jeśli heterozygota z jedną kopią każdego z dwóch alleli ma wyższą zdolność reprodukcyjną (tutaj czytaj „przeżywalność”) niż którakolwiek z dwóch homozygot, będzie utrzymywana w populacji w stałej równowadze, niezależnie od tego, jak źle powodzi się homozygotom. Cierpienia osób z anemią sierpowatą mogą być postrzegane jako cena zapłacona za wyższą odporność na malarię heterozygot, które posiadają tylko jedną kopię genu. Pokazuje również, że ewolucja nie tworzy optymalnej sytuacji: byłaby nią pojedyncza mutacja, która daje odporność na malarię, gdy występuje tak w jednej, jak w dwóch kopiach.
To, nawiasem mówiąc, wyjaśnia, dlaczego Afroamerykanie są bardziej podatni na anemię sierpowatą niż ludzie z innych populacji, bowiem nadal mają mutację „HbS” rozpowszechnioną u ich przodków, którzy zostali przywiezieni do Ameryki jako niewolnicy. Jednak częstość mutacji HbS w USA spada i to z dwóch powodów: nie mamy w USA malarii, która jest niezbędna do utrzymania równowagi występowania mutacji, a także dlatego, że Afroamerykanie często mieli potomstwo z białymi, którzy nie noszą kopii HbS. Ostatecznie badania prenatalne i poradnictwo genetyczne będą w stanie całkowicie wyeliminować anemię sierpowatą i allel HbS.
W każdym razie artykuł autorstwa Melameda i in. wydaje się wskazywać, że częstość mutacji od „normalnej” sekwencji DNA do sekwencji „sierpowatej” HbS była wyższa u Afrykanów niż u Europejczyków. Zostało to szybko podchwycone przez popularną prasę jako przykład „mutacji adaptacyjnej” i jako obalenia współczesnej teorii ewolucji. (Tytuł: „Darwin mylił się” nadal dobrze sprzedaje gazety, zwłaszcza w Ameryce!) Wielu czytelników napisało do mnie i zapytało mnie o ten artykuł, którego jeszcze nie czytałem, ale powiedziałem im, że wkrótce będzie lepsza analiza.
Zwróciłem na to uwagę mojemu przyjacielowi, koledze Brianowi Charlesworthowi, jednemu z czołowych genetyków ewolucyjnych na świecie. Szybko zauważył on błąd w pracy Melameda i in., który obalał wniosek autorów o „mutacji adaptacyjnej”, ale był zbyt zajęty, by to napisać. Dręczyłem go przez pewien czas, by jednak coś napisał, ponieważ mit „Darwin mylił się” powtarzała za tym artykułem popularna prasa, i w końcu raczył napisać krótko i ślicznie. Zamiast przesłać to do pisma naukowego, które opublikowało pierwotny artykuł (powiedział, że już dwukrotnie obalał te twierdzenia w innych artykułach i nie chce zyskać reputacji demaskatora), Brian pozwolił mi opublikować to tutaj. Zamieszczam to poniżej.
Proszę zauważyć, że błąd w Melameda i in. wynika z błędnego założenia: że wszystkie analizowane nowe mutacje były niezależne.
Brak dowodów na niezwykle wysoki wskaźnik mutacji w wariancie adaptacyjnym
Brian Charlesworth
Institute of Evolutionary Biology
The University of Edinburgh
Edinburgh, UK
Wariant hemoglobiny S (HbS) powoduje groźną anemię sierpowatą, gdy jest homozygotyczny (obecna zarówno na chromosomach matki, jak i ojca) i zapewnia ochronę przed malarią, gdy jest heterozygotyczny (obecna na chromosomie matki lub ojca). Wariant HbS występuje w znacznych ilościach w kilku populacjach w Afryce, a także w Arabii i Indiach. Jest to klasyczny przykład przewagi heterozygot, w której mutacja zwiększająca przystosowanie jej heterozygotycznych nosicieli nie może zastąpić swojej alternatywy z powodu utraty przystosowania u homozygot. (Proszę zauważyć, że rok 2022 to setna rocznica odkrycia przez R.A. Fishera sposobu działania tego procesu). Mutacja HbS to pojedyncza zmiana z adeniny na tyminę w pozycji szóstego aminokwasu w genie beta globiny, powodująca zmianę aminokwasu w białku z waliny na kwas glutaminowy (była to pierwsza mutacja zidentyfikowana jako powodująca zmianę sekwencji białka). Badania sekwencji DNA chromosomów niosących mutację HbS pokazują, że istnieje pięć głównych klas sekwencji z nią związanych, ale ostatnie analizy pokazują, że mutacja prawdopodobnie pojawiła się tylko raz, a potem nastąpiły zdarzenia rekombinacyjne, które umieściły ją na różnych podłożach genetycznych. Stanowi to klasyczny przykład tak zwanego „częściowego wymiatania selektywnego”, w którym nowa mutacja o przewadze selekcyjnej powstaje w jednym chromosomie, a więc warianty obecne na tym chromosomie szerzą się w populacji razem z nim.
Melamed i in. (2021) twierdzą, że posiadają dowody, które podważają standardowy neodarwinowski pogląd, że dobór naturalny działa na mutacje, które powstają „losowo”, tj. bez odniesienia do ich wpływu na przeżycie lub płodność ich nosicieli (w rzeczywistości większość mutacji z zauważalnymi skutkami zmniejsza dostosowanie swoich nosicieli). Dowody na twierdzenie Melameda i in. pochodzą z eksperymentu, w którym autorzy zastosowali nową technikę identyfikacji nowych mutacji w milionach plemników. W odniesieniu do wykrywania mutacji HbS zbadali plemniki 7 mężczyzn z Afryki i 4 Europejczyków. Zaobserwowali 9 przypadków mutacji HbS w plemnikach Afrykanów i żadnego u Europejczyków. Zwrócili uwagę, że HbS ma selektywną przewagę u Afrykanów, ale nie u Europejczyków i zasugerowali, że pozornie wyższy wskaźnik mutacji jest wynikiem hipotetycznego procesu zaproponowanego przez Adię Livnat, współautorkę artykułu, w którym „adaptacje i specyficzne dla mutacji tempo ewoluują łącznie”. Twierdzenie to zostało rozpowszechnione w mediach jako dowód przeciwko neodarwinowskiemu poglądowi na dobór losowych mutacji – tutaj twierdzi się, że mutacje, które są selektywnie korzystne w określonym środowisku, pojawiają się częściej niż w środowiskach, w których nie dają korzyści.
Jednak nie ma statystycznego poparcia dla twierdzenia, że u afrykańskich mężczyzn występuje wyższy wskaźnik mutacji HbS. Chociaż autorzy przyjrzeli się bardzo dużej liczbie plemników, pochodziły one tylko od 11 osób. Pięć z dziewięciu mutacji HbS wystąpiło u jednego osobnika, a dwóch innych badanych wniosło po 2 mutacje. Zdarzeń zachodzących w danych osobnikach nie można traktować jako niezależnych od siebie, ponieważ istnieje duża populacja dzielących się komórek będących prekursorami dojrzałego plemnika. Jeśli w komórce pojawi się mutacja, która po kilku podziałach powoduje powstanie kilku plemników, w puli plemników będzie kilka kopii mutacji. To jest przyczyną dobrze znanego faktu, że częstotliwość mutacji w ludzkich plemnikach wzrasta wraz z wiekiem mężczyzny. Jeśli traktujemy każdą osobę jako pojedynczą obserwację, mamy 3 przypadki mutacji HbS wśród 7 Afrykanów i 0 wśród 4 Europejczyków. Test Fishera pokazuje, że prawdopodobieństwo wystąpienia różnicy między Afrykanami a Europejczykami wynosi losowo około 11% przy braku jakiejkolwiek prawdziwej różnicy.
Istnieją inne powody, by wątpić w to twierdzenie. Po pierwsze, niezmiernie trudno jest dostrzec, w jaki sposób mógł istnieć jakikolwiek proces biologiczny, który mógłby spowodować, że mutacja HbS będzie miała wyższy wskaźnik mutacji, aby umożliwić Afrykanom rozwinięcie odporności na malarię, o której uważa się, że powstała jako istotny czynnik selekcyjny co najwyżej około 20 000 lat temu. Mutacje powstają jako błędy w replikacji cząsteczek DNA lub w wyniku uszkodzenia niereplikujących się cząsteczek. Nie jest znany mechanizm, dzięki któremu organizm mógłby wymyślić proces, który umożliwiłby mu wytwarzanie jednej określonej klasy mutacji z wyższą niż przeciętną częstotliwością właśnie wtedy, gdy ta mutacja jest korzystna. Ponadto genetyczne powody wspomniane powyżej sugerują, że wariant HbS istniejący w ludzkich populacjach pochodzi od jednej mutacji u przodka, a więc nie ma powodu do uznania, że wyższe tempo mutacji umożliwiło szerzenie się wielu kopii tej mutacji.
Bibliografia
D. Melamed et al. 2022. De novo mutation rates at the single-mutation resolution in a human HBB gene region associated with adaptation and genetic disease. Genome Research 32:1-11. Free pdf here.
D. Shriner and C. N. Rotimi. 2018. Whole-genome-sequence-based haplotypes reveal single origin of the sickle allele during the Holocene wet phase. Am. J. Hum. Genet. 102:547-556.
G. Laval et al. 2019. Recent adaptive acquisition by African rainforest hunter-gatherers of the late Pleistocene sickle-cell mutation suggests past differences in malaria exposure. Am. J. Hum. Genet. 104:553-561.
Wśród wielu popularnych artykułów cytujących Melameda i in. jako obalenie współczesnej teorii ewolucji, patrz tutaj, tutaj, tutaj, tutaj, tutaj, ad infinitum:
Dwa przykłady (kliknij na link pod zrzutem z ekranu):
