Czy funkcjonalne białka mogą powstać przypadkowo?

Ten i inne teksty kreacjonistyczne znajdą Państwo w książce „Idź Pod Prąd w sporze ewolucjonizm-kreacjonizm”.

Małgorzata Gazda

Stephen C. Meyer w swojej książce „Signature in the Cell” („Podpis w komórce”) poszukuje odpowiedzi na pytanie, jakie jest „najlepsze wyjaśnienie” powstania informacji biologicznej koniecznej do utworzenia żywej komórki. W tym celu rozpatruje wiele proponowanych w nauce wyjaśnień, by ocenić ich wartość i móc je ze sobą porównać.

Analizując wartość wyjaśnienia opartego na czysto losowych procesach [1], Meyer przedstawia ciekawe ustalenia dotyczące możliwości przypadkowego powstania cząsteczek koniecznych do zbudowania żywej komórki. Rozważając tę kwestię, skupia się on na cząsteczkach funkcjonalnych białek, w których pełnienie funkcji biologicznej zależy od specyficznej kolejności połączenia ze sobą poszczególnych aminokwasów w łańcuchach polipeptydowych, które – ulegając pofałdowaniu w określony sposób – tworzą trójwymiarowe struktury funkcjonalnych cząsteczek białek.

Według bardziej popularnych koncepcji odwołujących się do losowych procesów, funkcjonalne białka nie powstały bezpośrednio drogą przypadkowego łączenia się aminokwasów, lecz na podstawie sekwencji nukleotydów kwasu nukleinowego, który wcześniej powstał poprzez przypadkowe łączenie się poszczególnych nukleotydów. Jednak prawdopodobieństwo utworzenia się przez przypadek sekwencji nukleotydów DNA lub RNA można obliczyć pośrednio – właśnie poprzez obliczenie, ile wynosiłoby prawdopodobieństwo przypadkowego utworzenia się białek, które powstają na ich podstawie.[2] Meyer korzysta z prac naukowców, którzy przyjęli tę strategię.

Aby białka były funkcjonalne, muszą spełniać kilka wymogów dotyczących ich struktury, które uwzględnia się przy obliczaniu prawdopodobieństwa przypadkowego powstania tych białek.

Przede wszystkim funkcjonalne białka mogą powstać tylko w rezultacie pofałdowania łańcuchów polipeptydowych o odpowiedniej długości – naukowcy, na których prace powołuje się Meyer, przyjmowali długość 100 lub 150 reszt aminokwasowych. W nowszej z tych prac, której autorem jest Douglas Axe, eksperymenty i obliczenia przeprowadzono dla cząsteczek zbudowanych ze 150 aminokwasów (nie jest to wygórowana liczba). Ponieważ w białkach występuje 20 różnych aminokwasów, prawdopodobieństwo uzyskania ściśle określonej sekwencji o tej długości wynosi (1/20)¹⁵⁰, czyli około 1 do 10¹⁹⁵. Ponadto wszystkie aminokwasy tworzące łańcuch polipeptydowy przed sfałdowaniem cząsteczki muszą być ze sobą połączone wyłącznie wiązaniami peptydowymi. Naukowcy ustalili, że szansa na to wynosi mniej więcej 1/2 dla każdego aminokwasu, a dla łańcucha o długości 150 aminokwasów – (1/2)¹⁴⁹, czyli około 1 szansa na 10⁴⁵. Aby białko mogło być funkcjonalne, wszystkie aminokwasy muszą także występować w formie izomeru optycznego o konfiguracji L, chociaż z taką samą łatwością może się przyłączyć forma D. Zatem szansa uzyskania struktury prawidłowej pod tym względem również wynosi dla łańcucha 150-aminokwasowego około (1/2)¹⁵⁰, czyli 1 do 10⁴⁵.[3]

Wiadomo jednak, że część aminokwasów w funkcjonalnych białkach (ale nie wszystkie) może zostać zmieniona na inne, bez spowodowania utraty funkcji. Dopóki nie określono, jak duży zakres zmian sekwencji jest dopuszczalny, nie można było stwierdzić, jakie jest prawdopodobieństwo uzyskania przez przypadek funkcjonalnej struktury. Pierwszymi naukowcami, którzy podjęli próbę eksperymentalnego ustalenia skali tej tolerancji, był zespół badawczy kierowany przez Roberta Sauera, biochemika z MIT. Przeprowadzili oni eksperymenty na kilku białkach o łańcuchach długości mniej więcej 100 aminokwasów. Wykazali, że dopuszczalna zmienność sekwencji aminokwasów w tych cząsteczkach jest w dużym stopniu ograniczona, gdyż nawet w miejscach, w których jej zmiana nie powoduje utraty funkcji białka, nie można określonego aminokwasu zastąpić którymkolwiek spośród pozostałych dziewiętnastu. Zespół Sauera ustalił, że prawdopodobieństwo uzyskania funkcjonalnej sekwencji o długości 100 aminokwasów wynosi 1 do 10⁶³, jest więc niezmiernie małe.[4]

Podobne eksperymenty przeprowadził później Douglas Axe. W 2004 roku opublikował w Journal of Molecular Biology wyniki badań wykonanych na funkcjonalnym fragmencie białkowym zbudowanym ze 150 aminokwasów. Ustalił on, że stosunek liczby zmienionych sekwencji, które nadal mogą pełnić daną funkcję, do liczby wszystkich możliwych sekwencji o długości 150 aminokwasów wynosi 1 do 10⁷⁷. Ustalił on dodatkowo, że stosunek liczby zmienionych sekwencji, które mogą pełnić jakąkolwiek funkcję[5], do liczby wszystkich możliwych sekwencji o tej samej długości wynosi 1 do 10⁷⁴.[6] Ustalenie tej danej pozwoliło obliczyć, że szanse uzyskania przez przypadek jakiegokolwiek funkcjonalnego białka zbudowanego ze 150 aminokwasów w rezultacie losowych oddziaływań między cząsteczkami w „prebiotycznej zupie” to 1 szansa na 10¹⁶⁴.[7] Prawdopodobieństwo to jest niezmiernie małe. Może  się  jednak  wydawać,  że  w  ogromnym  oceanie „prebiotycznej zupy”, w ciągu bardzo długiego okresu czasu, nawet tak bardzo nieprawdopodobne zdarzenie nie jest tak zupełnie nierealne. Aby  uzmysłowić  sobie,  co  naprawdę  oznacza taka  wartość  prawdopodobieństwa,  Meyer  przedstawia obliczenia wykonane przez matematyka Williama Dembskiego.  Obliczył  on  maksymalną  liczbę pojedynczych zdarzeń (liczbę  możliwych sposobów łączenia cząstek elementarnych), jakie teoretycznie mogły zajść w ciągu całej historii obserwowalnego  Wszechświata. Pomnożył przez siebie trzy dane liczbowe: szacowaną liczbę cząstek  elementarnych w obserwowalnym Wszechświecie – 10⁸⁰; czas, który – według pewnych założeń – upłynął od tzw. Wielkiego Wybuchu, podany w sekundach – 10¹⁷; oraz maksymalną liczbę oddziaływań cząstek elementarnych w ciągu jednej sekundy – 10⁴³ [8], co w wyniku dało liczbę 10¹⁴⁰.[9] Jeśli porówna się tę liczbę z wartością prawdopodobieństwa przypadkowego  uzyskania  jednego funkcjonalnego  białka, którego łańcuch zbudowany jest ze 150 aminokwasów – 1 do 10¹⁶⁴ – okazuje się, że gdyby wszystkie zdarzenia we  Wszechświecie przez całą jego historię były związane z próbą uzyskania takiego funkcjonalnego białka, to do tej pory Wszechświat nie przerobiłby jeszcze tylu zdarzeń,  aby przypadkowe powstanie oczekiwanego białka można było uznać za realnie prawdopodobne.[10] Trzeba przy tym pamiętać, że obliczenia te dotyczą przypadkowego powstania jednego funkcjonalnego białka. Aby mogła powstać żywa komórka, potrzeba  takich białek  przynajmniej 250.[11] A komórka składa się też z wielu innych cząsteczek. Meyer uznał, że na podstawie m. in. tych obliczeń można odrzucić wyjaśnienia pochodzenia informacji biologicznej odwołujące się wyłącznie do procesów losowych.

(Na podstawie książki Stephena C. Meyera: Signature in the Cell. DNA and the Evidence for Intelligent Design, Harper One, New York 2009, s. 194 – 228.)

[1] W kolejnych rozdziałach analizuje on także wyjaśnienia, których podstawą – w całości lub w części – są koncepcje, według których pewne procesy prowadzące do pojawienia się życia zachodziły z konieczności, a nie przypadkowo.
[2] „(…)  stosownych  obliczeń  prawdopodobieństwa  można  dokonać,  analizując  albo  szanse  ułożenia  się  aminokwasów  w  funkcjonalne  białko,  albo  szanse ułożenia  się  zasad  nukleotydowych  w  gen  kodujący  to  białko”.  Stephen  C.  Meyer, Signature…, s. 203.
[3] Por. Meyer, Signature…, s. 205-207.
[4] Por. tamże, s. 208.
[5] Czyli takich sekwencji  aminokwasowych, które przynajmniej  pozwalają na zwinięcie się (pofałdowanie) łańcucha polipeptydowego w jakąś stabilną strukturę trzeciorzędową, co jest warunkiem funkcjonalności.
[6] Por. Meyer, Signature…, s. 210-211.
[7] Por.  tamże,  s.  212.  Wynik  uzyskano  przez  pomnożenie  trzech  danych: prawdopodobieństwa,  że w 150-aminokwasowej sekwencji utworzą się wyłącznie wiązania  peptydowe  (1 do 10⁴⁵),  prawdopodobieństwa,  że  w  sekwencji  o  takiej długości znajdą się tylko izomery L aminokwasów (1 do 10⁴⁵) oraz prawdopodobieństwa  uzyskania  sekwencji  aminokwasów  pozwalającej  na  utworzenie  stabilnej struktury trzeciorzędowej (1 do 10⁷⁴, jak obliczył Axe).
[8] Dembski  skorzystał  z  odwrotności  wartości  tzw.  czasu  Plancka – „najkrótszego  czasu  potrzebnego,  aby  wystąpił  jakikolwiek  skutek  fizyczny”  (w przybliżeniu 10^-43 sekundy) Por. Meyer, Signature…, s. 216.
[9] Por. tamże, s. 215-217. Meyer zaznacza, że jest to bardziej restrykcyjna liczba niż ta, jaką Dembski obliczył jako tzw. wszechświatową granicę prawdopodobieństwa – 10¹⁵⁰ – w której do obliczeń zamiast liczby 10⁴³ przyjmuje 10⁴⁵, a jako dostępny czas przyjmuje 10²⁵ sekund – hipotetyczny czas od Wielkiego Wybuchu do momentu, gdy Wszechświat ulegnie kolapsowi lub śmierci cieplnej. Por. D. Sagan, „Filtr eksplanacyjny: wykrywanie inteligentnego projektu na gruncie nauk przyrodniczych”, Roczniki Filozoficzne 2009, t. LVII, nr 1, s. 166 [157-193].
[10] Por. tamże, s. 217-218.
[11] „Na podstawie eksperymentów z minimalną złożonością niektórzy
naukowcy spekulują (ale tego nie wykazali), że prosty jednokomórkowy organizm byłby w stanie przetrwać, mając tylko około 250 – 400 genów”. Tamże, s. 201.

Polecamy stronę internetową Zielonogórskiej Grupy Lokalnej „Nauka a Religia” i czasopisma internetowego „Filozoficzne Aspekty Genezy”: http://www.nauka-a-religia.uz.zgora.pl/ Na stronie tej znajdą Państwo artykuły w języku polskim (oryginalne oraz tłumaczenia) poświęcone kwestii relacji między nauką i religią, ale też dotyczące szeroko rozumianej problematyki genezy.