5. האם שונות אקראית יכולה לבנות מידע ?
ארבעת הסמנכל"ים ישבו בפני המנכ"ל במשרדו רחב המימדים. לכולם היה חלק חשוב בצמיחה הפונומונלית של החברה בארבעת השנים האחרונות. כשהחברה הונפקה בבורסה הם הפכו למולטי-מליונרים. המנכ"ל קם מכיסאו והביט דרך החלון, באוניות השטות לאיטן על נהר צ'רלס.
"אם לא היה חוק נגד סחר במניות על-פי מידע פנימי, היינו יכולים מחר כולנו, להרוויח מיליונים. ההודעה על המוצר החדש אמורה להעלות את שערי המניה בלפחות עשר נקודות".
לפתע נשמע זימזום באינטרקום, הוא הסתובב לחץ על האינטרקום, כופף את אזנו ונבח לתוכו "כן".
נמצא כאן הפרופסור מ-MIT, נשמע קול בוקע מהקופסא שעל השולחן. "הוא זה שקבע איתך פגישה, לפני למעלה מחודש. הוא רוצה להציג בפניך תכנון חדשני, או משהו כזה. הוא מחכה בחוץ בחדר ההמתנה. האם לומר לו להמתין כי אתם באמצע פגישה ?"
אנחנו ממש עסוקים וקשה לי להקדיש לכך זמן כעת, אך הוא היה קולגה של אבא, וכבר דחיתי אותו כמה פעמים – אתה יודע מה, למעשה כבר סיימנו, תכניס אותו. האם ללכת בוב ? שאל סגן הנשיא, האחראי על הייצור.
לא, זה לא יקח זמן רב. אולי יש לו משהו מעניין לומר לנו וכדאי שתשמע.
שלום, הכריז האורח, הוא הביט במנכ"ל ובארבעת היושבים לפניו, אני מקווה שאני לא מפריע לכם, הוא אמר.
לא הפגישה כבר הסתיימה.
שמי פט רינולדס מ-MIT.
כן, אני יודע, אבא היה מזכיר אותך, כששניכם לימדתם באוניברסיטת פרדו.
אני מבין שאתה מעוניין לספר לי על תכנון של מוצר כלשהו. אך כדי להגן על עצמנו, לא אוכל לשוחח איתך על כך אם אין לך הגנה של פטנט כלשהו.
כן, זה בסדר המוסד כבר פנה לקבלת פטנט.
בסדר, אתה יכול להמשיך.
מדובר על תכנון משופר עבור המוצר שפיתחתם לאחרונה. למעשה אחד מהסטודנטים שלי העלה את הרעיון בעבודת סמסטר. הוא ניתח את המוצר שלכם וגילה שניתן היה לתכנן אותו מחדש עם רק עשירית מהמרכיבים הנמצאים בו כעת. הוא לא השתמש בשיטות המרה, אלא הוא פיתח את המוצר מחדש, מאפס. חשבתי שהוא עלה על רעיון מוצלח, לכן עבדנו יחד עד שהגענו למה שנראה בעיננו כתכנון אופטימלי. אני חושב שכדאי לכם לגלות עניין בכך, התכנון שלנו אמור להוזיל לכם את העלויות בפקטור של עשר.
תראה פט – האם אני רשאי לקרוא לך כך.
כן בוודאי, התלמידים הבוגרים, קוראים לי כך.
פט, אני רוצה להודות לך על ההתעניינות והרצון לעזור, אך לא שווה לנו כלכלית להשקיע כסף נוסף בתכנון המוצר. מחלקת השיווק שלנו מעריכה את אורך חיי המדף של המוצר בשנה אחת נוספת. העסקים שלנו משתנים מהר. מוצרים ישנים נעלמים במהירות, ונדרש מאיתנו כל העת לפתח מוצרים חדשים. אני מצטער, אך אין טעם בבדיקת התכנון שלכם.
אני רואה, אך אולי אוכל להשאיר אצלך את קורות החיים של הסטודנט. הוא מקבל את התואר ביוני השנה, והוא התחיל כבר לחפש עבודה. הוא תלמיד מבריק ואני חושב שהוא יוכל להביא לכם תועלת מרובה בתכנון מוצרים עתידיים.
או.קיי טוב, רק תשאיר את קורות החיים אצל פקידת הקבלה בדרכך החוצה ותודה על שחשבתם עלינו.
הפרופסור סגר את תיק המסמכים, עמד במלוא גובהו ופנה לכיוון הדלת. כשהוא הגיע לדלת, הסתובב ואמר בחיוך, בבקשה תמסור ד"ש לאביך.
"כמובן", הוא ענה והחזיר חיוך.
עם סגירת הדלת המנכ"ל חייך לאנשי החברה שעדיין ישבו מסביב.
אתם רואים זו הסיבה שאין לנו מתחרים, כולם חושבים שאנחנו מפתחים את המוצרים שלנו מאפס. אף אחד לא מבין שהסוד האמיתי שלנו הוא ברכישת ציוד מחשוב מיושן במחיר אפסי, אותם אנחנו הופכים למוצרים שניתן לשווק.
אנו מודעים היטב לכך שהמוצר מכיל פי 10 יותר מרכיבים מהנדרש, כפי שגילה הסטודנט. רוב המרכיבים אינם בשימוש, אך גם לא שילמנו עבורם, אז מה זה כבר משנה. החלק היקר ביותר של המוצר הוא קופסת הפלסטיק שמסביבו, היינו צריכים לייצר אותו במיוחד. כל השאר הוא זבל. חברים, בא נכיר בעובדות אנחנו נמצאים בעסקי גרוטאות.
שם המשחק איננו תכנון אלגנטי, אלא התאמה לשווקים. המוצרים שלנו נמכרים בגלל מחירם הנמוך. אנחנו רוכשים מיליוני מחשבים מיושנים, ומחפשים דרכים להפוך את החלקים למוצר נמכר. כדי להגיע לכך, אנחנו מנטרלים כתשעים אחוז מהרכיבים בכרטיס כדי לקבל פונקציה ברת שווק. אנחנו לא נמצאים בחזית הטכנולוגיה, אך אנחנו עדיין מרוויחים הון.
ההתאמה של אורגניזם חיים, מתבצע על-ידי הפחתת המידע בגנום, בדומה להפיכת הגרוטאות שבסיפור שלנו למוצרים מועילים. שם המשחק הוא התאמה לסביבה, ולא בהכרח הוספת מידע באורגניזם. אך הת.נ.ד כבשה את לב העולם המערבי לא בגלל שהיא מצליחה לתאר כמה מקרי הסתגלות. אלא מכיוון שהוא מתיימר לספק הסבר מקיף לכל מורכבויות החיים. הוא מתיימר לתאר כיצד נוצרו העיניים והמוח. האם יש הוכחות כלשהם לאישוש יומרה זו ? האם קיימת הוכחה כלשהי לכך שאבולוציה יכולה לבנות ולהוסיף מידע ביצורים חיים ? או שמא האבולוציה רק מסוגלת להפחית או להרוס מידע ?
בפרק האחרון בחנו מקרה שמרבים להביא אותה כדוגמא למאקרו-אבולוציה שהת.נ.ד אמורה לספק לה הסבר. ראינו שהתיאוריה אינה מספקת את ההסבר הנדרש. בפרק זה נבחן מספר דוגמאות מהם נוכל להיווכח האם אי פעם היה מקרה ברור של הוספת מידע על-ידי אבולוציה.
לא ידוע על כח פנימי בייצורים החיים היכול להניע אותם להיהפך למורכבים יותר. אך אם החיים כפי שהם היום התפתחו ממבנה פשוט כלשהו, האבולוציה הייתה חייבת לבנות ולהוסיף הרבה מאוד מידע ורמות סיבוכיות רבות. החיים היום הרבה יותר מורכבים מכל צורת חיים פרימיטיבית אשר חושבים שהתפתחה לפני כארבעה מיליארד שנה ממולקולות אנאורגניות כלשהם. כל תיאוריה שלא נעלה לצורך הבנת קונספצית מוצא המינים של דרווין תהיה חייבת לתת מענה להתפתחות המידע ומורכבות החיים.
רוב המומחים בדעה שהמכניזם המתוארת בת.נ.ד הוא זה שבנה את מורכבות החיים כפי שאנחנו מכירים אותו היום. ג'ון בונר מאוניברסיטת פרינסטון כתב [Bonner 1988]:
ניתן להיווכח שבמהלך הזמן נוצר גידול מתמיד במספר המינים, בגודלם ובמורכבותם…[p. 226]… האבולוציה בדרך כלל מתקדמת על-ידי עליה במורכבות [p. 228].
אם בעלי החוליות היבשתיים התפתחו מהדגים, ברור שהאבולוציה הוסיפה ובנתה מידע ומורכבות אשר הובילו לצורת חיים חדשה, הכוללת מבנים ספציפיים חדשים ופונקציות התואמות לסביבה יבשתית יבשה. לבעל חיים יבשתי יש מבנים ופונקציות שאין לדג. יש האומרים שבמעבר בין המינים האבולוציה אולי לא הוסיפה מורכבות נטו, כי לדג יש מבנים ופונקציות שאין לבעלי החיים היבשתיים ]1983Hinegardner and Engelberg [. יתכן שהכלב באמת אינו מורכב יותר מדג סלמון, הוא רק שונה ממנו.
במסגרת התפתחות הדג לבעל חיים יבשתי, הוא איבד את המורכבויות שלא היה בהם צורך. מאידך הוא הוסיף מורכבויות אשר יאפשרו לו לחיות ביבשה. יתכן שיש כאן תוספת נטו של מורכבות ויתכן שלא. אם האבולוציה המירה סנפיר באמת יד, היא החליפה צורה אחת של מורכבות בצורה אחרת. השאלה, האם היתה כאן גם תוספת של מורכבות אינה רלוונטית. איך שלא נסתכל על זה, במסגרת התהליך התווסף מידע. כך חושבים שהאבולוציה התקדמה במרחבי זמן ארוכים.
במקרים מיוחדים אורגניזם יכול להתאים את עצמו פשוט על-ידי השמטה ואיבוד של מורכבויות שכבר אינן בשימוש, זאת מבלי להוסיף במקומם מורכבות חדשה. מצב כזה מהווה דוגמא לאיבוד מידע מבלי להוסיף דבר. אם האבולוציה עובדת רק על-ידי איבוד מידע, היא לא הייתה יכולה לייצר את מכלול מורכבות החיים שמסביבנו. החוליות, העיניים או המערכת החיסונית של בעלי החיים, לא יכלו להתפתח כאשר המידע רק הולך לאיבוד.
אם האבולוציה עובדת רק על-ידי איבוד מידע, כיצד נוצר ונבנה המידע שהלך לאיבוד ? כיצד מלכתחילה התפתחו העיניים ומערכות הראיה ?
- כיצד התפתח התא המשמש כגלאי האור של העין, הרגיש כל-כך עד שביכולתו לזהות פוטון בודד [Schnapf and Baylor 1987].
- כיצד התפתח הפיגמנט/הצבע של רשתית העין, המאפשרים ראיית צבעים [Levine and MacNichol 1982, Rushton 1962].
- כיצד התפתחה מערכת השריר של העין, הנשלטת באופן מדויק על-ידי המוח, והמאפשרת שליטה מלאה על תנועות העין [Bahill and Stark 1979]?
- כיצד התפתח הקורטקס החזותי, חלק של ההמוח המקבל מידע שמתיחס לקרנית, מתרגם אותו ומאפשר בין היתר ראיה דו-עינית [Pettigrew1972, Hubel 1963].
- כיצד התפתחה היכולת המדהימה של מערכת העין-המוח לתיקון עוותים אופטיים [kohler 1962].
- כיצד התפתח המחשב המיוחד ויוצא דופן אשר מאבד ודוחס את המידע קודם העברתו לקורטקס החזותי [Michael 1969].
תומכי האבולוציה אינם סבורים שהמערכות המורכבות והמתוחכמות הללו התפתחו בשלב אחד. הם סבורים שהמערכות הללו נוצרו בהדרגה על-ידי סדרה/רצף של צעדים קטנים. לדעתם המידע שמגדיר את הפונקציות הללו נבנה שלב אחר שלב. בממוצע כל צעד חייב להוסיף מעט מידע. יתכן שחלק מהצעדים כלל אינם מוסיפים מידע , אך רובם חייבים להוסיף משהו, בממוצע כל אחד מהצעדים חייב להוסיף משהו.
מקוי [1977] מצטט מחקר של יואכים ברנדה שבשנת 1871 ניסה להפריך את תיאורית האבולוציה של דרווין, ברנדה ציין שמהמחקרים שערך על אבולוציית הטרילובייטס [Trilobites] הוא למד שלא ניתן
…להבחין בהתפתחות הדרגתית מיזערית באירגונם במהלך התקופה הארוכה של קיום השבט…
ברנדה חשב שיש בכך הוכחה כנגד תיאוריה ש:
…האבולוציה של בעלי החיים היתה אמורה להתרחש בסדר שנקבע על-פי מעמדם העוקב של אירגונם מהפשוט למורכב…
מקוי קבע שההוכחה של ברנדה אינה תקיפה (ה"משונה" שבהפרכות "מעוררי הסקרנות" הרבים) מכיוון שהוא יוצא מנקודת הנחה "שהאבולוציה הדרווניסטית דורשת גידול מתמיד במורכבותם של צורות החיים במהלך כל העדות הגיאולוגית". יתכן שהטיעון של ברנדה אמיתי, הוא רק לא השתמש במילים או בדוגמאות הנכונות.
בפרק 4 ראינו שתיאור ההתפתחות האבולוציונית של הסוס על-פי הת.נ.ד, מוביל לסתירה. בפרק זה נראה שמבין כל המוטציות שנחקרו, אין ולו דוגמא אחת, המצביעה בבירור על הוספת מידע. כמובן שלא אני, או כל אדם אחר יכולים להוכיח על דרך השלילה שלא קיימות כאלו מוטציות. אני הרי לא מכיר את כל דוגמאות המוטציה הקיימות. ברור שישנן דוגמאות שטרם התגלו. אך ככל הידוע, או לפחות ככל הידוע לי אין דוגמאות לכך.
דניאל מקשיי מאוניברסיטת מישגן השווה את קווי ההתפתחות בטורים שונים של בעלי חוליות. הוא הגדיר מורכבות במונחים של שינויי צורה בחוליות. הוא הסיק שבחלק מקווי ההתפתחות הייתה עליה במורכבות ובחלקם הייתה ירידה במורכבות [McShea 1991, 1993]. ג'ורג בויג'ן מאוניברסיטת פנסלביניה וטים לוטס מאוניברסיטת ווסטצ'סטר חקרו את ההצטלבויות שבין הקונכיות של מולסקים (Mollusks) שנכחדו. הם הגדירו מורכבות בהצטלבויות במונחים של רמת הסדר בדוגמאות. הם מצאו שהיתה תוספת של מורכבות אך לא הייתה לכך מגמה אחידה [Boyajian and Lutz 1992].
אך בשני המקרים הללו תוספת המורכבות אינה תוצאה ברורה של שונות אקראית. כפי שנראה בפרק 7, יכולים להיווצר שינויים בעצמות ובקונכיות כתוצאה משינויים בסביבה, ללא צורך במוטציה, בין אם תהיה אקראית ובין אם לאו.
בפרק זה נביא מספר דוגמאות אבולוציוניות, בעיקר מוטציות, ונראה שלא נוצרה בהם תוספת מידע. אינני טוען שהדבר בלתי אפשרי. הוא רק בלתי סביר לחלוטין במישור העקרוני. בכל חומר הקריאה שעיינתי בתחום מדעי החיים, לעולם לא מצאתי מוטציה שהוסיפה מידע. הת.נ.ד טוענת שלא רק שמוטציות כאלו מתרחשות, הם גם חייבות להתרחש בסבירות גבוהה מספיק כדי לאפשר סידרה ארוכה מהם, אשר בסופו של דבר יובילו למאקרו-אבולוציה. מצאתי דוגמא אחת לשרשרת של שלשה מוטציות בבקטריה אשר בהתחלה חשבתי שהן מדגימות הוספה רציפה של מידע. אך בדיקה נוספת העלתה שאף אחת מהם אינה מוסיפה מידע – למעשה הם כולן מאבדות מידע. בהמשך נדון על כך בהרחבה.
דוגמא זו מזכירה לי סיפור שאח שלי קני מספר על כנס סוחרי בורסה, במהלכה המארגנים הציגו בפני באי הכנס את אורח הכבוד, שהוצג כספקולנט מצליח אשר במהלך שבועיים הרוויח 370 מיליון דולר באופציות על אורניום. לאחר שהאורח קם לדבר והודה לכולם על מחיאות הכפיים, הוא פתח בכך שהוא מקפיד מאוד לדייק בפרטים והוא מעוניין לתקן כמה מהפרטים הקטנים שנאמרו עליו.
"קודם כל לא מדובר באורניום אלא בתחמוצת אורניום. שנית לא מדובר בשבועיים אלא ב-10 ימים. שלישית הסכום לא היה 370 מיליון, אלא 730 מיליון, ואחרון, הוא לא הרוויח את הסכום הזה, אלא הפסיד אותו."
בדיוק כמו שאי-אפשר לצבור הון על-ידי הפסד ממוני, כך האבולוציה אינה יכולה לבנות מידע על-ידי איבוד מידע. יתרה מכך, לפני שנוכל להפסיד כסף או מידע, צריך קודם לייצר אותו.
רוברט וויליאם מאוניברסיטת טאנאסי ועמיתיו באוניברסיטת אוטונומה במדריד, דיווחו על דוגמא לאבולוציה מהירה של מוח החתול [Williams et al. 1993]. הם הישוו באופן ישיר את חתול הבית (מין catus) עם אביו הקדמון שמלפני 3,000 שנה. ההשוואה מתאפשרת מכיוון שנמצא מין של חתולים שהוא צאצא לאותו אב קדמון שלא השתנה הרבה מאז, בדמות חתול הבר הספרדי (מין sylvestris).
וויליאם, מומחה לניורו-פיזיולוגיה, השווה בין המוחות, העצבים האופטיים ורשתיות העין של שני מיני החתולים. הוא מצא שלחתול הבית יש רק כשני שליש מתאי המוח של חתול הבר, וכשני שליש מתאי העצבים בעצב האופטי.
לחתול הבית כמחצית מתאי הגנגליון (Ganglion) ובערך 40% מצפיפות קונוס רשתית המירבית של העין. במקרה זה האבולוציה לא הוסיפה על המורכבות הקיימת אלא הפחיתה אותה.
בשלביו המוקדמים, עובר חתול הבית מפתח תאים רבים יותר בעצב האופטי בהשוואה לנמצא בחתול הבוגר. במהלך התפתחות העובר רבים מאוד מהתאים הללו מתים. וויליאם ועמיתיו מצאו שלעובר חתול הבר מספר תאי עצב אופטיים זהה לעובר חתול הבית, אך בחתול הבית רבים יותר מהתאים מתים. במקרה זה ההתרחשות האבולוציונית באה לידי ביטוי על-ידי מיתת התאים בעובר.
נוכחנו לראות כיצד מידע ובעקבותין רמת מורכבות אבדו בשלבי האבולוציה של חתול הבר הספרדי. על-אף שאין כל הוכחה לכך שחתול הבית התפתח מחתול הבר כתוצאה ממוטציות אקראיות, באופן אינטואיטיבי בהחלט סביר להניח שמוטציה תביא לשינוי מהסוג הזה. וויליאם וקבוצתו ציינו שהמכניזם של המוות התאי אשר הניע במקרה זה את התהליך האבולוציוני, אינו יכול לייצג את הצעדים שנדרשו בטווחים הארוכים כדי להגדיל מוחם של היונקים, כפי שעולה מהממצאים הגיאולוגיים.
אבולוציית החתול שראינו, ברור ככל שיהיה, אי-אפשר עדיין ללמוד ממנו כיצד היא התרחשה. האם היא התרחשה כתוצאה משונות אקראית וברירה טבעית, כפי שמתארת הת.נ.ד ? ניתן רק לנחש, אך איננו יכולים לדעת בוודאות.
הבה נעבור כעת ונבדוק התרחשויות ברורות של מוטציות אקראיות, כדי לנסות ולמצוא הוכחות לאבולוציה ניו-דרווניסטית שאולי הביאה לבניית מידע. כדי שהמוטציה תהווה מרכיב בתהליך האבולוציוני, נדרש כי תהיה בה תועלת כלשהו לאורגניזם, הוא חייב גם לעבור תהליך של ברירה. האם במציאות קיימות מוטציות כאלה ?
אכן ידועות מספר מוטציות, שבמקרים מיוחדים מועילות לאורגניזם. כבר ראינו שמוטצית חזרה יכולה לשחזר פונקציה אבודה. מוטציה כזו גם תועיל לאורגניזם. ישנן דוגמאות נוספות של מוטציות "טובות" או "סתגלניות". ישנן מוטציות המאפשרות לבקטריה להתנגד לסטרפטומיצין (Streptomycin). יש מוטציות המעניקות לחרקים את היכולת להתנגד ל- DDT. מומחים לגנטיקה מעשית, הראו שניתן לבצע מוניפולציות על תכונות כמותיות מסויימות, כגון גודל עגבניה, כמות החלב שפרה נותנת, כמות החלבון שגרעיני החיטה מניבים ומספר הביצים שהתרנגולת מטילה. בנסיונות הכלאה שנערכו במשך שנים רבות הגנטיקאים הראו שניתן להשיג גידול משמעותי בתכונות אלו.
האם הדוגמאות שהבאנו כאן יכולות לשמש כאב טיפוס למוטציות החיוביות הקטנות שניתן לשרשר אותם יחד כדי להגיע למאקרו-אבולוציה ?
הבה נבחן כמה מהם, נבדוק כמה מידע נכנס לגנום. נבדוק אם מי מהם יכול לשמש כדוגמא למוטציות הנדרשות על-פי הת.נ.ד.
לפני שנתחיל לדון בנושא מוטציות ומידע, הבה נבחון את הקשר שבין מידע לספציפיות. ככל שהגן ספציפי (מפורט) יותר כך הוא מכיל מידע רב יותר. בכלל ככל שמידע בהודעה יהיה מפורט יותר, הוא יכיל מידע רב יותר. המידע בגן זהה למידע של החלבון המקודד בתוכו.
כדי להבין את היחס שבין מידע לספציפיות ניקח כדוגמא בניין מגורים אשר המידע שנקבל עליו מייצג את החדרים שבו. הבה נדמיין לעצמנו בניין מגורים של ארבע קומות, המכיל 16 דירות, 4 דירות בכל קומה. כפי שניתן לראות בחלק a של תרשים 5.1, התוכניות בכל הקומות זהות והם מוצגות בחלק b של תרשים 5.1. בכל דירה 4 חדרים, סך הכל 64 חדרים בבניין. נמספר את החדרים מ-0 עד 63 (מטעמי נוחות המיספור מתחיל מ-0 ולא מ-1).
תרשים מספר 5.1 מציג בניין שחדריו מאופיינים על ידי מספרים בינאריים.
החדר מזוהים על-ידי מספרים בינאריים. נדרשים 6 ספרות בינאריות כדי לספור מ-0 עד 63. טבלה 5.1 מראה את שיטת ייצוג החדרים באמצעות מספרים בינאריים. שים לב כי על-פי הספרה הראשונה שבכל מספר חדר ניתן לקבוע אם החדר נמצא בחלק העליון או התחתון של הבניין, מהסיפרה השניה ניתן לקבוע אם החדר נמצא בקומה זוגית או אי-זוגית. ניתן להבין את פונקציות הספרות הנותרות מהטבלה b בתרשים, המציג את מערך החדרים הפנימי בקומה. כמובן שהספרה החמישית והשישית זהים בכל הקומות. לדוגמא, החדר בפינה הצפון מזרחית של הקומה הרביעית, שחלונו מסומן על-ידי האות A, בהתאם למה שהגדרנו מספרו הוא 110000 המתורגם ל-48 בשיטה הדצימלית. חדר מספר 0 דהיינו "000000", נמצא בקומה הראשונה בפינה הצפון מזרחית של הבניין והחלון שלו מסומן על-ידי האות B. חדר מספר 63 דהיינו "111111" נמצא בקומה הרביעית בפינה הדרום מערבית של הבניין והחלון שלו מסומן על-ידי האות C.
טבלה מספר 5.1 מציג בקוד בינארי את החדרים השונים בבניין.
תרשים מספר 5.2 מציג בקוד בינארי את הזיהוי המספרי של החדר או חלקו של הבניין.
המספר המציין את החדר, הוא גם כתובת החדר. הוא "מפורט" מכיוון שהוא מציין את החדר באופן חד-ערכי כאשר כל אחד מששת הביטים בכתובת מוסיף לנו מידע ומפרט עבורנו את מיקום החדר. כעת נציין כתובת פחות מפורטת 10XXXX כאשר X יכול לסמל 1 או 0, מבלי לפרט איזו מהם. ה-X הינו דו-משמעי. לכן המספר 10XXXXמייצג חדר כלשהו בקומה השלישית מבלי לפרט יותר, הוא יכול לייצג כל חדר בקומה השלישית. המספר 10XXXX מכיל רק 2 ביטים של מידע. רק הסמלים 1 או 0 מכילים מידע סמל ה-X אינם מכיל כל מידע. בדומה הכתובתXX1010 מכילה ארבעה ביטים של מידע ומייצגת חדר בפינה הדרום מזרחית של הקומה, מבלי לפרט לאיזה קומה אנחנו מתכוונים. הכתובת 1100XX נושאת ארבע ביטים של מידע ומציינת חדר כלשהו בדירה הצפון מערבית של הקומה הרביעית, מבלי לציין את החדר. שים לב, ככל שהכתובת מפורטת יותר, גם כמות המידע גדולה יותר. בדומה ככל שהגן או החלבון מפורטים יותר, המידע בתוכו רב יותר.
חלבון שביצועיו משתנים בגלל שינוי כלשהו באחת מהחומצות האמיניות שבו, הוא ספציפי מאוד. חלבון המכיל גם חומצות אמיניות אשר שינוי בהם לא ישפיעו על ביצועיו, הוא פחות ספציפי. לעיתים קרובות אנזים הוא מאוד ספציפי. כל שינוי, גם רק באחת מהחומצות האמיניות שלו, מביא לשינוי כלשהו בביצועי האנזים.
**************************** חסרה דוגמא מהשפה העברית *********************************
השינוי הבולט ביותר בפעילות האנזים הוא בתפקידו כקטליזטור, אך יתכנו גם שינויים אחרים. לדוגמא, יתכן שינוי ביכולת התחברות האנזים למצעו, או במנגנון הבקרה שלו. מוטציה המתרחשת כמעט בכל מקום שמבוקר על-ידי אתר אלוסטרי (Allosteric Site) תשפיע על היבטים מסויימים בפעילותו. מחקר אנזימים בוויטרו (Vitro) אינו יכול להציג את ההשלכות של כל השינויים בחומצות האמיניות. רק באמצעות מחקרים זהירים/יסודיים בוויוו (Vivo), כאשר האנזים מסוגל להפגין את מלוא היכולת שלו, קיים סיכוי שנצליח לגלות את כל ההשפעות הכרוכות בשינוי של אחת מהחומצות האמיניות.
מתברר שכל מוטציות הנקודה שנחקרו ברמה המולקולרית אינן מוסיפות מידע, אלא רק מפחיתות אותו. הבה נבדוק את הידוע לנו בנוגע להתנגדות חיידקים לאנטיביוטיקה ולהתנגדות חרקים לחומרי הדברה.
לחלק מהחיידקים יש התנגדות התחלתית למספר אנטיביוטיקות. התנגדות הנובעת מאנזים ההופך את הסם ללא פעיל. התנגדות מסוג זה אינה נוצרת כתוצאה ממוטציות. לדעת ג'י דייוויס ועמיתיו באוניברסיטת ווסקונסין יתכן שמטרת האנזים אינה כדי להתנגד לסם. הם אינם מתיימרים לדעת את מטרתו העיקרית של האנזים אך נראה להם שהוא מופנה לצורך התקפה על מולקולות קטנות הקשורים לפונקציה אחרת בתא, שאינה ידועה לנו [Davies et al. 1971]. לדעתם ההתנגדות לסם הוא רק תוצאה של מזל. מאידך האנטיביוטיקות המסחריות הם תוצרים טבעיים של בקטריה ופטריות [Aharonowitz and Cohen]. ניתן היה לצפות שלחלק מהבקטריות יהיה אנזים המתנגד להם.
בקטריה ללא התנגדות יכולה להזדהם ולפתח לעצמה התנגדות על-ידי ווירוס הנושא את גן ההתנגדות. יתכן שהווירוס אסף את הגן מבקטריה אחרת הניחנת בהתנגדות התחלתית. כמו-כן ניתן להקנות לבקטריה התנגדות מכוונת על-ידי החדרה מלאכותית של אנזים ההתנגדות לתוך הגן המקודד את האנזים ב- DNA. המדענים היום יכולים להעביר מקטעים של DNA מאורגניזם אחד לשני. הקניית התנגדות בדרך זו אינה יכולה להוות דוגמא להוספת מידע על-ידי אבולוציה. אכן כתוצאה מהוספת אמצעי ההתנגדות, מתווסף מידע לגנום של הבקטריה, אך למערכת עולם החי בכללותו לא התווסף מידע, כיוון שגן ההתנגדות קיים כבר בבקטריה או בווירוס אחר.
אך קיימות גם בקטריות היכולות בתהליך של מוטציה לפתח התנגדות לסם שקודם לכן היו רגישות כלפיו. האם פונקציה חדשה זו, מדגימה אבולוציה ניו-דרווניסטית ?
המדענים חקרו כיצד סטרפטומיצין ותרופות מיוצין אחרות מונעות את גדילת הבקטריה, וכיצד מוטציה נקודתית מאפשרת לבקטריה להתנגד לתרופה [Davies et al.1971, Davies and Nomura 1972]. הם מצאו שמולקולה של התרופה מתחברת לאתר תואם על הריבוזום של הבקטריום ומפריע לו ביצירת חלבונים, כמודגם בתרשים 5.3. כשמולקולת התרופה מוצמדת, הריבוזום אינו יכול לחבר יחד את החומצות האמיניות הנכונות ליצירת החלבונים הנכונים. במקום זה הוא מייצר חלבונים לא נכונים שאינם יכולים לעבוד. כעת הבקטריום אינו יכול לגדול, להתחלק ולהתרבות.
תרשים מספר 5.3 מראה כיצד מורקולת הסטרפטומצין מתחבר לאתר בריבוזום ומונע יצירת חלבון.
האתר שאליו מתחברות תרופות המכילות מיוצ'ין אינו קיים אצל יונקים. לכן הם אינם יכולים להיפגע. מכיוון שהמיוצ'ין עוצר גידולים בקטריאליים מבלי לפגוע בגוף המארח אותם הם יעילים כתרופות אנטיביוטיות.
מוטציה נקודתית הופכת את הבקטריום לעמידה בפני סטרפטומיצ'ין על-ידי איבוד מידע. אם תתרחש מוטציה אשר תשנה את אתר הריבוזום שאליו מתחבר הסטרפטומיצ'ין, לא תהיה לתרופה לאן להתחבר. איור 5.4 מדגים באופן סכמטי כיצד שינוי באתר התואם בריבוזום, גורם לחוסר התאמה בינו לבין מולקולת סטרפטומיצ'ין וכך נמנע ממנו האפשרות להתחבר. מכיוון שכך, הוא אינו יכול להפריע ביצירת החלבונים וכך הבקטריום הופך לחסין.
איור מספר 5.4 מראה כיצד מוטציה בנקודת החיבור בריבוזום יכולה למנוע ממולקולת הסטרפטומיצין מלהתחבר. וכך נוצר בתא חסינות לסטרפטומיצין.
מאיור 5.4 ניתן לראות שהשינוי יכול להופיע במספר מקומות שונים ועדיין להעניק בכל אחד מהן חסינות לבקטריום. מספיק שינוי באחד המקומות כדי לייצור חוסר התאמה וכדי למנוע מהמיוצ'ין מלהתחבר לריבוזום של הבקטריום. דהיינו מספיק שינוי באחד מתוך מספר נוקליוטידים בגן המתאים ב- DNA , כדי להקנות לבקטריום חסינות. אכן נמצאו מוטציות בנקודות שונות המייצרות חסינות לסטרפטומיצ'ין [Gardner & Orias 1966]. רואים אם-כן שהמוטציה מקטינה את הספיציפיות של חלבון הריבוזום, המשמעות לכך היא שהמוטציה גורמת לאיבוד מידע גנטי. איבוד המידע מוביל לאיבוד הרגישות לתרופה, מכאן נוצרת ההתנגדות. כיוון שאיבוד המידע נמצא בגן, השפעת המוטציה הינה תורשתית, ויכולה לצמוח עיבור? שלם של בקטריה מתוך המוטציה.
למרות שלמוטציה זו יכול להיות ערך סלקטיבי חיובי, היא אינה מוסיפה על המידע הגנטי אלא מקטינה אותה. על כן היא אינה יכול לשמש כדוגמא לצעדים הקטנים הנדרשים ליצירת מאקרו-אבולוציה. לכך נדרשת הוספת מידע כדי לקבל פירוט – ספציפיות, רבה יותר. במקום לומר שהבקטריום רכש חסינות לאנטיביוטיקה, צריך לומר שהוא איבד את הרגישות לאנטיביוטיקה. הוא איבד מידע.
הת.נ.ד אמורה לספק הסבר כיצד הביאה האבולוציה לצבירת כל המידע הנדרש ליצירת החיים בגנום. ההבדל הביולוגי המהותי בין הבקטריום לאדם, הוא במידע שהם מכילים. כל ההבדלים האחרים נובעים מכך. כמות המידע בגנום האנושי גדול בהרבה מזה שבגנום הבקטריאלי. אי-אפשר לבנות מידע על-ידי מוטציות שמאבדות מידע. עסק אינו יכול להיות רווחי אם כל פעם הוא מפסיד מעט.
המדענים גילו כיצד מוטציה יכולה להפוך חרק לעמיד בפני קוטלי-חרקים. מולקולה של קוטל-החרקים מסוג DDT מתחבר לאתר תואם בתאי העצב של החרק. באופן זה הוא פוגע בתיפקוד העצב. כשכמות מספקת של תאי עצב בחרקים מתחברים למולקולות ה-DDT, מערכת העצבים של החרק קורסת והיא מתה [Beeman 1984].
כיצד החרק הופך לעמיד ? הוא עושה זאת על-ידי איבוד הרגישות לחומר ה-DDT. איבוד הרגישות הוא תוצאה של מוטציה המשנה את האתר בתא העצב של החרק אליו מתחברת מולקולת ה-DDT, בכך נמנעת מה-DDT האפשרות להתחבר [Tanaka et al. 1984]. כל מוטציה המקלקלת את תאימות מקום החיבור של DDT לתא העצב של החרק, תהפוך אותו לעמיד. כמו שראינו בבקטריה , יכולת העמידות נובעת מהקטנת הספציפיות – פירוט, של החלבון בתא העצב.
לעיתים קרובות שינוי של חומצת אמניו בחלבון, משפיע על תיפקוד החלבון. בדרך כלל האורגניזם מותאם היטב לסביבתו/לנישה שלו. החלבונים שלו מתואמים לתפקידם, לכן שינוי באחד החלבונים בהחלט עלול לפגוע באורגניזם בדרך כלשהיא. בייחוד כשהאורגניזם הופך לעמיד בפני תרופה בגלל שינוי באחד החלבונים, תפקודו עלול להיפגע בדרך אחרת. ברור שכל זמן שהתרופה נמצאת בסביבה, האורגניזם חייב להיות חסין כדי לשרוד, גם אם המחיר לכך יתבטא בירידה בתפקודו באופן אחר. אך כשמוסרת התרופה, סוג הבקטריה שאינו עמיד שוב נושא ביתרון.
מוטציה בבקטריה ההופכת אותו לעמידה מפני סטרפטומיצ'ין, מקטינה את הספציפיות -פירוט בחלבון מסוים בריבוזום, כשהריבוזום מאבד מהספציפיות שלו, תפקודו נפגע תי.קיי גרטנר ואיי. אוריאס מאוניברסיטת קליפורניה שבסנטה ברברה דיווחו לפני זמן מה שהמוטציות שההופכות את הבקטריה לעמידה לסטרפטומיצ'ין פוגעות בתפקוד הריבוזומים [Gartner and Orias 1966] וגורמות להאטה בתרגום של חלק מהקודונים של ה-RNA (RNA Codons).
גם בקרב חרקים שנמצאו עמידים בפני קוטלי-חרקים, נצפה ירידה בתפקוד. אם. ווי. רולנד מהתחנה הניסויית של רות'מסטד בהרטפורדשור שבאנגליה, ציין שבקרב יתושים העמידים לדיאלדרין (Dieldrin), ניצפתה פחות פעילות ותגובות איטיות יותר לגירויים, בהשוואה ליתושים אחרים [Rowland 1987]. העמידות מפני קוטלי-החרקים נרכשה במחיר מערכת עצבים איטית יותר. ההפחתה בספציפיות – פירוט המידע ברמה המולקולרית, באה לידי ביטוי גם בירידה בתפקוד החרק.
מומחי הגנטיקה מבחינים בין תכונות הנקראות איכותיות לתכונות הנקראות כמותיות. להבדיל משינויים בתכונה איכותית, הבאים לידי ביטוי כשינוי חד בפנוטייפ, שינויים כמותיים לעיתים קרובות יופיעו כשינוי הדרגתי ומתמשך. לדוגמא, שינוי חד בצמח תירס רגיל הנהפך תוך שלב אחד לצמח ננסי, הוא שינוי איכותי. מאידך, שינוי קטן בגובה הצמח הוא שינוי כמותי. במשך דורות רבים, האדם מנסה להשפיע ולשנות תכונות כמותיות של אורגניזם חיים, על-ידי השבחה ובחירה סלקטיבית של צמחים ובעלי חיים, על-מנת להגדיל רווחים כלכליים. הוא משביח חיטה כדי להגדיל את איכות וכמות היבול, הוא משביח ירקות כדי לקבל ירקות גדולים יותר, והוא משביח פרות כדי להגדיל את יבול החלב, או את כמות הבשר.
תכונות כמותיות אלו, נבנות אט אט, על-ידי תהליכי השבחה מתמשכים במהלך הדורות. לפעמים יחול שינוי באחת התכונות כתוצאה משינוי סביבתי, ללא שינוי גנטי, שינוי מסוג זה אינו תורשתי. במקרים אחרים השינוי הינו גנטי אמיתי, ולכן הוא גם תורשתי. מגדלים מנסים לנצל את השינויים התורשתיים המופיעים בצמחים ובבעלי החיים כדי לבנות את התכונות הרצויות להם.
בניסויי השבחה רבים, בחירת התכונה הרצויה מתבצעת על-ידי בחירה מתוך השונות הקיימת בקרב האוכלוסיה ללא צורך במוטציה. לפעמים השינוי יכול להיווצר כתוצאה משחלוף גנים כמתואר בפרק 2. אך בסופו של דבר, על-פי הת.נ.ד, המקור המהותי לשינויים בקרב בעלי החיים חייב להגיע ממוטציות שהתרחשו בעבר.
בניסויים רבים אם לא בכולם, הבחירה מתוך תכונות כמותיות, מוטציות באתרים שונים על גן אחד או יותר תורמים במצטבר להגדלה או הקטנה של פרמטר כלשהו [Herskowitz 1962]. מוטציות יכולות להיבנות אחת על גבי השנייה. כתוצאה מכך הירקות יכולים לצמוח לגדולים יותר ממוטציה אחת למשנהו. יתרה מכך האפשרויות השונות נראות בלתי מוגבלות. בחלק מתהליכי ההשבחה אשר נמשכו עשרות בשנים, הנטיה לכיוון התכונה הרצויה עדיין המשיכה.
האם המוטציות הללו יכולות לשמש כדוגמאות למאקרו-אבולוציה בתיאורית דרווין ? כדי לענות על שאלות אלו, נדרש לבדוק כיצד המוטציות הללו פועלות על האורגניזם, מה ידוע על המוטציות הללו וכיצד הם משפיעות על הפנוטייפ ?
כפי שצויין בפרק 2, חלבונים רגולטוריים שולטים על ייצור החלבון בתא. הם מפעילים בקרה חיובית או שלילית. כשכולם פועלים בהרמוניה, יש להם שליטה ובקרה מלאה על התא. בתנאים רגילים רמת ייצור החלבון מותאמת לרווחת האורגניזם. גורמי בקרה חיוביים תורמים להעלאת רמת ייצור החלבונים, וגורמים שליליים תורמים להורדת רמת הייצור. המתח שביניהם גורם לבקרה להיות רגישה לשינויים, ומאפשר לה להגיב במהירות ובמדוייק לשינויים. בגנים השולטים בייצור החלבון בחיטה, התגלו מוטציות המגבירות את תפוקת האוכל-חלבון בחיטה. הן מגבירות את ייצור החלבון על-ידי פגיעה בגורם הבקרה השלילי [Konzak 1977]. ניתן להניח שהשינויים הכמותיים האחרים כגון, גודל הירקות ותפוקת החלב בפרה מושפעים גם הם באופן דומה על-ידי מוטציות.
מוטציות הבאות בשרשרת אחת אחרי השניה יכולות להגביר באופן מדורג את שיעור ייצור החלבון בתא, אך תהליך ההגברה בא על חשבון פגיעה באיזון הבקרה של התא על ייצור החלבון. שינוי בכל אחת מהנוקליוטידים הרבים בגן הרגולטורי (בקרה) יכול לפגוע ברמת התיפקוד של החלבון המדכא המקודד על-ידי הגן. כל פגיעה נוספת בגן המדכא תגדיל את ייצור החלבון. השינויים גורמים לאיבוד של מידע גנטי, תוך כדי הקטנת הספציפיות (פירוט) של החלבון הרגולטורי.
מוטציות רבות בגן הרגולטורי יכולים לפגוע בו ולהחליש את הקשר בין המדכא והמפעיל, על הגן המבוקר. מוטציה נוספת תוסיף ותחליש את הקשר. בדרך זו, מוטציות הבאות אחת אחרי השניה, הופכות את המדכא לפחות ופחות יעיל. בדרך זו התא יגביר עוד ועוד את ייצור החלבון.
אם קיימים מספר גנים המקודדים חלבון מאכל בתאים של גרעין החיטה, אזי יתכנו אתרים רבים בהן מוטציות יכולות להגביר את ייצור החלבון. זה זמן רב שהגנטיקאים יודעים שלעיתים קרובות תכונות כמותיות נשלטות על-ידי יותר מגן אחד [Herskowitz 1962]. כך ככלל הדברים נראים. קיימים צרופים אפשריים רבים למוטציות בין הגנים השונים, היכולים להוביל לרמות שונות בייצור החלבון. הגבול המוחלט בכמות ייצור החלבון יגיע כאשר כל הפונקציות המדכאות תנוטרלנה ישותקו, במידה והצמח יכול לשרוד בתנאים אלו.
לדגמא אורך הפרק ביתד הצמח של השעורה מושפע על ידי מוטציות בלפחות 26 אתרים שונים [Persson and Hagberg]. בחלקם יש יותר מ-30 אללים, אם נניח שלכל אחד מ-26 האתרים יש בממוצע רק 15 אללים, אזי מספר הקומבינציות האפשריות עומד על 3.8 כפול 10 בחזקת 30, או 15 בחזקת 26. כשמספר האפשרויות עצום כל-כך לא פלא שהסלקציה יכולה להימשך על-ידי בחירת קומבינציות חדשות למשך זמן רב. כמובן שהרבה מהצרופים עשויים להוביל לאורך דומה של פרק היתד, אך סביר להניח שיהיו גם תוצאות רבות בעלי אורך שונה. יתכן שלאורך הניסוי יתקבל הרושם שאין לכך מגבלות. אך ברור שקיים אורך מקסימלי ליתד, אליו נגיע כאשר כל הבקרה תהיה בכיוון אחד.
קיימות סוגי מגבלות שונות אשר יחדיו קובעות את גודל האורגניזם. בדרך כלל גודל הצמחים ובעלי החיים מושפעמהורמונים הממריצים גדילה והורמונים אחרים המדכאים אותה. כמות ההורמונים נקבעת על-ידי בקרי המערכת. ניתן מיד לראות כיצד מוטציות הפוגעות בתפקוד התא יכולות לייצר צמח או בעל חיים גדול יותר. האורגניזם ייהפך לגדול יותר אם מוטציה תפגע בתפקוד ההורמון האחראי לדיכוי גדילה. גם פגיעה במולקולה המדכאת את ייצור ההורמונים הממריצים גדילה תוביל לאורגניזם גדול יותר. מוטציות הבאות בסדרתיות אחת אחרי השניה יכולות לפגוע באופן מדורג בחלבון המדכא, תוך כדי כך ייווצר אורגניזם יותר ויותר גדול. תוצאה הפוכה, דהיינו פגיעה בגדילה והיווצרות של אורגניזם קטן יותר, יתרחש בעקבות מוטציה אשר תפגע בגורם האחראי לגן של ההורמון המזרז גדילה.
קיימת נטייה להיווצרות תופעות לוואי שליליות, בגלל מוטציות בגנים רגולטורים. בדרך כלל הן פוגעות באיזונים הרגילים של אורגניזם. לדוגמא, בבני אדם, עודף פעילות בגן הגדילה של בלוטת התריס יכול לגרום ל"ענקיות" ולסכרת [Landau 1967]. בתבואה, התברר שהכלאה לצורך השגת תכולת חלבון גבוהה, מפחיתה את כמות העמילן בגרעינים ויוצרת פחות זרעים בכל השתלה [Brock 1980]. קיימת ירידה בפריון של פרות חולבות, העוברות השבחה להגדלת תפוקת החלב [Hermas et al. 1987]. אך למרות זאת הרפתנים והחקלאים מוכנים לשלם את המחיר כדי להגדיל את תפוקת החלב או את גודל הצמחים. כפי שכתב אדוורד או. ווילסון:
בחירה מלאכותית הינה תמיד ברירה בין יצירה גנטית של תכונות הרצויות על-ידי בני אדם, לבין חולשה גנטית לא מכוונת אך בלתי נמנעת בפני האויבים הטבעיים [Wilson 1992].
תופעות הלוואי השליליות הינם תוצאה של איבוד מידע בגן – גן רגולטורי השתנה והפך לפחות ספציפי.
אף לא אחת מהמוטציות שציינו לעיל, יכולה לשמש כאב-טיפוס למוטציות הנדרשות בת.נ.ד. אמנם קיימות נסיבות בהם מוטציות נקודתיות מועילות לאורגניזם, אך כל המוטציות הנקודתיות הידועות לנו מאבדות מידע. בדרך זו תיתכנה התפתחויות מיקרו-אבולוציוניות. אך מוטציה המאבדת מידע, גם אם היא מועילה, אינה יכולה לשמש כדוגמא אופיינית לשרשרת המוטציות הנדרשת להשגת ברירה מצטברת. אב-טיפוס למוטציות המשמשות כאבני בניה בתיאוריה הניו-דרווניסטית, חייב להיות בזה שמוסיף כמות קטנה של מידע.
בוצעו מספר ניסויים אשר תוצאותיהם לכאורה מנוגדות לחוקי תיאורית המידע, נראה מהם כי הבלתי אפשרי מתרחש. בפרק 3 ראינו, שבממוצע צעד אחד אינו יכול להוסיף לגנום הרבה יותר מביט אחת של מידע. אך בוצעו ניסויים מהם נראה שבצעד בודד מתווסף מידע רב.
יש גנטיקאיים המצביעים על תוצאות יוצאות דופן בניסויים שבוצעו בחיידקי אדמה, לדעתם ניסויים אלו הם דוגמא מצויינת לתהליכים הבסיסיים של האבולוציה. על פי תוצאות הניסויים חיידקים שגדלו בתרבית למדו לגדול ולהתרבות על מצעים שמקודם לא יכלו לעשות בהם שימוש [Mortlock 1982]. החיידקים הוכנסו לתנאי ברירה במצב של מצוקה. החוקרים מנעו מהם את מזונם הרגיל, ריביטול (Ribitol) או די-אראביטול (D-arabitol), וניסו לגרום להם לגדול על מצע שאינו טבעי. הם בדקו מספר סוכרים שאינם טבעיים, ולבסוף הצליחו בכך כאשר השתמשו בסוכר קסייליטול (Xylitol). קסייליטול הנו סוכר הדומה מאוד לריביטול ולדי-אראביטול, אך הוא אינו מופיע בטבע. החיידקים יצרו מוטנטים שהצליחו לחיות על מצע הקסייליטול, מתוכם גידלו תרביות. דווח על כמה ניסויים כאלו [Lerner et al. 1974, Wu et al.1968, Rigby et al.1974, Burleigh et al. 1974, Inderlied and Mortlock 1977, Thompson and Krawiec 1983 ].
יתרה מכך, הניסויים הראו שלא רק מוטציה אחת, אלא סידרה שלימה של מוטציות יכולות להתרחש. בהתחלה יופיע אנזים חדש שיאפשר מטבוליזם של קסייליטול. בהמשך הבקטריה שעברה מוטציה תמשיך ותייעל את עצמה. בידוד ויצירת תרבית של בקטריות אדמה, הובילו לסידרה של שלושה מוטציות. הניסוי החל עם הבקטריה מהטבע שאינה מסוגלת לגדול על מצע המכיל רק קסייליטול. מהר מאוד נוצר בתרבית מוטנט המסוגל לגדול על מצע המורכב מקסייליטול בלבד. החוקרים יצרו תרבית מהמוטנט שתוייגה בשם X1. נמצא שהמוטנט X1 גדל על מצע של קסייליטול בקצב של אחד חלקי תשע בלבד, בהשוואה לקצב גידולו על מצע של ריביטול. על-ידי יצירת תרבית נוספת מהמוטנט X1 על מצע של קסייליטול נוצר מוטנט חדש שתוייג בשם X2. התברר שהמוטנט X2 גדל על מצע של קסייליטול פי 2.5 מהר יותר מקצב גידולו של מוטנט X1 על מצע דומה. החוקרים חזרו שוב על התהליך, הפעם עם המוטנט X2, בעיקבות הניסויי נוצר מוטנט חדש שתוייג בשם X3. התברר שהמוטנט החדש X3 מתפתח במהירות כמעט כפולה מהמוטנט X2. כל שלושת המוטנטים נחקרו, התברר ששלושתם הינם תוצאה של מוטציה בנוקליוטיד בודד.
ניסויים אלו הראו שכאשר מונעים מבקטריה את מרכיבי התזונה הרגילים היא מוצאת דרכים חילופיות למלא את צרכיה, הם משיגות זאת באמצעות מוטציות נקודתיות. המוטציה הראשונה אפשרה לבקטריה מטבולציה של מרכיבי תזונה אחרים. שני המוטציה הנוספות אפשרו לבקטריה לשפר ולבנות על יכולת זו.
ניסויים אלו נראים כניו-דרוויניזם בהתגשמותו. מתוך הניסויים נראה לכאורה כי הבקטריה מתפתחת במסגרת סידרה של שלשה צעדים קטנים. האם שלושת הצעדים הקטנים הללו יכולים להוות חלק משרשרת הברירה המצטברת ? האם שלושת הצעדים הקטנים הללו שהופיעו תוך מספר חודשים בתנאים מלאכותיים יכולים לשמש כמודל לסדרה הרבה יותר ארוכה של שלבים במסגרת הברירה הטבעית, היכולים להתמשך מיליוני שנים ולהוביל למאקרו-אבולוציה ? האם שלושת הצעדים הללו מדגימים את תהליכי האבולוציה שהבקטריות הפרימיטיביות עברו על-מנת לפתח אנזימים ?
אם נבדוק את הניסויים הללו לעומק נגלה שלא התווסף בהם מידע חדש בגנום. להיפך, מתברר שלמעשה כל אחד משלוש המוטציות איבדה מידע. הן הופכות את הגן לפחות ספציפי (מפורט). לכן אף אחת מהן אינה יכולה להוות דוגמא לצעדים הנדרשים ליצירת מאקרו-אבולוציה.
באופן טבעי הבקטריה ניזונה מריביטול. התא סופג/לוקח פנימה את הריביטול מבחוץ. ומפרק אותו בסידרה של צעדים, בכל צעד נעשה שימוש באנזים מיוחד. הראשון מבין האנזימים הללו הוא ריביטול דיהיידרוגנאייס ( ribitol dehydroenase- RDH).
ריביטול הינו הפרשה/תוצר של סוכר, הנמצא באדמה, לעומת זאת, קסייליטול אינו קיים בטבע, אך המבנה שלו דומה לזה של ריביטול. ריביטול וקסייליטול בנויים מאותם אטומים, כמעט באותה מבנה. ההבדל ביניהם מזערי, אך אנזים ה- RDH בתא מתאים ספציפית לריביטול. התרשים מספר 5.5 מציג את מבנה הרביטול, הקסייליטול והפרשת/תוצר סוכר נוסף שאינו טבעי, L-arabitol (עליו נשוחח בהמשך). התרשים אינו מציג את מבנה האטומים בתלת מימד. אך ניתן לקבל ממנו מושג עד כמה הסוכרים הללו דומים אחד לשני. כיוון שריביטול וקסייליטול דומים כל כך, אנזים ה- RDH הפועל על ריביטול, פועל במידה קטנה גם על קסייליטול. הוא מפרק את הקסייליטול ליצירת תוצר זהה לזה המתקבל מפירוק הריביטול. דהיינו כל הצעדים הבאים לאחר הצעד הראשון יפעלו בדיוק באותו אופן. אך מכיוון ש-RDH מתאים באופן ספציפי לריביטול, הוא פועל רק בצורה חלשה על קסייליטול.
תרשים מספר 5.5 מציג דיאגרמה סכמתית של המבנים של שלושת הסוכרים.
חלק מהסיבות לכך שהתא הרגיל אינו יכול להשתמש בקסייליטול קשור למערכת הבקרה הגנטית של התא. תוכלו לראות את אופן הפעולה הרגיל של מערכת הבקרה בתרשים 5.6. אנזים ה-RDH מיוצר כאשר הגן Y דלוק. בדרך כלל הגן Y כבוי, אך בנוכחות ריביטול הוא ידלק. יתרה מכך מולקולות, כולל ריביטול, אינן יכולות לחדור בקלות לתא דרך מעטפת התא החיצונית. הן יכולות להיכנס לתא רק אם התא מתיר להם כניסה. כאשר התא מעוניין בכניסה של מולקולה מסויימת. הוא משתמש במנגנון תובלה מיוחד הידוע כאנזים פרמייז (permease) הממוקם במעטפת התא ומכניס פנימה את המולקולה. יש שלש בעיות המונעות מהתא הטבעי מלהשתמש בקסייליטול והם:
- התא אינו מתחיל לייצר את האנזים RDH עד שהריביטול אינו גורם לגן ה-RDH להעתיק את צופן הייצור שלו מה-DNA ל- mRNA. הקסייליטול אינו יכול לגרום לכך. לכן כשאין ריביטול אין RDH.
- אמנם ה-RDH פועל על הקסייליטול, אך רמת פעילות זו נמוכה בהרבה מרמת הפעילות שלו על ריביטול.
- כמו מולקולות אחרות, ריביטול וקסייליטול אינם יכולים לחדור לתא בעצמם. הם אינם מצליחים לפעפע היטב דרך מעטפת התא. הריביטול בדרך כלל מועבר לתא פנימה באמצעות מנגנון תובלה מיוחד המתאים באופן ספציפי לריביטול. מערכת זו מורכבת בעיקר מהאנזים פרמייז (permease). אך עד שהרביטול אינו מפעיל את מנגנון ההעתקה, אין מנגנון שיעביר את הקסייליטול לתוך התא.
מוטנט X1 התגבר על הבעיות הללו במידה מסויימת על-ידי מוטציה נקודתית, אותה ניתן לראות בפוזיציה 1 שבתרשים 5.6. המוטציה ממוקמת בגן הבקרה של תהליך ייצור ה-RDH. גן רגולטורי זה מקודד חלבון שתפקידו הוא לדכא את ייצור ה-RDH. המוטציה לא שינתה את מולקולת האנזים עצמה, אלא הרסה את החלבון המדכא. כתוצאה מכך התבטל הגורם המרסן את ייצור ה-.RDH הגן יכול עכשיו להעתיק את צופן הייצור ל-RNA ללא צורך בגורם מפעיל. במצב זה ייצור ה-RDH נכנס לתפוקה מקסימלית, הכמות הרבה שנוצרה גורמת לכך שלמרות הפעילות המועטת של ה-RDH על קסייליטול התא עדיין מסוגל לתפקד.
תרשים מספר 5.6 מציג חלק מהבקרות של הגן, המקודדים את אנזים ה- RDH
ועבור הגן המקודד את הפרמייז המסיע את הריביטול לתוך התא. נקודות 1 ו-2
מציגים את המקומות עליהם פועלים שני המוטציות.
התא מצליח לתפקד מהסיבות הבאות:
- כיוון שהמוטציה חסמה את הגן המדכא את תהליך העתקה, התא יכול לייצר RDH ללא צורך בגורם מפעיל.
- מגבלת הכמות, הגן מייצר את אנזים ה-RDH בקצב המקסימלי האפשרי. הכמות הגדולה של RDH שנוצר עזרה לפצות על הפעילות המועטת של RDH על קסייליטול.
- למרות שמערכת התובלה אינה מכניסה את הקסייליטול לתוך התא, כמות קטנה מצליחה בכל זאת להיכנס באמצעות פעפוע.
למוטנט X1 אין פתרון מושלם לשלושת הבעיות. הוא לא תרם דבר לפתרון הבעיה השלישית. לכן קצב גידולו על מצע של קסייליטול נמוך בהרבה מקצב גידולו על מצע של ריביטול. למרות זאת, X1 יכול לגדול על קסייליטול באופן עצמאי, זאת בהשוואה לבקטריה הטבעית שאינה יכולה. אך תועלת זו הינה תוצאה של איבוד מידע.
מוטנט X2 נוצר על-ידי מוטציה נקודתית ב-X1 . המוטציה השניה מוצבת בפוזיציה 2 שבתרשים 5.6. המוטציה שינתה את האנזים והגבירה את רמת הפעילות שלו על קסייליטול. בגלל רמת הפעילות הגבוהה יותר, קצב הגידול של X2 על קסייליטול הוא בערך פי-2.5 מזו של .X1
ניתן היה לחשוב שהגברת רמת הפעילות הושגה על-ידי מוטציה שהגדילה את הספציפיות בגן והוסיפה מידע. אולם מתברר שהמוטציה שיצרה את מוטנט X2 הינה רק דוגמא נוספת למוטציה שאיבדה מידע והפכה את הגן לפחות ספציפי. בריאן הרטלי עם הקבוצה שלו מהאוניברסיטה האימפריילי של לונדון חקרו את האנזים [1974 Burleigh et al]. הם השוו את רמת פעילות האנזים על מוטנט X2, עם זו הפועלת על הבקטריה הטבעית. הם מדדו את פעילות האנזים על ריביטול, קסייליטול ואל-אראביטול (ראה לעיל, מצע אחר שאינו טבעי). הם מצאו שבהשוואה לאנזים הטבעי האנזים של מוטנט X2 הוא:
- פחות פעיל על ריביטול.
- פעיל יותר על קסייליטול.
- פעיל יותר על אל-אראביטול.
תרשים 5.7 משווה בין קצב הריאקציה של שני האנזימים על כל אחד משלושת המצעים. התרשים נבנה מהנתונים המספריים בנייר העבודה של קבוצת Burleigh (ראה לעיל). האנזים של מוטנט X1 מיוצג על-ידי תרשים A, האנזים של מוטנט X2 מיוצג על-ידי תרשים B. הציר האופקי מייצג את קצב הריאקציה או קצב ההאצה. שימו לב שהמוטציה שהפכה את X1 ל-X2 הרחיבה את טווח המצעים שעליהם יכולה להיווצר ריאקציה. באנזים הטבעי (A) ציר הריאקציה גבוה וצר יותר מהאנזים של המוטנט X2 (B). ככל שהאנזים ספציפי ומפורט יותר, התרשים שנקבל יהיה גבוה יותר וצר יותר, ולהיפך ככל שהאנזים פחות ספציפי ופחות מפורט התרשים שנקבל יהיה נמוך ורחב יותר. תרשים 5.7 מראה לנו שקצב הריאקציה של B פחות ספציפי מזו של A. האנזים החדש יכול אולי לפעול על טווח רחב יותר של מצעים, אך על-מנת להשיג תכונה זו האנזים הפך לפחות ספציפי ופחות מפורט מהאנזים הטבעי. אם כן ברור שבתהליך המוטציה הגנום במוטנט X2 רק איבד מידע.
תרשים מספר 5.7 משווה את הפעילות בין הריביטול הטבעי לריביטול שעבר מוטציה
בשלושה מצעים שונים. המדד הינו לפי יחידותמיליגרם.
רוג'ר בון ועמיתיו באוניברסיטת קליפורניה תיארו מקרה ברור, בו שינוי בחומצה אמינית באנזים טבעי הפך אותו לפחות ספציפי [Bone et al. 1989]. הם שינו חומצה אמינית אחת באנזים הנקרא אלפאליטיק פרוטייז (Alphalytic Protease), כתוצאה מכך התברר שהאנזים מסוגל לפעול על טווח רחב יותר של מצעים. תפקיד האנזים הוא לחתוך את שרשרת הפפטייד (Peptide Chain) במקום ספציפי ברצף ייחודי של ארבעה חומצות אמיניות. בכל מקום שמופיע הרצף הייחודי בשרשרת פפטייד, האנזים חותך את השרשרת בנקודה ייחודית בתוך הרצף. בון וקבוצתו הכניסו באנזים שני שינויים, כל אחד משני השינויים הפך את האנזים לפחות ספציפי. בעקבות השינויים האנזים חתך את שרשרת הפפטייד גם במקומות נוספים.
האנזים שעבר את השינוי היה פחות ספציפי והיה בו פחות מידע מהאנזים המקורי, בנוסף, גם יעילותו נפגעה. כפי שציינו החוקרים [Bone et al. 1989]:
אחד מתכונות היסוד של האנזים הוא לספק ספציפיות, על-ידי הגבלת טווח המצעים בהם הקטליזטור יפעל.
היה ניתן לחשוב שפעילות האנזים על מצעים מסויימים גדלה מכיוון שהאנזים נהיה ספציפי ומפורט יותר ביחס למצע. אך ניתן לראות שאין לכך הכרח. אם אנזים הופך לספציפי יותר למצע U, הוא גם אמור להגביר את פעילותו כלפי U, ולהקטין את פעילותו כלפי המצעים האחרים V או W. כך גם בכיוון ההפוך; אם האנזים הופך לפחות פעיל על מצע U, הוא אמור במקביל להגביר את פעילותו על מצעים אחרים, דוגמת V או W, כפי שהדגמנו בתרשים 5.7.
הספציפיות של האנזים למצע שעליו הוא גדל, חשוב לא פחות מרמת פעילותו. אנזים שכל סוגי המולקולות יכולים לשמש לו כמצע, יכול להזיק. כדי שהאנזים יביא תועלת לתא הוא חייב להגביל את טווח פעילותו למצע המתאים.
הספציפיות של האנזים קשור לסוג הריאקציה בה הוא משמש כקטליזטור, ובאותו מידה הספציפיות גם קשורה לסוג המצע שעליו הוא יכול לפעול. ניתן להתייחס לאתר הפעיל של האנזים כמורכב משני חלקים. חלק אחד מכיר ומתחבר למצע והחלק האחר מזרז עליו את הריאקציה [Darnell et al. 1986, p.65]. ברור שהמוטציה X2 פגעה במקום שבו האנזים מתחבר למצע. היא החלישה את הקשר בין האנזים לריביטול. המוטציה גם פגעה ביכולת האנזים להבחין בין מצעים שונים כגון קסייליטול ואל-אראביטול. היא הגבירה את פעילות האנזים על קסייליטול, אך תוצאה זו לא הושגה על-ידי הוספת מידע. ההיפך הוא הנכון הגברת הפעילות של האנזים על קסייליטול היא תוצאה של פחות ספציפיות ואיבוד מידע.
ס. א. לרנר ועמיתיו בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת הרוורד, מצאו שאנזים המוטנט X2 יציב פחות מהאנזים הטבעי [Lerner et al. 1964]. בדרך כלל, כשאנזים מאבד מידע, תיפקודו נפגע. מוטנט X2 נוצר כתוצאה ממוטציה נקודתית, ומהווה דוגמא לשינוי גנטי קטן ולמיקרו-אבולוציה, אך הוא אינו יכול לשמש כדוגמא לצעד טיפוסי במאקרו-אבולוציה, כי הוא אינו מוסיף מידע.
תרשים 5.8- דיאגרמה של חלק מהבקרות של הגן המקודדים את אנזים הפרמייז עבור די-אראבוטל. נקודה מספר 3 מציג את הנקודה עליה פועלת מוטציה מספר 3.
מוטנט X3 נוצר על-ידי מוטציה נקודתית ב-X2 כמתואר בנקודה 3 באיור 5.8. המוטציה משתקת את הגן הרגולטורי (בקרה) האחראי להעתקה אנזים המוביל פנימה לתוך התא את התזונה הנדרשת עבורה. במקרה זה חומר התזוה הוא די-אראביטול. מתברר שמערכת התובלה יכולה להעביר פנימה גם קסייליטול . אך במצב הרגיל אנזים ההובלה אינו מיוצר אלא אם כן הגן "יידלק" כתוצאה מנוכחות של די-אראביטול. כשדי-אראביטול אינו נוכח, חלבון מדכא משאיר את הגן במצב "מכובה". לכן על-אף שאנזים ההובלה של די-אראביטול יכול לפעול גם על קסייליטול, הוא בדרך כלל אינו קיים ללא נוכחות די-אראביטול. המוטציה שיצרה את מוטנט X3 שיתקה את הגן המקודד בתוכו את החלבון המדכא, לכן נמנע דיכוי גן הבקרה של אנזים ההובלה, לכן במוטנט X3 אנזים ההובלה מיוצר בקצב המקסימלי ובכמויות גדולות ללא מגבלות ואין צורך בדי-אראביטול כדי להפעיל את תהליך הייצור. הקסייליטול קיבל נסיעה חופשית פנימה לתוך התא על אנזים ההובלה שבמקור יועד לדי-אראביטול.
מוטנט X3 מאפשר כניסה לקסייליטול בכמויות הרבה יותר גדולות ממוטנטים X1 ו-X2. לכן מוטנט X3 ניזון מקסייליטול בצורה טובה יותר מ- X2. כמו מוטנטים X1 ו-X2 שבאו לפניו, גם המוטציה שיצרה את X3 הקטינה את הספציפיות ואיבדה מידע. תוצאות דומות הושגו עם בקטריה וחומרי תזונה אחרים.
אמנם קיימים דוגמאות למוטציות המאפשרות לבקטריה לחיות על תזונה חדשה, וגם נראה שהם מוסיפים מידע רב. יש ניסויים המצביעים על כניסתו של אנזים חדש לגמרי. קבוצה אחת של מדענים החלה לעבוד עם בקטריה שחסר לה האנזים ביטה-גאלקטוסיידייס (Beta-Galactosidase ( הנדרש לפירוק של לקטוזה (Lactose) [Campbell et al. 1973, Hart and Hall 1974,Hall 1978, Hall 1982]. הם גידלו תרבית של הבקטריה על מצע של לקטוזה. כל עוד הבקטריה לא תלמד להשתמש בלקטוזה היא לא תוכל להתפתח ולהתרבות. אולם בתרבית הופיע מוטנט עם יכולת לעבור מטבוליזם על-ידי לקטוזה. בקטריית המוטנט התרבתה, לעומת הבקטריות האחרות שלא התרבו. מהצאצאים שנוצרו מהתרבית, יצרו תרבית חדשה, הבקטריה שבתרבית זו הצליחה לגדול על מצע של לקטוזה על-אף שהאנזים ביטה-גאלקטוסיידייס (Beta-Galactosidase ( היה חסר. דווח על עוד כמה מקרים דומים של אבולוציה אשר נסקרו במאמרים של הול [1982] ושל מורטלק [1982].
ניסויים שנערכו לאחרונה הראו שבקטריה יכולה לעבור מוטציה ליצירת פונקציות חדשות לפי צורך. כשאין צורך בפונקציות, המוטציות אינן מתרחשות [Hall 1982, Cairns et al. 1988, Hall 1988]. המוטציות המעורבות בתהליכים הללו לא היו מוטציות נקודתיות. התוצאות נראות כסותרות את הת.נ.ד וגרמו לסערה ולתגובות ופרשנויות בספרות. התוצאות של הול וקירנס מציבות אתגר בפני הת.נ.ד. בעקבות תופעות אלו מתבקשת תיאוריה חדשה. אנו נטפל בכך בפרק 7.
בפרק זה ציינו שאין הוכחות לכך שמידע גנטי יכול להיבנות באמצעות שרשרת ארוכה של צעדי מיקרו-אבולוציה קטנים. המוטציות הנדרשות לצעדים אלו מעולם לא נצפו. הרוב המוחלט מזיקות. ראינו שקיימות מוטציות נקודתיות אשר בתנאים המתאימים יכולות להעניק יתרון לאורגניזם. ישנן מוטציות נקודתיות המקנות לבקטריה עמידות בפני אנטיביוטיקה. יש המקנות לחרקים עמידות בפני קוטלי חרקים. יש מוטציות המגדילות תכונות כמותיות בצמחים ובבעלי חיים. אך כל המוטציות הללו מקטינות את המידע בגן על-ידי הפיכת חלבון מסוים לפחות ספציפי (מפורט). הן אינן מוסיפות מידע ואינן מוסיפות יכולת מולקולרית חדשה. אכן כל המוטציות שנחקרו הורסות מידע. אף אחת מהן אינה יכולה לשמש כדוגמא למוטציות היכולות להוביל לשינויים הגדולים של מאקרו-אבולוציה.
הניו-דרווניסטים רוצים שנאמין ששינויים אבולוציוניים גדולים יכולים לבוא כתוצאה משרשרת ארוכה של אירועים קטנים. אך אם כל האירועים הללו רק מאבדים מידע, הם אינם יכולים לשמש כצעדים לתהליך האבולוציוני שהת.נ.ד מתיימרת לספק הסבר. לא משנה מה תהיינה מספר המוטציות. לומר שניתן לבנות מאקרו-אבולוציה על-ידי מוטציות שמאבדות מידע, הוא כמו לומר שסוחר שמפסיד סכום קטן בכל מכירה, יכול לפצות את עצמו על ההפסדים, על-ידי ריבוי פעולות מכירה.
על-אף כל המחקרים שנערכו בשדה הגנטיקה, אין כל הוכחות להנחה מספר אחת שבפרק 4, הנדרשת כתנאי מוקדם בת.נ.ד. הניו-דרווניסטים מניחים ששרשרת ארוכה של שינויים אקראיים יכולים להוביל לשינוי אבולוציוני גדול. הנחה זו הינה אבן יסוד בתיאוריה. היעדר כל הוכחה לכך, משמעותה דחיית הת.נ.ד בשלמותה.
מעולם לא נצפתה מוטציה המוסיפה מעט מידע לגנום. מכאן ברור שכל המיליונים על מיליונים של מוטציות פוטנציאליות הנדרשות בת.נ.ד כלל אינן קיימות, יתכן שאין אפילו אחת. חוסר היכולת למצוא אפילו מוטציה אחת המוסיפה מידע, הוא הרבה יותר מכישלון במציאת תימוכין לתיאוריה. הוא מהווה הוכחה כנגד התיאוריה. יש כאן קריאת תיגר רצינית לתיאוריה הניו-דרווניסטית.