Algebra evolutiei

Dupa emisiunea Ceasuri moleculare, Sonata mi-a reprosat lipsa de claritate si Adrian Voiculescu a remarcat ca exista inca intrebari la care nu s-a raspuns. Voi incerca mai intai sa fiu mai clar. Apoi vom merge mai departe impreuna, intrebantu-ne si cautand raspunsuri.

Exista doua feluri de modele stiintifice: logico-conceptuale si matematice. De exemplu, arborele filogenetic formulat de Darwin este un model logico-conceptual. Arborele filogenetic molecular este un model matematic.

Acest model are la baza patru axiome:

1.Majoritatea mutatiilor sunt neutre din punct de vedere adaptativ insa duc la cresterea diversitatii (genetic drift, founder effect, bottleneck effect).
2.Cea mai comuna mutatie este substitutia unei nucleotide cu alta (substitutie moleculara).
3.Rata substitutiilor este constanta in istoria vietii (ceasuri moleculare).
4.Evolutia merge pe drumul cu numarul minim de substitutii (principiul parsimoniei).

Metoda consta in a alinia genomuri in secvente paralele si a construi matrici de distanta intre aceste secvente. Distanta intre doua secvente este data de numarul de substitutii in secventa originara. Pe baza matricilor de distanta si a ceasurilor moleculare se calculeaza toti arborii filogenetici posibili si este ales cel cu parsimonie maxima.

Sa alegem un exemplu simplu, pe care il vom rezolva manual. Avem mai jos trei secvente paralele de opt nucleotide, la gorila, om, si cimpanzeu.

Go
ACGTCGTA
Om
ACGTTCCT
Cimp
ACGTTTCG

Deja la prima vedere observam ca primele patru litere sunt comune la toate trei speciile, iar primele cinci la om si cimpanzeu. Plecam de la ipoteza ca secventele comune sunt mostenite de la stramosul comun. Pasul urmator este construirea matricii de distante.

Go-Om 4, Go-Cimp 4, Om-Cimp 2.

Avem deci patru substituii intre gorila si om, patru intre gorila si cimpamzeu, si doua intre om si cimpanzeu. Sarcina noastra este acum sa stabilim arborele filogenetic. Pentru aceasta, vom calcula euristic toti arborii filogenetici posibili si il vom alege pe cel cu parsimonie maxima.

Un arbore posibil ar fi acela ca Gorila, Cimpanzeul si Omul sunt trei crengi din acelasi nod, adica au evoluat in paralel dintr-un singur stramos comun. In aceasta ipoteza, fiecare secventa ar fi avut 4 mutatii, urmate de alte doua, una la om si alta la cimpanzeu. Asta implica 14 mutatii in total, adica numarul maxim posibil. Este parsimonia minima. O alta problema o constituie distanta de doua molecule intre om si cimpanzeu. Asta inseamna ca ceasul molecular ar fi mers cu o substitutie in plus la fiecare din cele doua fata de ceasul gorilei.

Sa consideram acum un alt scenariu. Gorila s-a despartit mai intai de linia stramosului comun al omului si al cimpanzeului prin doua substitutii. Stramosul comun om/cimp a suferit o substituie inainte de bifurcare, si apoi fiecare din cele doua specii a avut cate o substituie. Asta inseamna un numar de 5 mutatii si un ritm egal al ceasurilor moleculare pe parcursul procesului. Este drumul cu parsimonie maxima.

Vom determina deci arborele filogenetic cu doua noduri, primul la despartirea liniei gorilei de linia comuna, al doilea la bifurcarea omului si cimpanzeului. Lungimea crengilor in timp este direct proportionala cu numarul respectiv de substitutii moleculare.

Acum, o secventa de opt litere nu ar putea fi baza unei ipoteze. Este vorba insa de trei miliarde. Asta face ca probabilitatea sa depaseasca nivelul indoielii rezonabile. Pe de alta parte, analiza unei matrici atat de complexe nu se poate face manual, insa operatia este in principiu aceiasi.

Exista intrebari? Numele lor este legiune. Avem toate raspunsurile? Stiinta nu are niciodata toate raspunsurile. Adevarul este ca avem mai multe modele ale evolutiei moleculare la fel de valide. Acesta nu este insa un argument pentru scepticism intelectual. Intr-o zi vom avea raspunsuri la intrebarile prezente, dar raspunsurile vor da nastere la alte intrebari. Cunoasterea este o aventura, si aventurile nu sunt pentru cei care nu tolereaza incertitudini.

Vom explora in continuare certitudinile si incertitudinile evolutiei. Deocamdata am incercat doar sa fac mai clare cateva idei din prezentarea video.

Este Steve Jobs tatal fiicei lui?

Atunci cand un test ADN a rezultat in probabiltatea de 94,1% ca Steven Jobs sa fie tatal biologic al Lisei Brennan, acesta a obiectat ca 28% din populatia de barbati a Statelor Unite aveau acelasi procent de probabilitate sa fie parintii fetitei.

Unde este greseala in argumentul lui Jobs? Sa ne imaginam ca Lisa a fost abandonata intr-o parcare. Pe baza secventelor de nucleotide pe care le au in comun, Jobs este identificat ca parintele probabil. Dar Jobs fiind Jobs, analizeaza distributia acelorasi secvente in toata populatia de barbati din US. Rezultatul este ca 28% dintre ei le au in comun. US avea o populatie de 222. 6 milioane cand s-a nascut Lisa, dintre care probabil cam 80 milioane barbati adulti. Probabilitatea ca Jobs sa fie unul dintre ei ar fi fost de 0.0000000125.

Numai ca Lisa nu a fost gasita in parcare. Lisa s-a nascut intr-o comuna hippi in Portland, Oregon, unde un cuplu de hippi, Steve Jobs si Chrisann Brennan, care incidental este si mama Lisei, traiau impreuna de cativa ani. Jobs ignora aceste aspecte ca simple contingente si se concentreaza asupra a ceea ce el considera caracterul defectos al analizei bio-moleculare. Dar tocmai aceste contingente valideaza cele 94,1 % procente, chiar daca exista alte 80 milioane variabile in distributia stochastica a probabilitatii.

Exemplul lui Jobs ne ajuta sa intelegem o eroare fundamentala in argumentul complexitatii ireductibile. Miscarea ID gaseste argumentele biologiei moleculare insuficient de convingatoare si arata la ceea ce ei gasesc a fi probabilitatea infinitezimala a dezvoltarii unui sistem complex prin mutatii repetate. Insa bioinformatica evolutionara nu este baza definirii evenimentelor majore in istoria vietii sau a cladelor in arborele filogenetic. Acestea au fost deja stabilite din raportul fosilelor si anatomia comparata. Datele moleculare aseaza doar probabilitatea acestor evenimente si relatii filogenetice dincolo de indoiala rezonabila.

Sonata pare sa cada in aceiasi capcana atunci cand defineste viata ca pe un sistem informational inchis. Informatia joaca aici rolul Ideii la Platon sau a Esentei la Aristotel. O astfel de filozofie va ignora descoperirea unei fosile intermediare, sau a unei serii de substitutii comune in doua genomuri bifurcate din acelasi nod filogenetic, ca simple contingente. Insa evolutia nu este altceva decat o serie de contingente care sfideaza orice predictie. De aproape patru miliarde de ani fluviul vietii curge in aceiasi directie fara alta lege decat cea a apei care isi gaseste todeauna o cale. De aproape doua secole navigam acest fluviu spre izvoarele lui eluzive, cartografiem albia si indexam epavele de pe maluri. Biologia moleculara este doar prima imersiune de scafandru spre fundul apei.

O alta tema majora in articolul sau este caracterul reductionist al biologiei moleculare. O sa ma intorc la cazul paternitatii lui Jobs, cu riscul de a va plictisi. Relatia lui cu Lisa este sarea si piperul in filmul care-i poarta numele, mergand de la melodrama la psihanaliza, pentru toate gusturile. Care este rolul biologiei moleculare? Raspunsul este simplu: a oferit proba finala a paternitatii lui Job, fara care nu aveam drama. Insa drama ca atare este subiectul filmului nu al analizei moleculare. O abordare determinist-genetica a vietii lui Jobs ar fi intr-adevar reductionista. Insa chiar daca cineva ar sustine ca Apple a fost pre-programat in ADN-ul lui Jobs, nu ar face biologie moleculara ci filozofie.

Atunci care este problema? Problema este ca pana la procesul din Dover acuzatia cea mai populara impotriva Teoriei Evolutiei a fost aceea ca TE nu este stiinta ci filosofie. Reprezentantii ideii Intelligent Design au adus aceasta teza in fata justitiei, sustinand in acelasi timp ca ID este motivat exclusiv de interes pentru stiinta (pauza pentru ras). Verdictul a fost exact invers. Evolutiei i s-a confirmat locul in clasa de biologie, in timp ce ID a fost limitat la clasa de filozofie.

ID si-a schimbat retorica dupa procesul din Dover. Problema cu TE nu mai este filozofia ci absenta ei. Acum ID vrea sa intre in clasa de biologie, nu ca stiinta, ci ca philosophia regina scientiarum ( si probabil ancilla theologiae), ca sa ne protejeze de reductionismul si materialismul stiintei fara metafizica. Un scop plin de bune intentii pe care l-au avut si inchizitorii lui Galileo.