„Az élővilágban a véletlen az egyetlen forrása minden újításnak, minden teremtésnek…
a modern biológiának ez a központi fogalma immár nem a lehetséges hipotézisek egyike… ez az egyetlen, amely összeegyeztethető az ismert

és megvizsgált tényekkel…”
Jacques Monod: A véletlen és a szükségszerűség

Talán felismeri a kedves olvasó, hogy e kissé provokatív cím egy elhíresült, állítólag Albert Einsteintől származó mondásra utal, amely egy évtizedekkel ezelőtti szinházi siker, Gyurkovics Tibor drámájának alapjául is szolgált („Isten nem szerencsejátékos”). A gazdag angol nyelvű Einstein-irodalomban a mondatot úgy idézik, hogy: God doesn’t play dice (Isten nem kockázik). Mint ismeretes, Einstein soha nem tudta elfogadni a kvantummechanikának azt a következtetését, hogy a mikrovilágban nem feltétlenül érvényes az oksági elv, és bizonyos területen a véletlen az úr. Noha korunk fizikája nem támasztja alá Einstein véleményét, és még senkinek sem sikerült a kvantummechanika által posztulált indeterminizmust megcáfolni, az továbbra is vitatott kérdés, hogy a makrovilágban hol és milyen mértékben van szerepe a véletlennek, illetve az indeterminizmusnak. A biológiában azonban minden bizonnyal létezik a jelenségeknek egy olyan köre (és ez a kör az utóbbi évtizedekben bővülni látszik), ahol a véletlen az úr.

Ebben a cikkben arra teszek kísérletet, hogy a biológiának e területeiről (vagy legalábbis egy részükről) adjak vázlatos áttekintést, elsősorban néhány újabb kísérleti eredmény tükrében.

Bevezetésképpen tisztázandó, hogy amit a mindennapi életben véletlennek nevezünk, azt a legtöbb esetben filozófiai vagy tudományelméleti szempontból nem nevezhetjük annak, mert többnyire az esemény maga szigorúan meghatározott (determinált) csak éppen nem ismerjük a determináló okokat. Szokás ezt ismeretelméleti (episztemológiai) értelemben véletlennek nevezni, szemben a valódi (ontológiai) értelemben vett véletlennel. Ilyen episztemológiai véletlen a kockavetés, a kártyalapeloszlás, a lottó nyerőszámok véletlenje, vagy az, hogy az utcán összefutunk egy régen látott ismerőssel. Az episztemológiai véletlenek léte semmiben sem mond ellent a teljes filozófiai determinizmusnak. E determinizmusnak egyik legkövetkezetesebb híve és megfogalmazója Pierre-Simon Laplace volt, aki a 19. század elején azt állította, hogy: „A világegyetem jelen állapotában múltjának következménye, és jövőjének oka. Egy olyan elme, aki egy adott pillanatban valamennyi természeti erőt és minden természeti objektum helyzetét ismerné, és ha ez az elme elég hatalmas volna, hogy mindezeket az adatokat elemezni is tudná, a világegyetem legnagyobb testeitől a legkisebb atomokig, akkor ennek az elmének semmi sem volna bizonytalan, a jövő ugyanúgy mint a múlt, a szeme előtt volna a jelenben.”

Ennek az elképzelhetetlenül hatalmas elmének a neve azóta Laplace-démon. Ezt a világnézetet, amely semmi szerepet nem tulajdonít az ontológiai véletlennek, nevezték ifjúkorunk marxista–leninista szemináriumain mechanikus materializmusnak, és ma már egyértelműen kimondható, hogy hamis.
Az ontológiai értelemben vett, azaz valódi véletlennek jelenlegi ismereteink szerint három szinten vagy három módon van szerepe világunkban. Ezek:

• a kvantummechanikai indeterminizmus,

• a sztochasztikus folyamatok,

• a determinisztikus káosz.

A három szint közül az első, a kvantummechanikai indeterminizmus az, amelynek létét Einstein soha nem tudta elfogadni.

Az, hogy ennek a jelenségnek van-e valami szerepe a biológiában, az élővilágban, ma még vitatott, a kérdésnek jelentős irodalma van, de itt – éppen vitatott volta miatt – nem kívánok foglalkozni vele.

A véletlen harmadik formája, amelyet determinisztikus káosznak neveznek, voltaképpen az episztemológiai és az ontológiai véletlen közötti átmeneti formának tekinthető. Ezzel kapcsolatban szokás olykor „erős kauzalitásról” beszélni, ez azt jelenti, hogy egy adott oknak, annak minden előfordulása esetén ugyanaz az okozata. „Gyenge kauzalitás” ezzel szemben azt jelenti, hogy egy adott ok és okozata között ugyan egyértelmű összefüggés van, ám ez nem megismételhető, azaz ugyanaz az ok máskor más okozatot is előidézhet. Ez a gyenge kauzalitás áll fenn a determinisztikus káosz esetében. Igen komplex rendszerek esetében ugyanis a kiindulási feltételeknek végtelenül kis megváltozása is rendkívül nagy, előre nem számítható eltéréseket okozhat a következményekben. Ezt fejezi ki a „pillangóeffektus” metaforája. A „pillangóeffektus” azt jelenti, hogy elképzelhető, hogy egy brazíliai pillangó szárnycsapása hurrikánt fog előidézni Texasban, de ha ugyanez a pillangó néhány pillanattal később végzi el ugyanezt a szárnycsapást, akkor már a Csendes-óceánon okoz tájfunt. A következőkben ezzel a jelenséggel sem fogok foglalkozni.

Cikkem tárgyát kizárólag a sztochasztikus folyamatok képezik. A sztochasztikus véletlen szerepének tárgyalását kezdhetjük egy sematikusan leegyszerűsítő, de lényegében igaz megállapítással. Szemben a fizika és a kémia törvényeivel, amelyek az emberi dimenzióban (tehát az elemi részecskék világától eltekintve) szigorúan determinisztikusak, az élő természetben, a biológiában a jelenségek igen jelentős csoportjában a véletlen uralkodik. Természetesen, amennyiben ez a tétel igaz, annak nem az az oka, hogy az élővilágban nem érvényesek a fizikai, kémiai törvényszerűségek és az sem (noha a huszadik század több nagy tudósa, például Niels Bohr vagy Max Delbrück ezt feltételezték), hogy léteznek csak az élővilágra érvényes speciális természettörvények. Az ok sokkal egyszerűbb. Pusztán arról van szó, hogy az élettelen természetben (ismét: eltekintve az elemi részecskék mikrovilágától) gyakorlatilag szinte minden jelenség atomok, molekulák óriási halmaza tulajdonságainak, viselkedésének, mozgásának eredője. Ezzel szemben az élő természetben számos nagy horderejű, döntő megváltozás oka lehet egyetlen, illetve igen kisszámú molekula megváltozása, viselkedése, ahol már nem érvényesül a nagy számok törvénye, és így a véletlen az úr. Az élő természet, a biológia világát csak felületesen ismerők számára ez a tény egyáltalán nem tekinthető magától értetődő evidenciának, ezért a következőkben megkísérlem konkrét példákkal illusztrálni, hol és hogyan hat a véletlen.

Noha a következőkben elsősorban újabb, az elmúlt néhány évben született kísérleti eredményekre támaszkodva fogom a véletlen szerepét hangsúlyozni, az a felismerés, hogy a biológiában a véletlen jelentős szerepet játszik, egyáltalán nem új. A Nobel-díjas francia molekuláris biológus, Jacques Monod 1971-ben megjelent nagy hatású könyvének címe az volt, hogy A véletlen és a szükségszerűség (Le Hasard et la Nécessité), és mottójául egy Démokritosz-idézetet választott, amely így szólt: „A világegyetem minden létezője a véletlen és a szükségszerűség gyümölcse”.

(Monod nagyságát és az idézet tartalmi igazságát nem kisebbíti az a tény, hogy utólagos szorgos filológiai kutatás nem volt képes megtalálni ezt a mondatot Démokritosznál. Monod feltehetően rosszul emlékezett arra, hogy hol olvasta azt).

Az evolúció modern elméletének megalapozói, Ronald Fisher és Sewall Wright is a véletlen és szükségszerűség összjátékaként tekintettek az evolúcióra, noha eltérő súlypontokkal, Wright inkább a véletlent, Fisher inkább a szükségszerűt hangsúlyozta, de természetesen ő sem tagadta a véletlen szerepét. Ezen a ponton meg kell jegyezni, hogy ez a véletlen sokszor csak episztemológiai értelemben tekinthető annak. Hiszen, ha például egy természeti katasztrófa kettévág egy állatpopulációt, és ennek következtében a különböző környezetbe kerülő két csoport eltérő fejlődésnek indul, ez nem tekinthető ontológiai értelemben véletlennek. Ugyancsak nem ontológiai véletlen az a híres példa, amit Lucifer fejt ki az Ember tragédiája 15. színében („…S ki lastromozza majd a számokat”) az egérről és a féregről.

Az ontológiai, azaz valódi véletlen legfontosabb érvényesülési területe az a tény, hogy az öröklési anyag, a DNS lényegében egyedi molekulának tekinthető. Olyan molekulának, amely ki van téve megjósolhatatlan, véletlenszerű megváltozásoknak, amelyeknek viszont abszolút determinált lényeges következményei lehetnek az adott élőlényre nézve.
A sztochasztikus folyamatok egyik példájául szolgálhat az élettelen természetben a víz disszociációja. Az, hogy egy adott vízmolekula egy adott pillanatban disszociálva van-e vagy sem, tökéletesen véletlenszerű. Ám mivel gyakorlatilag minden létező folyamatban vízmolekulák óriási tömege vesz rész, szigorúan érvényes törvényszerűség, hogy átlagosan minden tízmilliomodik vízmolekula disszociál elektromosan töltött hidrogén és hidroxilionokra, míg a többiek semleges molekuláris formában léteznek. Hasonló kémiai egyensúly áll fenn a DNS-t alkotó egyes alapegységek (a DNS-ábécé „betűi”) a purin- és pirimidinbázisokat tartalmazó nukleotidok két lehetséges szerkezete között. E molekulák túlnyomó többsége úgynevezett oxo formában létezik, és ebben a formában képes a DNS-molekulára jellemző kettősláncú szerkezetet stabilan fenntartani. Mintegy százmilliomod részük azonban „enol” formában létezhet, és így nem képes stabil párt képezni a molekulában. Mivel pedig a magasabbrendű élőlények DNS-ében több milliárd nukleotid van, biztosra vehető, hogy ezek közül bármelyik időpillanatban jó néhányan léteznek ilyen enol formában. Ha pedig ez éppen a DNS-lánc megkettőződése idején fordul elő, akkor ott hibás új lánc keletkezhet. Ilyen hiba a megkettőződés során persze máskor is előfordulhat, hiszen a másolást végző enzim tevékenysége során (mint minden kémiai-biokémiai reakció során) óhatatlanul előfordulhatnak hibák – teljesen véletlenszerűen, azaz előre nem meghatározható, nem determinált pontokon. E hibák gyakorisága ugyan igen kicsi (optimális esetben millió nukleotidonként egy), de az egész DNS-re vonatkoztatva ez is több ezer hibát jelent, és az élőlény tulajdonságainak megszabásában és átörökítésében egyáltalán nem mindegy, hogy e hibák a DNS-lánc mely pontján alakulnak ki. Megjegyzendő, hogy e hibák nagyobb részét különböző korrekciós mechanizmusok kijavítják, ezért a ténylegesen megmaradó változások, azaz a mutációk száma jóval kisebb, de azért ez a szám is jelentős. A mutációs ráta pontos értéke ugyan vitatott kérdés, de több-kevesebb pontossággal azt mondhatjuk, hogy az embernél generációnként és nukleotidonként kb. 10-8 . Más szavakkal: minden emberi újszülött mintegy 40–70 de novo (azaz egyik szülő genomjában sem előforduló) megváltozást, új mutációt hordoz.

A néhány éve elhunyt kiváló evolúcióbiológus (és nagyhatású tudománynépszerűsítő, akinek több könyve magyarul is megjelent), Stephen Jay Gould több művében a véletlen döntő szerepe mellett foglalt állást. Felvetett egy érdekes gondolatkísérletet is. Ha az evolúciót mint egy magnetofon- vagy videoszalagot vissza lehetne tekerni és újra lejátszani, akkor – szerinte – az újrajátszás biztosan nem ismételné meg az eredetit, egészen más eredményre vezetne, mivel számos lépés valójában véletlen, esetleges események eredője, és így teljesen megjósolhatatlan, még változatlan külső feltételek esetén is.

Természetesen ilyen kísérletet nem tudunk megvalósítani, az evolúció szalagja nem tekerhető vissza. A modern kísérleti biológia azonban lehetővé teszi, hogy laboratóriumi körülmények között modellezze ezt az evolúciós gondolatkísérletet. Azaz: nem visszatekeri a már lezajlott evolúció szalagját, hanem azonos kiindulópontból és szigorúan azonos környezeti feltételek mellett indít el több párhuzamos evolúciós folyamatot, majd megkérdezi, hogy ezek eredménye azonos lesz-e, mint a szigorú determinizmus hívei vélik, vagy különböző, mint a véletlen szerepének hangsúlyozói (például Gould) gondolják. Ilyen kísérletet végzett Richard Lenski és munkacsoportja a Michigani Állami Egyetemen (Blount et al., 2008).

Lenskiék 1988-ban kezdték el nagyszabású evolúciós kísérletüket a molekuláris biológusok kedvenc kísérleti objektumával, az Escherichia coli nevű emberi bélbaktériummal.

A – rendkívül szellemes – kísérlet részletes ismertetése túlmenne e cikk keretein, így csak a kiindulópontot és az eredményt ismertetném. Lenskiék egyetlen (genetikailag homogénnek tekinthető) baktériumtelepből hoztak létre tizenkét különböző tenyészetet, amelyeket tökéletesen azonos körülmények között növesztettek folyamatosan, úgy, hogy naponta 1:100 arányban hígították (friss táptalajba helyezték) valamennyi tenyészetet. Ez azt jelentette, hogy húsz év alatt 44 000 generációváltás történt, ami már az evolúció hosszú távú időskáláján is tekintélyes szám (az emberi evolúció léptékére átszámítva ez a 44 000 generáció körülbelül egymillió évnek felelne meg). Ezenközben minden ötszázadik generációnál lefagyasztottak egy-egy mintát a tenyészetekből, hogy a kísérleti evolúció egyes állomásairól az elemzésre rendelkezésre álljanak a megfelelő „őskövületek”. A kísérletben a táptalaj összetétele érvényesítette a „szelekciós nyomást” azzal, hogy a baktérium növekedése szempontjából igen előnyössé válhatott egy olyan molekula felhasználása, amelyet az eredetileg nem tudott használni. A nagy kísérlet számos érdekes tanulsággal szolgált az evolúció kutatói számára, ezek közül egyetlen részeredményt szeretnék kiemelni.

A tizenkét párhuzamosan tenyésztett – és azonos kiindulópontú – kultúra közül egyben, mintegy 31 500 nemzedék után, megjelent egy új, adaptív tulajdonság, az új molekula felhasználásának képessége. Természetesen már az is érdekes, hogy ez az új tulajdonság mindössze egyetlen kultúrában jelent meg, noha minden külső körülmény teljesen azonos volt valamennyi tenyészetre nézve. Még érdekesebbé válik azonban, ha egy kicsit utánaszámolunk a dolognak. Az Escherichia coli genomja (teljes DNS-készlete) 4,7 × 106 nukleotid, és ennek bármely tetszőleges pontjára vonatkoztatva a mutációs ráta 10-10/generáció nagyságrendű. Abból a tényből, hogy az új

tulajdonság csak 31 500 generáció után és csak egyetlen kultúrában jelent meg, ismerve a kultúrák egyedszámát, meg lehet becsülni a kérdéses megváltozás előfordulási valószínűségének maximális értékét. Ez 10-13 nagyságrendűnek adódott, vagyis legalább ezerszer kisebbnek, mint a bármely nukleotidra eső átlagos mutációs ráta. Ez a diszkrepancia elvileg kétféleképpen magyarázható. Az egyik lehetőség, hogy az új molekula felhasználásának képessége nem egy egyszerű „átlagos” pontmutáció eredménye, hanem valamilyen rendkívül ritka genetikai eseménynek köszönhető (például egy kromoszómarész megfordulásának, „inverziójának”). A másik lehetőség: hogy az új tulajdonság megjelenése nem egyetlen mutációnak köszönhető, azt meg kellett előznie több másik mutációnak, amelyek önmagukban egyáltalán nem vezettek az új molekula hasznosításához, esetleg közvetlen közük sem volt ehhez a folyamathoz, csak valamilyen módon előkészítették annak megjelenését.

Nos, hála a kísérletek gondos tervezésének, vagyis annak, hogy az evolúciós folyamat egyes szakaszairól megőrizték a „fossziliákat”, azaz a lefagyasztott mintákat, lehetővé vált a két lehetséges magyarázat közötti választás, az egyik feltevés helyességének egyértelmű igazolása.

Ha ugyanis bármelyik kiinduló kultúrából, illetve a 15 000. generáció elérése előtti bármelyik időszakos mintából indítottak új tenyészetet (a visszatekert evolúciós szalag újrajátszása!), nem jelent meg az új tulajdonság, még akkor sem, ha a továbbtenyésztés során létrejött új egyedek száma jelentősen meghaladta a 1013-at Ezzel szemben az egyetlen tenyészetből, amelyben 31 500 generáció után észlelték az új tulajdonságot, a 20 000. generáció után vett részminták nagy részében (ott sem mindegyikben!), a továbbtenyésztés során már 1010 egyedszámnál észlelték ennek megjelenését. Ezek a kísérletek tehát megválaszolták a kérdést: az új tulajdonság megjelenése nem egyetlen, igen ritka mutációnak tulajdonítható, hanem egy többlépcsős (becslésük szerint valószínűleg háromlépéses) eseménysor eredménye.

Mi tehát a tanulság? Az igen nagy szelekciós nyomás ellenére sem törvényszerűen bizonyos (bár lehetséges) az adaptív új tulajdonság megjelenése, hiszen az a tizenkét azonos kultúra közül csak egyben jelent meg. Minden bizonnyal két véletlenszerű eseménynek (a szerzők szóhasználata szerint „kontingenciáról”, azaz esetlegességről van szó) kellett előfordulnia az egyik tenyészet „evolúciója” során, amelyek lehetővé tették az új, adaptív mutáció megjelenését csak ebben az egy kultúrában.

A másik példám a mutációk okozta véletlen szerepéről, korunk egyik legjelentősebb rákkutatójának, Bert Vogelsteinnek nemrégen megjelent közleményében olvasható (Tomasetti – Vogelstein, 2015). Azt már régen tudjuk, hogy a rák kialakulása minden esetben mutáció(k)nak, többnyire a testi sejtekben keletkező, úgynevezett szomatikus mutáció(k)nak tulajdonítható. Noha ezek keletkezése szintén véletlenszerű, eddig általában úgy vélték, hogy többnyire visszavezethetők valamilyen külső tényezőre (sugárzás, kémiai ágensek, a táplálék egyes összetevői stb). Az említett cikk ezzel szemben azt állítja, hogy a rákoknak csak mintegy harmadáért felelősek az öröklött mutációk, és a külső behatások következményeként megjelenő mutációk együttesen. Kétharmadukért a normális sejtosztódás során elkerülhetetlenül bekövetkező, tisztán véletlenszerű mutációk a felelősek. Nem tartozik tárgyunkhoz, de érdemes megemlíteni, hogy Vogelsteinéket sokan támadták a cikk megjelenése után, nem szakmai, hanem etikai indokkal. A kritikusok úgy vélték, hogy a rákellenes küzdelem céljait veszélyezteti, ha a külső hatások (amelyek elkerülhetők) helyett az elkerülhetetlen, véletlenszerű végzetet hangsúlyozzák. A szerzők azzal védekeztek, hogy a külső hatások szerepének hangsúlyozása bűntudatot kelt a betegekben, hiszen helyesebb életmóddal elkerülhették volna a rákot, ezzel szemben az ő magyarázatuk a véletlenszerűségről megnyugtatóbb.

Egy másik igen érdekes – és tág – területe a véletlen érvényesülésének az úgynevezett „ugráló gének”, vagy tudományos nevükön „transzpozonok” birodalma. A nagy Nobel-díjas biológus, Barbara McClintock fedezte fel – eredetileg a kukoricában – egyes genetikai elemek helyváltoztató képessségét, de ő sem gondolta soha, hogy ezek az elemek milyen nagy helyet foglalnak el minden élőlény genetikai állományában. A helyváltoztatásnak alapvetően kétféle módja létezik, ezeket minden computerhasználó elvben ismeri: cut and paste vagy copy and paste. Az első azt jelenti, hogy az illető elem kivágódik (pontosabban: az elem által kódolt és termelt enzim kivágja a helyéről), majd valahova máshova beépül a genomba. A második mechanizmus úgy működik, hogy az illető szakaszról egy DNS-másolat készül, és ez a másolat épül be valamely más helyen, illetve – ez a gyakoribb – először RNS-másolat készül, majd az erről készült DNS-másolat épül be egy másik helyre. Mindegyik folyamat kulcslépései, azaz a kivágódási vagy másolási folyamat elindulása, illetve a beépülés helye: véletlenszerűek. Azaz, valamivel pontosabban fogalmazva: jelentős korlátok érvényesülnek abban, hogy milyen típusú sejtekben, milyen életszakaszban, milyen elemek képesek „ugrálni”, és a beépülésnek is vannak preferált, illetve diszpreferált helyei, de az ezek között a korlátok között történő folyamatokat teljesen a véletlen uralja. Mi lehet az „ugrálás” következménye? Egysejtűek esetében – ha van következmény – az a mutációk bizonyos típusának tekinthető. Egy gén inaktiválódhat, ha beleugrott egy ilyen elem. Az sincs kizárva, hogy egy addig néma gén aktiválódik, vagy egy gén aktivitása fokozódik, a mellékerült ugráló elem hatására. Ha két hasonló elem kerül egymás közelébe, akkor azok elősegíthetik a rekombinációt, azaz a genom átrendeződését. Ezek a folyamatok az evolúcióban játszhatnak szerepet, ahogyan ezt a mutációkkal kapcsolatban már tárgyaltuk. Természetesen ugyanezek a lehetőségek fennállnak soksejtűek esetén is, itt azonban létezhet más jellegű hatás is. Tudvalévően a magasabbrendű élőlények genetikai állományában nagy helyet foglal el az igen nagy számú „ugráló” elem (embernél például több mint 40%), ezeknek döntő többsége azonban már elvesztette aktivitását, helyváltoztatási képességét. Például az úgynevezett L1 retrotranszpozonból (retrotranszpozonok az RNS-intermedieren keresztül copy-paste mechanizmussal helyváltoztató genetikai elemek) több mint félmillió példány található az emberi DNS-ben, ezek nagy része azonban mintegy evolúciós őskövületnek tekinthető, biológiai aktivitását elveszítette, és közülük mindössze mintegy száz rendelkezhet még az „ugrálás” képességével. Gyakorlatilag azonban ezek sem aktivak, mert egy biokémiai mechanizmus, a DNS metilálása meggátolja az „ugrálást”. Az ivarsejtek érésekor bekövetkező számcsökkentő osztódás (meiózis) során ez a metilálás időlegesen eltűnik, ezért korábban azt feltételezték, hogy az egyedfejlődésnek kizárólag ebben a szakaszában történhet meg ezeknek az elemeknek a helyváltoztatása. Ennek hatása – ugyanúgy mint az egysejtűeknél – mutáció létrejötte. Becslések szerint az embernél a mutációknak mintegy 15%-áért felelősek az ilyen ugráló gének. Az utóbbi években azonban kiderült, hogy transzpozíció nemcsak a meiózis során történhet. Egy érzékeny új módszerrel (egyes L1 retrotranszpozonokba génsebészeti úton bevitték a zölden fluoreszkáló GFP-fehérjét kódoló gént) sikerült kimutatni, hogy patkány idegrendszeri őssejtjeinek kultúrájában a differenciálódó neurális sejtjek közül sok megzöldül, azaz megtörtént az L1 transzpozonok „ugrálása”. Később sikerült ugyanezt kimutatni emberi sejtkultúrákban, és igazolni, hogy ez a jelenség minden bizonnyal előfordul a normális emberi egyedfejlődés során, mivel a felnőtt ember agysejtjeiben több példányban fordul elő az L1 retrotranszpozon mint az ivarsejtekben (Muotri – Gage, 2006; Muotri et al., 2007).

Mi következik ebből? Az, hogy az idegrendszer kialakulása, a neurális differenciáció során egyes sejtek genetikailag a többiektől különbözővé válhatnak (vagyis úgynevezett szomatikus mutáció történik bennük). Ma még nem tudjuk felmérni, hogy e mutációknak milyen következményei lehetnek. Az azonban nyugodtan feltételezhető, hogy ilyen – abszolút véletlenszerű – mutációk felelősek azért, hogy egypetéjű, azaz genetikailag azonos ikrek személyiségében, idegrendszerük reakciómódjában jelentős különbségek lehetnek. Ugyanez vonatkozik azokra az évtizedek óta beltenyésztett egértörzsekre, amelyeknek egyedei genetikailag szinte azonosak, de „személyiségükben” (például tanulási képesség, szorongásos viselkedés stb.) mégis jelentősen különbözhetnek. Feltételezhető, hogy ezek a különbségek a tárgyalt, egyedfejlődés során véletlenül létrejött, „ugráló” gének által előidézett mutációk következtében alakultak ki.

Végezetül arra szeretnék kitérni, hogy az élőlényekben nem a DNS az egyetlen molekula, amelyre nézve a sztochasztikus véletlen az úr. Egyes gének kifejeződése – mivel a kifejeződést szabályozó molekulák száma kicsi – véletlenszerű (sztochasztikus) ingadozást mutat. Az is lehetséges, hogy sejtosztódáskor a kisszámú szabályozó molekula úgy oszlik el, hogy az egyik leánysejtbe nem jut egy sem, ezért a két leszármazási vonal sorsa különbözőképpen alakul. Az alapvető molekuláris biológiai folyamatok (DNS-replikáció, transzkripció, transzláció) időbeli lefolyása nem egyenletes, így az, hogy egy adott külső hatás melyik pillanatban éri el a sejtet, szintén jelentősen különböző eredményhez vezethet. E jelenségeket gyűjtőnéven az információelméletből vett kifejezéssel „zajnak” nevezik. Ilyen zajhatás befolyásolhatja – véletlenszerűen – egyes mutációk hatásának érvényesülését is, és ez magyarázhatja azonos mutációk különböző „penetranciáját”, érvényesülését. A dolog megértéséhez tudnunk kell, hogy az élővilág nagy részében működik egy olyan védekező mechanizmus, amelynek lényege, hogy különböző stresszhatásokra (ezek közül a legjobban tanulmányozott a hőmérséklet emelkedése által okozott stressz, az ún. „hősokk”) chaperon-fehérjék (magyarul találóan: „dajkafehérjék”) termelését indítja el. Ezeknek a dajkafehérjéknek az az elsődleges szerepük, hogy más fehérjéknek a hő hatására kiváltott rossz, hibás feltekeredését, illetve aggregációját (több molekula összekapcsolódása és oldatból való kicsapódása) megakadályozzák. Ugyanez a mechanizmus képes arra is, hogy egyes káros mutációk hatását kivédje, mert ezek a mutációk ugyancsak fehérjék hibás feltekeredése, illetve aggregációja révén károsítanák a sejtek normális életműködését. Nos, kimutatható, hogy kis mennyiségben, stresszhatás nélkül is termelődnek dajkafehérjék, és éppen a kisintenzitású génkifejeződés miatt igen jelentős különbségek mutatkoznak egyes sejtek között, illetve különböző időpontokban a tekintetben, hogy mennyi az éppen jelen lévő dajkafehérje-molekulák száma. Ez a „zaj”, illetve sztochasztikus, véletlenszerű ingadozás okozza, hogy különbözőképpen érvényesül egyes káros mutációk hatása. Az egyedfejlődés során egyes kulcsfontosságú szakaszokban ez a véletlenszerű ingadozás eldöntheti, hogy a káros mutáció hatása érvényesül-e vagy sem. A dajkafehérjéknek ezt a szerepét a modern biológiában óriási szerepet játszó modellszervezet, a Caenorhabditis elegans nevű kis féregnél igazolták kísérletesen, de valószínű, hogy a példa általánosságban is igaz (Casanueva et al., 2012).

Korunk molekuláris biológiájában már az egyedi sejtek szintjén is mérhető a különböző makromolekulák pontos mennyisége, így pontos képet alkothatunk arról, hogy e sztochasztikus zaj eredményeként genetikailag azonos, azonos körülmények között fenntartott sejtek kultúrájában milyen jelentős különbségek mutatkoznak az egyes gének által kódolt messenger-RNS-ek és fehérjék mennyiségében (Raj – van Oudenaarden, 2008; Taniguchi et al., 2010). A „zaj” egyik jeles kutatója, Sunney Xie szerint „Egyetlen molekula sztochaszticitása a sejt számára egy életre szóló döntés kizárólagos meghatározója lehet” (Pearson, 2008). Egy másik jelentős „zaj- kutató”, Peter Swain pedig így ír: „Az élet sejtszinten sztochasztikus folyamat. Diffúzió, génkifejeződés, jelátvitel, a sejtciklus, és az extracelluláris környezet, mind sztochasztikus folyamatok, amelyek olyan módon ingadoznak és változnak az időben, hogy eredményüket nehéz vagy lehetetlen prediktálni.” (Perkins – Swain, 2009)
 

Kulcsszavak: episztemológiai vagy ontológiai véletlen, sztochasztikus véletlen, mutáció, evolúció, ugráló gének, sztochasztikus zaj
 

IRODALOM

Blount, Zachary D. – Borland, C. Z. – Lenski, R. E. (2008): Historical Contingency and the Evolution of a Key Innovation in an Experimental Population of Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105, 7899–7906. doi: 10.1073/pnas.080315 • WEBCÍM

Casanueva, M. Olivia – Burga, A. – Lehner, B. (2012): Fitness Trade-offs and Environmentally Induced Mutation Buffering in Isogenic C. elegans. Science. 335, 82–85. DOI: 10.1126/science.1213491

Muotri, Alysson  R. – Gage, Fred H. (2006): Generation of Neuronal Variability and Complexity. Nature. 441, 1087–1093. doi:10.1038/nature04959

Muotri, Alysson  R. et al. (2007): The Necessary Junk: New Functions for Transposable Elements. Human Molecular Genetics. 16, R159–R167. doi:10.1093/hmg/ddm19 • WEBCÍM

Pearson, Helen (2008): Cell Biology: The Cellular Hullabaloo. Nature. 453, 150-153. doi:10.1038/453150a • WEBCÍM

Perkins, Theodore J. – Swain, Peter S. (2009): Strategies for Cellular Decision-making. Molecular Systems Biology. 5, 326–340. DOI 10.1038/msb.2009.83 • WEBCÍM

Raj, Arjun – van Oudenaarden, Alexander (2008): Nature, Nurture, Or Chance: Stochastic Gene Expression and Its Consequences. Cell. 135, 216–226. DOI: 10.1016/j.cell.2008.09.050 • WEBCÍM

Taniguchi, Yuichi et al. (2010): Quantifying E. coli Proteome and Transcriptome with Single-molecule Sensitivity in Single Cells. Science. 329, 533–537. DOI: 10.1126/science.1188308 • WEBCÍM

Tomasetti, Cristian – Vogelstein, Bert (2015): Variation in Cancer Risk among Tissues Can Be Explained by the Number of Stem Cell Divisions. Science. 347, 78–81. DOI: 10.1126/science.1260825