熏陶戒色法 第15期：更加合理的计算
大家好，我是自求多福。
前面我们计算了“鞭毛进化”中出现来自ATP合成酶的部分组件和来自三型分泌系统的部分组件有效结合在一起这样一步“微小的变化”的概率。其实前面的计算中某些数值假设不合理。比如每个位点的有益突变率假设为10的负3次方，这个概率太大了；比如需要20个关键氨基酸位点发生有益突变也太少了。
下面通过更加合理的假设来计算其能够发生的概率。假设每个位点的有益突变率为10的负8次方；并宽松地假设仅需4个蛋白质发生有益突变，每个蛋白质需要10个关键氨基酸位点出现有益突变，那么总共需要40个关键氨基酸位点出现有益突变。再假设信号肽正确匹配运输系统的概率为10的负16次方，质子梯度能正常保持的概率为10的负3次方。那么总的概率为10的负8次方的40次方乘以10的负16次方再乘以10的负3次方，等于10的负339次方。也就是说，假如提供给每一个细菌一次尝试的机会，需要10的339次方个细菌，才有一个细菌可能实现这种“微小的变化”。
有人会说：细菌繁殖速度非常快，每分钟可以繁殖3.5代，从地球形成至今已经繁殖了无数代。只要细菌数量足够，总有发生的可能。那么我们假设细菌每分钟繁殖4代。地球从形成到现在大约经历了45.4亿年，约为2.39乘以10的15次方分钟。每分钟繁殖4代，即总共大约为10的16次方代。目前地球细菌总数为10的30次方，我们就假设每一代细菌的数量都是10的30次方。那么从地球形成到今天，出现过的细菌总数量为10的30次方乘以10的16次方，为10的46次方个。
这个数量还是远远小于10的339次方。地球出现过的细菌总量只占所需要细菌总量的10的293次方分之一。这是什么概念？这个比例是一个几乎等于0的极小值。
概率之所以这么低，其中一个重要的因素就是来自ATP合成酶的部分组件的变异和来自三型分泌系统的部分组件的变异要同时发生。或者说，前面假设的4个蛋白质，每个蛋白质中10个关键氨基酸位点的有益突变都要同时发生。
有的人认为这些蛋白质不一定需要同时出现有益突变。他们的理由是突变也可以有中性突变，中性突变所产生的基因因为不会对细菌产生不利影响，也可以被保留在细胞中。事实上，中性基因被自然选择淘汰的几率比保留在细胞中的几率更高。因为中性基因被保留在细胞中，即使不编码蛋白质，其转录过程仍需消耗能量以合成RNA。如果中性基因的转录增加了代谢负担，且对细菌没有益处，自然选择可能倾向于淘汰这些基因，以节省能量。较大的基因组需要更多的能量和时间进行复制，中性基因增加了基因组的大小，提高了复制成本，可能降低细菌的适应性。而关键的一点：中性基因会再次出现突变，其序列会朝着更加混乱或有害的方向发展，而难以在适当的时机变得有益。正因为无用或有害的变异的几率远远大于有益变异的几率，等到其他蛋白质出现有益突变的时候，那些曾经可能成为有益基因的中性基因大概早已变得更加混乱无序了。这就是为什么这些有益变异必须同时，或在间隔不远的时间内发生的原因。
现在就假设中性基因被保留在细胞中会出现的情况。由于ATP合成酶和三型分泌系统组件在结构和功能上的显著差异，要实现它们的有效结合，通常需要结构上的重大变化和重新折叠。重新折叠意味着要抛弃原来的折叠方式并重新构建新的折叠方式。道格拉斯·阿克斯通过一系列的定点突变实验，并结合另一个实验的结果，对一个长度为153个氨基酸的蛋白质的所有氨基酸排列方式，其能产生稳定折迭的概率进行估算，估算结果是概率为10的74次方分之一到10的50次方分之一之间。然而这只是能产生稳定折迭而已，并不代表产生了有用的功能。能产生有用功能的概率将会更小。我们就取最宽松的10的50次方分之一来作为可以重新折叠的概率。注意这个概率是已经发生突变后可以折叠的概率，而如果考虑不一定发生突变的情况，概率还会小很多。细菌鞭毛由大约30种蛋白组成，其中只有极少数蛋白质的氨基酸序列长度小于153个，而绝大多数是大于153的，甚至有的可达到几百个。假设还是需要4个蛋白质出现有益变异。其中一个最小的蛋白真的实现了重新折叠并出现合适的功能，由于不能和其他蛋白产生联动作用，所以毫无用处，其基因被视为中性基因被保留在细胞中。那么自然选择还要等待另外3个蛋白质也发生有益突变才能起作用。在这漫长的等待中，另外3个蛋白质由于其氨基酸序列长度大于153，所以要实现新的折叠方式，概率都不会大于10的50次方分之一。前面计算过，地球形成至今细菌总数量为10的46次方。给予每个细菌一次尝试的机会，那么要实现其中一个蛋白质的重新折叠，其数量也是远远不够的。
通过概率计算，我们知道，地球，甚至整个宇宙是提供不了足够的资源让某些“微小的突变”产生的，因为这些“微小的突变”要发生的概率低到近似于0。或许阴差阳错，真的有一两个蛋白质发生了这种低概率的有益突变。可是生命的进化需要数量非常多的蛋白质出现有益突变。在有限的宇宙资源里，真的能让种类如此繁多的蛋白质都通过有益突变进化而来吗？概率论是绝对不会允许的！
再重复一遍达尔文当年说过的话：“如果有人能证明，任何现有的复杂器官，不可能是从无数连续的、微小的突变而来，我的学说就必完全瓦解了。”我们可以宣布：达尔文的学说完全瓦解了！
前面我们计算了“鞭毛进化”中出现来自ATP合成酶的部分组件和来自三型分泌系统的部分组件有效结合在一起这样一步“微小的变化”的概率。其实前面的计算中某些数值假设不合理。比如每个位点的有益突变率假设为10的负3次方，这个概率太大了；比如需要20个关键氨基酸位点发生有益突变也太少了。
下面通过更加合理的假设来计算其能够发生的概率。假设每个位点的有益突变率为10的负8次方；并宽松地假设仅需4个蛋白质发生有益突变，每个蛋白质需要10个关键氨基酸位点出现有益突变，那么总共需要40个关键氨基酸位点出现有益突变。再假设信号肽正确匹配运输系统的概率为10的负16次方，质子梯度能正常保持的概率为10的负3次方。那么总的概率为10的负8次方的40次方乘以10的负16次方再乘以10的负3次方，等于10的负339次方。也就是说，假如提供给每一个细菌一次尝试的机会，需要10的339次方个细菌，才有一个细菌可能实现这种“微小的变化”。
有人会说：细菌繁殖速度非常快，每分钟可以繁殖3.5代，从地球形成至今已经繁殖了无数代。只要细菌数量足够，总有发生的可能。那么我们假设细菌每分钟繁殖4代。地球从形成到现在大约经历了45.4亿年，约为2.39乘以10的15次方分钟。每分钟繁殖4代，即总共大约为10的16次方代。目前地球细菌总数为10的30次方，我们就假设每一代细菌的数量都是10的30次方。那么从地球形成到今天，出现过的细菌总数量为10的30次方乘以10的16次方，为10的46次方个。
这个数量还是远远小于10的339次方。地球出现过的细菌总量只占所需要细菌总量的10的293次方分之一。这是什么概念？这个比例是一个几乎等于0的极小值。
概率之所以这么低，其中一个重要的因素就是来自ATP合成酶的部分组件的变异和来自三型分泌系统的部分组件的变异要同时发生。或者说，前面假设的4个蛋白质，每个蛋白质中10个关键氨基酸位点的有益突变都要同时发生。
有的人认为这些蛋白质不一定需要同时出现有益突变。他们的理由是突变也可以有中性突变，中性突变所产生的基因因为不会对细菌产生不利影响，也可以被保留在细胞中。事实上，中性基因被自然选择淘汰的几率比保留在细胞中的几率更高。因为中性基因被保留在细胞中，即使不编码蛋白质，其转录过程仍需消耗能量以合成RNA。如果中性基因的转录增加了代谢负担，且对细菌没有益处，自然选择可能倾向于淘汰这些基因，以节省能量。较大的基因组需要更多的能量和时间进行复制，中性基因增加了基因组的大小，提高了复制成本，可能降低细菌的适应性。而关键的一点：中性基因会再次出现突变，其序列会朝着更加混乱或有害的方向发展，而难以在适当的时机变得有益。正因为无用或有害的变异的几率远远大于有益变异的几率，等到其他蛋白质出现有益突变的时候，那些曾经可能成为有益基因的中性基因大概早已变得更加混乱无序了。这就是为什么这些有益变异必须同时，或在间隔不远的时间内发生的原因。
现在就假设中性基因被保留在细胞中会出现的情况。由于ATP合成酶和三型分泌系统组件在结构和功能上的显著差异，要实现它们的有效结合，通常需要结构上的重大变化和重新折叠。重新折叠意味着要抛弃原来的折叠方式并重新构建新的折叠方式。道格拉斯·阿克斯通过一系列的定点突变实验，并结合另一个实验的结果，对一个长度为153个氨基酸的蛋白质的所有氨基酸排列方式，其能产生稳定折迭的概率进行估算，估算结果是概率为10的74次方分之一到10的50次方分之一之间。然而这只是能产生稳定折迭而已，并不代表产生了有用的功能。能产生有用功能的概率将会更小。我们就取最宽松的10的50次方分之一来作为可以重新折叠的概率。注意这个概率是已经发生突变后可以折叠的概率，而如果考虑不一定发生突变的情况，概率还会小很多。细菌鞭毛由大约30种蛋白组成，其中只有极少数蛋白质的氨基酸序列长度小于153个，而绝大多数是大于153的，甚至有的可达到几百个。假设还是需要4个蛋白质出现有益变异。其中一个最小的蛋白真的实现了重新折叠并出现合适的功能，由于不能和其他蛋白产生联动作用，所以毫无用处，其基因被视为中性基因被保留在细胞中。那么自然选择还要等待另外3个蛋白质也发生有益突变才能起作用。在这漫长的等待中，另外3个蛋白质由于其氨基酸序列长度大于153，所以要实现新的折叠方式，概率都不会大于10的50次方分之一。前面计算过，地球形成至今细菌总数量为10的46次方。给予每个细菌一次尝试的机会，那么要实现其中一个蛋白质的重新折叠，其数量也是远远不够的。
通过概率计算，我们知道，地球，甚至整个宇宙是提供不了足够的资源让某些“微小的突变”产生的，因为这些“微小的突变”要发生的概率低到近似于0。或许阴差阳错，真的有一两个蛋白质发生了这种低概率的有益突变。可是生命的进化需要数量非常多的蛋白质出现有益突变。在有限的宇宙资源里，真的能让种类如此繁多的蛋白质都通过有益突变进化而来吗？概率论是绝对不会允许的！
再重复一遍达尔文当年说过的话：“如果有人能证明，任何现有的复杂器官，不可能是从无数连续的、微小的突变而来，我的学说就必完全瓦解了。”我们可以宣布：达尔文的学说完全瓦解了！
