Minulla olisi kysymys sivuiltanne löytyvästä varsin mielenkiintoisesta rappeutumisteoriasta. Mikä on teidän määritelmänne (geneettiselle) informaatiolle? Haluaisin todistaa, että informaation määrä ei todellakaan ole laskeva niinkuin rappeutumisteorianne väittää, mutta ennen kuin voin tehdä tämän, minun pitäisi tietää millä tavalla te määrittelette tuon informaation ja miten sitä mitataan. Jotta olette pystyneet kehittelemään rappeutumishypoteesinne teorian asteelle, teillä on varmastikin ollut jokin pätevä tapa mitata informaatiota, eikö näin? Mikä se on? Miten paljon informaatiota sisältää esimerkiksi ristihämähäkki (Araneus diadematus) ja miten paljon rupikonna (Bufo bufo) - kumman geneettinen koodi sisältää informaatiota enemmän ja kuinka suuri on tämän informaatiomäärän erotus? Onko rupikonna rappeutuneempi kuin perussuomalainen sammakko (Rana temporaria) vaiko toisinpäin? Miten paljon enemmän geneettistä informaatiota on sammakossa kuin rupikonnassa, vai olenko väärässä ja asia on oikeasti toisin päin? Ymmärrän kyllä, jos kysymykseni osoittautuvat teille liian hankaliksi ettekä halua niihin vastata. Vastaamattomuus kertoo myös jo paljon - joskus jopa paljon enemmän kuin puolivillainen vastaus. Kiitos!

Vastaus:

08.12.2007

Minulla olisi kysymys sivuiltanne löytyvästä varsin mielenkiintoisesta rappeutumisteoriasta. Mikä on teidän määritelmänne (geneettiselle) informaatiolle?

Kiitos kysymyksestäsi!

Informaation yksiselitteinen määrittely ei ole kovin yksinkertaista, koska informaatio on hyvin monikerroksista. Ensimmäisenä informaation määritteli Claude Shannon vuonna 1948. Shannon käsitteli informaatiota tilastollisesta näkökulmasta epätodennäköisyyden mittarina. Tämän määritelmän mukaan viesti sisältää sitä enemmän informaatiota, mitä epätodennäköisempi ja monimutkaisempi se on. Tämän määritelmän rajoituksena kuitenkin on, ettei se ota lainkaan huomioon informaation laatua ja merkitystä, vaan se tarkastelee informaatiota ainoastaan informaation siirtämisen ja pakkaamisen näkökulmasta. Tällä määritelmällä viesti voi sisältää valtavan määrän informaatiota, vaikka sisältö olisikin pelkkää kohinaa. On siis tärkeätä huomata, että informaatiota tulee tarkastella monella tasolla. Informaatio voidaankin jakaa viiteen tasoon:

1.statistiikka
2.syntaksi
3.semantiikka
4.pragmatiikka
5.apobetiikka

Ensimmäinen ja alin taso on siis informaation tilastollisuus, jonka kannalta viestin merkitys on yhdentekevää, olennaista on ainoastaan viestin pakkaamiseen tarvittava tila. Tällä tasolla voidaan tehdä kvantitatiivinen kuvaus niistä kielen piirteistä, jotka perustuvat esiintymistiheyksille. Voidaan siis esimerkiksi todeta, että bittijono A sisältää vähemmän informaatiota kuin satunnainen bittijono B, koska A on 60 nollaa, ja se voidaan esittää lyhyemmässäkin muodossa.
A:000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
B:110010011101110110110111010110101111010101100010011100110001

Toinen informaation taso on syntaksi, joka määrää viestin "kieliopin" eli säännöt, joilla merkkijonon symbolit liitetään sanoiksi ja lauseiksi. Syntaksi määrittää, mitkä symbolien yhdistelmät ovat kielellisesti merkityksellisiä merkkejä, mitkä yhdistelmät muodostavat määriteltyjä sanoja ja miten sanat tulee järjestellä keskenään. Syntaksin tasolla tarvitaan siis koodi, jota ilman viesti on merkityksetön. Sekä informaation lähettäjän että vastaanottajan on tunnettava käytettävä kieli eli koodausjärjestelmä, jotta informaatiota voidaan käsitellä. Syntaksin tasolla voidaan siis todeta, että vain rakennelmat, jotka perustuvat tietylle koodille, sisältävät informaatiota.

Kolmas taso on semantiikka, joka käsittelee viestin merkitystä. Vaikka viesti noudattaisi käytetyn kielen kielioppia täysin oikeaoppisesti, se voi olla sisällöltään pelkkää sanahelinää ilman sisällöllistä merkitystä. Vain viestit, joiden sisältö on semanttisesti merkityksellistä, sisältävät informaatiota.

Neljäs informaation taso on pragmatiikka, eli miten informaatio toteutetaan. Tällä tasolla myös informaation päämäärällä alkaa olla merkitystä. Kaikessa informaationsiirrossa on olennaista pyrkimys saada aikaan tietty seuraus vastaanottajassa. Halutun lopputuloksen saavuttamiseksi informaation täytyy saada vastaanottaja toteuttamaan haluttu toiminta. Näitä vaikuttamisen keinoja kuvataan pragmatiikan avulla. Pragmatiikka on enemmän kuin mitä viestissä suoraan sanotaan.

Viimeinen ja korkein informaation taso on apobetiikka eli tarkoitus. Tämä kysymys on olennainen kaiken informaation kohdalla: miksi lähettäjä lähettää tätä informaatiota ylipäätään? Mitä muutoksia lähettäjä olettaa vastaanottajan toteuttavan? Apobetiikka on kaikista informaation tasoista tärkein, koska se sisältää lähettäjän tavoitteen.

Viides taso voi joskus yhtyä neljännen tason kanssa, mutta on kuitenkin periaatteessa mahdollista erottaa ne toisistaan. Informaation tasot ovat sidoksissa toisiinsa niin, ettei korkeampia voi olla ilman alempia. Jotta tällä informaation määritelmällä olisi käyttöä rappeutumisteoriassa, sen täytyy olla sovellettavissa geneettiseen informaatioon. Määritelmää voidaan tosiaan soveltaa toimivasti mm. seuraavalla tavalla:

"Biologiseen informaatioon kuuluu DNA-molekyylin emäsjärjestys (statistiikka), joka voidaan muuttaa aminohapoiksi (syntaksi). Translaation jälkeen (kuva 7.3) tämä informaatio tulkitaan siten, että aminohappoketjut muotoutuvat ylirakenteiksi (heliksit, laskostetut levyt, s. 98, semantiikka). Proteiinit suorittavat tiettyä tehtävää (pragmatiikka), jonka päämääränä on elävien olentojen lisääntyminen (apobetiikka). Kiistatonta biologisen informaation määritelmää ei kuitenkaan ole olemassa, koska statistista tasoa lukuunottamatta muita informaatiotasoja ei ole vielä kyetty kvantifioimaan." (Evoluutio - kriittinen analyysi s. 276)

Biologiset järjestelmät voivat siis sisältää informaatiota jokaisella viidellä tasolla, mutta luonnonvalinta voi kuitenkin vaikuttaa informaatioon vain apobetiikan tasolla. Rappeutumisteoria ennustaakin, että vaikka luonnonvalinta ohjaakin eliöiden muutosta lisäten informaatiota apobetiikan tasolla, se tekee tämän muiden informaation tasojen kustannuksella. Huomio tulee kiinnittää etenkin semantiikan ja pragmatiikan tason informaatiomuutoksiin. Pragmatiikan tasolla tapahtuva informaation kasvu ei automaattisesti tarkoita, että näin olisi myös apobetiikan tasolla. Eli vaikka satunnainen mutaatio onnistuisikin synnyttämään toimivan äärimmäisen monimutkaisen proteiinikoneen, tästä ei välttämättä olisi kantajalleen valintaetua, jos mikään valintapaine ei satu suosimaan kyseistä rakennetta. Sama toimii myös toisinpäin eli yksilö voi saada valintaedun myös tuhoamalla toimivan proteiinikoneen, jos valintapaine sattuu jostain syystä suosimaan sitä. Informaatiota tarkastellessa jokainen taso on otettava huomioon eikä luonnonvalinta ota huomioon muita tasoja kuin apobetiikan. Rappeutumisteorian mukaan tämä johtaa väistämättä informaation rappeutumiseen pragmatiikan tasolla eli tällä informaation tasolla informaation määrä laskee.

Jotta muutoksen suunta voisi kääntyä positiiviseksi, tulisi osoittaa, että:

1. Pragmatiikan tasolla ylipäätään tapahtuu informaatiota lisääviä mutaatioita.
2. Valinnan suosimista mutaatioista tarpeeksi suuri osuus on näitä pragmaattista informaatiota lisääviä mutaatioita, jotta muutoksen suunta voisi olla informaatiota lisäävä edes joissain eliöpopulaatioissa.
3. Valinnan suosimat informaatiota tuhoavat mutaatiot eivät saa olla liian tuhoisia. Yhdellä mutaatiolla voi helposti tuhota kokonaisen proteiinikoneen, mutta vastaavan koneen rakentamiseen tarvitaan lukemattomia toistaan seuraavia mutaatioita samalla geenialueella.
Luonnonvalinta näyttääkin suosivan rappeutumista juuri siksi, että sillä on tapana mennä siitä, mistä aita on matalin.

Otan nyt esimerkkitapaukseksi malarian, jota on monesti pidetty parhaana esimerkkinä evoluution toiminnasta käytännössä. Malarian ja ihmisen välisessä sodassa luonnonvalinnalla ja mutaatioilla on kaikki edellytykset toimia parhaan kykynsä mukaan, koska malaria synnyttää valtavan valintapaineen tappaen monilla seuduilla puolet lapsista ennen viiden vuoden ikää. Ihmisillä on siis valtava kysyntä malariaimmuniteetin tarjoavasta mutaatiosta, ja ilmaantuessaan sellainen pääsisi hyvin leviämään malaria-alueilla. Kun asiaa tutkitaan käytännössä, havaitaan, että juuri näin onkin tapahtunut.

Laajalle levinnyt malariaimmuniteetin tarjoava mutaatio on sirppisoluanemia, jossa malarian onnistuu pysäyttämään beta-hemoglobiinin 6. aminohapon muutos glutamiinihaposta valiiniksi. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että koska valiini on hydrofobinen, se hylkii vettä, ja pyrkii sen takia olemaan kosketuksissa toisten hydrofobisten molekyylien kanssa. Glutamiinihappo on kuitenkin hydrofiilinen eli vesiliukoinen ja on sen takia laskostunut beta-hemoglobiinissa proteiinin ulkopuolelle, missä se voi rauhassa liueta veteen. Sirppisoluanemiassa hydrofobinen valiini on kuitenkin ottanut sen paikan, jolloin se pyrkii takertumaan muihin hydrofobisiin molekyyleihin. Punasolujen proteiineista 90 % on hemoglobiinia, joten todennäköisyys sille, että kaksi hemoglobiinia törmää toisiinsa, on suuri.

Miten tämä sitten auttaa estämään malariaa? Hemoglobiinihan on tarkoitettu hapen kuljettamiseen, eikä tuholaisten torjuntaan. Kun malaria tarttuu hyttysestä ihmiseen, se pesiytyy ensin maksaan, jossa se lisääntyy, ja jatkaa sen jälkeen verenkierron mukana punasoluihin, joissa se herkuttelee helposti saatavalla hemoglobiinilla. Sirppisoluanemiassa kaikki ei kuitenkaan mene aivan suunnitelmien mukaan. Kun malaria miehittää punasolun, mutatioituneet hemoglobiinit takertuvat toisiinsa, mikä johtaa koko solun hemoglobiinien klimppiytymisen. Geeliytyvä hemoglobiini painaa miehittäjän solukalvoa vasten muuntamalla samalla punasolun muodottomaksi, ja lopulta immuunijärjestelmä tuhoaa punasolun.

Malariaimmuniteetin muotoja on muitakin, mutta niistä yksikään ei ole syntynyt immuunijärjestelmään, vaan ne ovat kaikki tavalla tai toisella punasolun mutaatioita. Sirppisoluanemiasta huomaamme, että luonnonvalinta osaa tuottaa soluun itsetuhojärjestelmiä, mutta siinä ei ole yritystäkään rakentaa uusia proteiinikoneita. Malarian ja ihmisen valisessä sodassa ei ole kyse strategisten aseiden kilpavarustelusta, vaan todellisuus vastaa enemmänkin asemasotaa ja poltetun maan taktiikkaa. Jos resurssit eivät riitä puolustusjärjestelmän kehitämiseen, vihollinen voidaan pysäyttää räjäyttämällä Kwai-joen silta. Ja vihollinen myös pysähtyy – malaria ei moneen tuhanteen vuoteen ole onnistunut kehittämään vastaiskua sirppisoluanemiaa vastaan.

Luonnonvalinta siis suosii lyhytnäköisyytensä takia epätoivoisia ja itsetuhoisia ratkaisuja, jos ne sattuvat auttamaan käsillä olevan ongelman kanssa. Yhdellä mutaatiolla voi tuhota proteiinin toiminnan tai heikentää sitä niin, että vihollinen nujerretaan, mutta vastaavan pragmaattisen informaation tuottamiseksi vaaditaan monta pientä hyödyllistä informaatiota lisäävää mutaatiota sekä kehityspolku, jonka löytymisen voidaan olettaa olevan biologisesti järkevää.
Informaation määritelmästä voi lukea enemmän informaatioteoreetikko Werner Gittin kirjasta "In the beginning was information" sekä sivulla: http://www.answersingenesis.org/tj/v10/i2/information.asp

"Haluaisin todistaa, että informaation määrä ei todellakaan ole laskeva niinkuin rappeutumisteorianne väittää, mutta ennen kuin voin tehdä tämän, minun pitäisi tietää millä tavalla te määrittelette tuon informaation ja miten sitä mitataan. Jotta olette pystyneet kehittelemään rappeutumishypoteesinne teorian asteelle, teillä on varmastikin ollut jokin pätevä tapa mitata informaatiota, eikö näin? Mikä se on?"

Biokemiallisten järjestelmien informaation kokonaismäärän mittaaminen vaatisi paljon enemmän tietoa kuin meillä nyt on, eli käytännössä ei ole olemassa nopeaa ja yksinkertaista tapaa mitata biologista informaatiota. Informaatiota ei voida mitata pelkästään geenien tai DNA:n määrän perusteella, vaan informaatio on mitattava geenituotteiden perusteella. Kokonaisen genomin informaatiomäärästä on mahdotonta tehdä tarkkoja arvioita nykyisellä tietotaidolla, mutta yksittäisten mutaatioiden informaatiomuutos on yleensä suurpiirteisesti mitattavissa. Monissa tapauksissa informaatiomuutoksen suunta on varsin selvä. Jos mutaation seurauksena geeni menettää toimintakykynsä, on ilmeistä, että mutaatio on tuhonnut informaatiota. Myös jos mutaatio vähentää entsyymin spesifisyyttä, on kyse selvästikin informaation tuhoutumisesta. Käytettävissä on valtavasti tutkimustuloksia tunnetuista mutaatioista, mutta yksikään ei tiettävästi ole tuottanut mainittavasti uutta pragmaattista informaatiota.

Informaatiota lisäävä mutaatio ei varsinaisesti itsessään ole mahdottomuus, vaan on itseasiassa helppoa keksiä esimerkkejä tällaisista mutaatioista. Yksinkertaisin esimerkki on palauttava mutaatio, joka kumoaa tapahtuneen informaatiota tuhonneen mutaation. Jos yksittäisen emäksen pistemutaatio A -> B tuhoaa informaatiota, A sisältää enemmän informaatiota kuin B. Voidaan siis osoittaa olevan mahdollista, että tapahtuu mutaatio B -> A, joka puolestaan lisää informaatiota. Toinen esimerkki on insertio, jonka avulla informaatiota voidaan siirtää yksilöltä ja lajilta toiselle. Insertiota tapahtuu ainakin bakteereilla, ja ne voivat esimerkiksi saada antibioottiresistanssin toiselta bakteerilta insertion avulla. Näillä informaatiota lisäävillä mutaatioilla informaation määrä kasvaa yksilötasolla, mutta lisätty informaatio ei kuitenkaan ole uutta biokosmoksessa. Evoluutioteoria ei siis voi ratsastaa näillä muutoksilla, koska evoluution täytyisi tuottaa täysin uudenlaista informaatiota selittääkseen nykyisen informaatiopaljouden.

Jotta voidaan tehdä luotettavia arvioita lajin tai koko biokosmoksen informaatiomuutoksen suunnasta, täytyy kartoittaa tunnettuja valintapositiivisia mutaatioita ja tehdä analyysejä niissä tapahtuneista informaatiomuutoksista. Jos informaatiota tuhoavien ja tuottavien mutaatioiden lukumäärien suhteellinen ero on merkittävä, tästä voidaan tehdä johtopäätös, että muutoksella on trendi. Informaatiomuutoksen mittaamiseen täytyy kuitenkin olla selvät kriteerit, jotta analyysi olisi luotettava. Lee Spetner käyttää entsyymien informaatiomuutosten mittaamiseen seuraavia kriteereitä:

- Katalyyttisen aktiivisuuden voimakkuus
- Erikoistuminen katalysoitavaan substraattiin
- Solurakenteeseen sitoutumisen voimakkuus
- Solurakenteeseen sitoutumisen täsmällisyys
- Entsyymin hajottavan vaikutuksen määrittävän aminohappojärjestyksen täsmällisyys

Täsmennys on informaatiota, sillä mitä tarkemmin jokin asia on ilmoitettu, sitä enemmän informaatiota saadaan selville. Näiden piirteiden kvantifioiminen voi osoittautua hankalaksi, mutta Spetner on mm. kirjassaan Not By Chance osoittanut, että informaatiomuutoksia voidaan mitata näillä kriteereillä. Hän käsittelee pari esimerkkiä myös keskustelussaan Edward Maxin kanssa: http://www.trueorigin.org/spetner1.asp
Yleisesti ottaen informaation kasvuna voidaan pitää mitä tahansa geenituotteen toiminnan täsmentymistä.

"Miten paljon informaatiota sisältää esimerkiksi ristihämähäkki (Araneus diadematus) ja miten paljon rupikonna (Bufo bufo) - kumman geneettinen koodi sisältää informaatiota enemmän ja kuinka suuri on tämän informaatiomäärän erotus? Onko rupikonna rappeutuneempi kuin perussuomalainen sammakko (Rana temporaria) vaiko toisinpäin? Miten paljon enemmän geneettistä informaatiota on sammakossa kuin rupikonnassa, vai olenko väärässä ja asia on oikeasti toisin päin? "

Jo informaation ominaisuuksien takia vaatii paljon työtä tehdä realistista arviota eliön informaatiosisällöstä. Informaation määrä täytyisi laskea bitti kerrallaan, ja kuten jo aikaisemmin totesin, pelkän DNA:n emäsparien tai geenien lukumäärän perusteella ei voida tehdä kuin parhaimmillaankin erittäin karkea arvio eliön todellisesta informaatiosisällöstä. Voidaan siis esimerkiksi todeta, että bakteeri sisältää selvästi vähemmän informaatiota kuin ihminen, mutta vastaavaa arviota ei voida nykytietämyksen pohjalta tehdä toisiaan läheisesti muistuttavien lajien kohdalla, niin kuin esittämässäsi tapauksessa. Edes hyvin erilaisten eliöiden kohdalla ei ole helppoa tehdä luotettavaa arviota informaation määrästä. Ei ole kovin helppoa osoittaa, onko ihminen monimutkaisempi kuin riisi, vaikka geenien määrä suurinpiirtein tiedetäänkin.

"Ymmärrän kyllä, jos kysymykseni osoittautuvat teille liian hankaliksi ettekä halua niihin vastata. Vastaamattomuus kertoo myös jo paljon - joskus jopa paljon enemmän kuin puolivillainen vastaus. Kiitos!"

Toivottavasti vastaus valotti käsitystämme informaation luonteesta.