Wśród płazów salamandra Hydromantes jest mistrzem szybkości strzelania z języka. W mniej niż pięć milisekund może złapać nieszczęsnego owada w locie - tym razem obejmuje pracę mięśni, chrząstek i części szkieletu. Jeśli porównasz tę balistyczną anatomię z żabami i kameleonami, te ostatnie są slupami. David Wake, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, mówi: „Spędziłem około 50 lat na badaniu ewolucji języków salamandry. To naprawdę ciekawe, bo generalnie nie różnią się dużą prędkością, ale mimo to potrafią wykonać najszybszy ruch z tych, które są dostępne dla znanych mi kręgowców. W trakcie swojego rozwoju ewolucja znalazła skuteczniejszy sposób na zapewnienie udanego polowania za pomocą języka. Wydaje się, że jest to ich pozornie wyjątkowa adaptacjaniezależnie rozwinięte w trzech niespokrewnionych gatunkach salamandry. Jest to przykład zbieżnej ewolucji, w której różne osobniki niezależnie rozwijają podobne adaptacje biologiczne pod wpływem tych samych czynników środowiskowych. Salamandry to ulubiony przykład przytaczany przez Wake'a, gdy zadaje mu się od dawna pytanie biologii ewolucyjnej: czy jeśli przewiniesz taśmę ewolucji, to się powtórzy? Najwyraźniej tak właśnie stało się w przypadku salamandry; w przypadku innych organizmów mogło się to nie zdarzyć.jeśli przewiniesz taśmę ewolucji, czy się powtórzy? Najwyraźniej tak właśnie stało się w przypadku salamandry; w przypadku innych organizmów mogło się to nie zdarzyć.jeśli przewiniesz taśmę ewolucji, czy się powtórzy? Najwyraźniej tak właśnie stało się w przypadku salamandry; w przypadku innych organizmów mogło się to nie zdarzyć.
Wiadomo, że po raz pierwszy to pytanie zadał niedawno zmarły biolog ewolucyjny Stephen Jay Gould w 1989 roku w Amazing Life: The Burgess Slates and the Nature of History, opublikowanym w czasach, gdy ludzie wciąż słuchali muzyki na kasetach audio. Książka opowiada o skamieniałościach znalezionych w łupkach z Burgess, pozostałych po niezliczonych dziwnych zwierzętach, które żyły na naszej planecie około 520 milionów lat temu, w okresie kambru. Prawie wszystkie istniejące dziś zwierzęta mają przodków, którzy żyli w kambrze, ale nie wszystkie zwierzęta z tamtej epoki mają potomków w naszej epoce. Wiele osobników kambryjskich wyginęło, ponieważ nie nadawali się wystarczająco do walki o przetrwanie lub dlatego, że znaleźli się w niewłaściwym miejscu w niewłaściwym czasie, gdy wybuchły wulkany, spadły meteoryty lub miały miejsce inne niszczące wydarzenia.
Gould zobaczył niesamowitą różnorodność szczątków zwierząt w Burgess i spekulował, że nasza flora i fauna wyglądałyby inaczej, gdyby historia zmieniła kierunek. Zasugerował, że chaotyczne mutacje i wymieranie gatunków, które nazwał „historycznymi przypadkami”, będą budować jeden na drugim, przesuwając ewolucję w tym czy innym kierunku. Według Goulda istnienie jakiegokolwiek zwierzęcia, w tym człowieka, jest zjawiskiem rzadkim, którego powtórzenie się w przypadku „przewijania i startu” z okresu kambru jest mało prawdopodobne. W swojej książce Gould często odwołuje się do pracy paleontologa Simona Conwaya Morrisa z Uniwersytetu w Cambridge nad skamieniałością Burgessa, ale sam naukowiec zdecydowanie nie zgadza się z punktem widzenia Goulda.
Conway Morris uważa, że z biegiem czasu dobór naturalny zmusza organizmy do szeregu adaptacji, aby wypełnić ograniczone nisze ekologiczne Ziemi. Prowadzi to do tego, że niespokrewnione gatunki konsekwentnie zbiegają się w budowie ciała. „Zwierzęta muszą budować się zgodnie z fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi wymogami tego świata” - powiedział. Conway jest przekonany, że takie ograniczenia sprawiają, że jest niemal nieuniknione, iż w przypadku „przewijania taśmy” ewolucja prędzej czy później doprowadzi do pojawienia się organizmów podobnych do tych, które istnieją w naszym świecie. Gdyby nasi małpi przodkowie nie rozwinęli mózgu, a umysł byłby do niego przywiązany, według naukowca inna gałąź, taka jak wrony czy delfiny, mogłaby zająć niszę, w której obecnie znajduje się człowiek. Ale Gould się nie zgadza.
Obaj naukowcy uznają, że przypadkowość i zbieżność (niezależny rozwój aż do pojawienia się podobnych znaków - ok. Nowe dlaczego) zachodzą w ewolucji. Zamiast tego dyskusja skupia się na tym, jak unikalne lub powtarzalne są kluczowe adaptacje, takie jak ludzki umysł. W międzyczasie inni biolodzy rozwiązali zagadkę i pokazali, jak konwergencja i losowość wpływają na siebie nawzajem. Zrozumienie interakcji tych sił może pomóc nam ustalić, czy wszystko, co żyje, jest wynikiem 7 miliardów lat zbiegów okoliczności, czy też my wszyscy - ludzie i salamandry - jesteśmy częścią nieuchronności, tak jak śmierć lub podatki.
Zamiast próbować odtworzyć historię za pomocą skamieniałości, Richard Lenski, biolog ewolucyjny z University of Michigan, postanowił obserwować zjawisko konwergencji i przypadku w czasie rzeczywistym w kontrolowanym środowisku swojego laboratorium. W 1988 roku podzielił populację bakterii Escherichia coli i umieścił je w 12 oddzielnych zbiornikach płynnej pożywki hodowlanej, dzięki czemu mogły rosnąć niezależnie od siebie. Od 26 lat co kilka miesięcy on lub jeden z jego uczniów zamraża jedną porcję bakterii. Ten zestaw zamrożonych zarazków daje Richardowi możliwość „ponownego uruchomienia filmu” cyklu życiowego E. coli w dowolnym momencie, po prostu rozmrażając jedną porcję. Podczas całego procesu może sprawdzić,jak zmieniają się bakterie - zarówno pod względem genetyki, jak i tego, co można zobaczyć tylko pod mikroskopem. Lenski wyjaśnia: „Cały eksperyment miał na celu sprawdzenie, jak powtarzalna jest ewolucja”.
W 11 zbiornikach Lenskiego E. coli urosła, ale bakterie w dwunastej próbce rozdzieliły się na dwie niezależne gałęzie - jedną z dużymi komórkami, drugą z małymi. Lenski mówi: „Nazywamy ich„ dużymi”i„ małymi”. Współistnieją już od 50 tysięcy pokoleń”. Nie wydarzyło się to w żadnej innej populacji; stąd możemy wywnioskować, że nastąpiło ewolucyjnie przypadkowe zdarzenie. A nawet 26 lat później żadna inna próba nie powtórzyła pojawienia się takiej gałęzi. Wydaje się więc, że w tej sytuacji szansa przeważyła nad konwergencją.
W 2003 roku miał miejsce kolejny przypadkowy epizod. Liczba pręcików w jednym ze zbiorników wzrosła do tego stopnia, że pożywka hodowlana, która zwykle jest przezroczysta, staje się mętna. Początkowo Lenski uznał, że występuje normalne zanieczyszczenie środowiska, ale jak się okazało, E. coli, które normalnie zjadały tylko glukozę rozpuszczoną w cieczy, rozwinęły zdolność do konsumowania innego pierwiastka zawartego w zbiornikach: cytrynianu. Po 15 latach i 31 500 pokoleniach tylko jedna z kolonii była w stanie przetworzyć tę substancję. Liczba bakterii w nim zaczęła rosnąć 5 razy szybciej niż w innych koloniach.
Film promocyjny:
Ten „historyczny wypadek” dał Richardowi i jego absolwentowi Zachary Blount możliwość przetestowania prawdopodobieństwa powtórzenia się takiego zdarzenia, gdyby „przewinęli taśmę”. Blount wybrał z magazynu 72 próbki zamrożonych pałeczek zebranych na różnych etapach eksperymentu z populacji, która była później w stanie włączyć cytrynian do swojego metabolizmu. Rozmroził je i stymulował ich rozmnażanie. Wkrótce 4 z 72 próbek rozwinęły taką samą zdolność spożywania cytrynianu. Co ciekawe, te mutacje wystąpiły tylko w populacjach zamrożonych po cyklu 30 500 pokoleń. Analiza genetyczna wykazała, że niedługo wcześniej kilka genów przeszło zmiany, które przyczyniły się do powstania ewolucji wraz z metabolizmem cytrynianu. Innymi słowy, zdolność do wchłaniania cytrynianu zależała od wystąpienia innych poprzedzających ją mutacji. Stworzył wideleczmieniając możliwe ścieżki, które mogą obrać przyszłe pokolenia.
Znany jako długoterminowy eksperyment ewolucyjny, ten projekt dotyczący E. coli przekroczył obecnie 60 000 pokoleń, dając Richardowi solidny zbiór danych, z którego można wyciągnąć wnioski na temat interakcji przypadku i zbieżności w ewolucji. Subtelne zmiany w DNA bakterii, powodujące ich większe lub szybsze rozmnażanie, stały się częstymi zdarzeniami w różnych zbiornikach. W tym samym czasie Lenski był świadkiem „zaskakujących” przypadkowych wydarzeń, w których coś zupełnie innego niż pozostałe miało miejsce w jednej z populacji. Ale podobnie jak w przypadku zjawiska konwergencji, takie przemiany nie były całkowicie przypadkowe.
„Nie wszystko jest możliwe”, niezależnie od procesu, wyjaśnia Wake: „Organizmy rozwijają się w kontekście dziedzicznych cech”. Zwierzęta nie mogą przenosić mutacji, które są destrukcyjne lub zapobiegają rozmnażaniu. W przypadku salamandry Hydromantes jej przodkowie musieli pokonać istotne ograniczenie: aby uzyskać jęzory strzeleckie, należało poświęcić płuca. Dzieje się tak, ponieważ część tego mechanizmu rozwinęła się z mięśni, które były używane przez ich poprzedników do pompowania powietrza do płuc. Dziś ten niegdyś mały i słaby mięsień stał się znacznie większy i silniejszy. Zwija się jak sprężyna wokół stożkowatej kości z tyłu jamy ustnej, a kiedy mięsień się kurczy, kość wytwarza napięcie, które wyrzuca język wraz z aparatem kostnym z jamy ustnej. Tak więc przodkowie Hydromantesa nie tylko nabyli mutację,który przekształcił się w „język balistyczny”. Zamiast tego, adaptacja ta była następstwem serii zmian, które najpierw pozwoliły stworzeniu przezwyciężyć zależność płuc od tlenu i wypłynąć na powierzchnię wody. Każda zmiana zależała od poprzedniej.
Kameleony z kolei zachowały płuca. Zamiast majstrować przy ich anatomii, stworzyli kolagen, pozwalając językowi strzelać do zdobyczy. Na pierwszy rzut oka języki salamandry i kameleonów są przykładem konwergencji, ale jeśli przyjrzysz się uważnie, okaże się, że tak nie jest. Wystrzelenie kameleona zajmuje 20 milisekund, co jest szybkością ślimaka w porównaniu z pięcioma milisekundami salamandry. Dlaczego kameleony otrzymały tak wolne języki? Odpowiedź: Napotkali przeszkodę na drodze zbieżnej ewolucji. Język kameleona jest wystarczająco szybki, aby przeżyć, ale brakuje im „odziedziczonej struktury cech”, aby rozwinąć bardziej śmiercionośną balistyczną anatomię salamandry. Jak mówią biolodzy, kameleony osiągnęły „szczyt adaptacyjny”.
W eksperymentach z wirusami infekującymi bakterie - bakteriofagi - biolog z Harvardu David Liu również odkrył szczyty adaptacyjne. Te piki ograniczają zdolność organizmów do zbiegania się w jedną optymalną strukturę. Wyjaśniają, dlaczego wypadki nie zdarzają się często.
Liu chciał wiedzieć, czy identyczne grupy bakteriofagów mogłyby niezależnie wytworzyć ten sam enzym, gdyby przyłożono do nich taką samą presję ewolucyjną. Przyspieszył ewolucję białek wirusów za pomocą systemu, który nazwał PACE.
Podczas eksperymentu wirusy, które nie wyprodukowały enzymu potrzebnego Liu, zostały usunięte z eksperymentu. Pozostali tylko ci, którzy osiągnęli cel. Niektóre z nich okazały się „lepsze” niż inne. W tym przypadku potrzebowali enzymu polimerazy, który wykrywa określoną sekwencję DNA i zamienia ją w RNA, a niektóre polimerazy rozpoznają sekwencję dokładniej niż inne. Podobnie jak stosunkowo powolny język kameleonów, wirusy te rozwinęły adaptacje, które pozwalają im przetrwać, ale uniemożliwiają im uzyskanie najlepszej polimerazy. Niektóre wirusy utknęły na niskim szczycie, inne wspięły się wyżej.
Aby zrozumieć, co biolodzy rozumieją przez szczyty adaptacyjne, wyobraź sobie obszar, którego topografia przedstawia wysoki i niski poziom potencjału reprodukcyjnego. W przypadku bakteriofagów Liu różne populacje badały ten obszar, uzyskując różne mutacje. Niektórzy wylądowali na małych wzgórzach, inni na górach wielkości Everestu. I tak zaczęli wspinać się na szczyt, na jaki się dostali. Po wejściu na niską górę wirusy nie mogą przenieść się na inną, wyższą. Aby to zrobić, będą musieli najpierw zejść na dół, zmniejszając swoje szanse na przeżycie z każdym krokiem. Jest to bardzo trudne, bo nie można zapominać o przeżyciu najsilniejszych. Która mutacja nastąpi przed innymi - który szczyt trafi do organizmu - to historyczny przypadek, który zbieżna ewolucja może pokonać tylko z wielkim trudem,jeśli w ogóle może.
Czas pojawienia się mutacji ma znaczenie. „Wczesne zdarzenia losowe, które powodują różnicę w puli genów, mogą znacząco wpłynąć na to, czy korzystna mutacja może ostatecznie wpłynąć na przetrwanie organizmu” - wyjaśnia Liu. „Te wypadki zmniejszają powtarzalność ewolucji”. W tym eksperymencie losowość pokonała konwergencję. Wydarzenia, które się wydarzyły, zapobiegły nawrotom.
Jeden ze sposobów, w jaki życie może przezwyciężyć ograniczenia adaptacyjnych szczytów, został odkryty podczas badań organizmów cyfrowych przez biologów komputerowych z Michigan State University Chris Adami i Charles Ofria. Stworzyli program komputerowy Avida, w którym organizmy cyfrowe ewoluują w warunkach określonych przez eksperymentatora. Awidianie mutują, losowo zdobywając i gubiąc linie kodu, które pozwalają im rozwiązywać problemy matematyczne, co zwiększa ich zdolność do reprodukcji.
W jednym eksperymencie zadanie awidianom polegało na uzyskaniu umiejętności rozwiązania złożonego problemu logicznego „tożsamości bitowej”. Tylko 4 z 50 cyfrowych populacji opracowało kod potrzebny do wykonania operacji. Wszystkie populacje, które odniosły sukces, otrzymały początkowo wiele mutacji (losowych linii kodu), które komplikują rozwiązanie problemów matematycznych, a tym samym reprodukcję. Choć brzmi to paradoksalnie, Ophria odkryła, że wczesne złe mutacje odgrywają kluczową rolę w poprawie sprawności w późniejszych pokoleniach, prawdopodobnie dlatego, że tworzą różnorodność genetyczną, z której mogą powstać nowe losowe mutacje.
Czy rzadkość którejkolwiek z sekwencji wydarzeń potwierdza, że jest mało prawdopodobne, aby wielkie zwroty w ewolucji powtórzyły się? Eksperymentalnie to prawda, ale Conway Morris stanowczo odmawia. „Głupotą jest myślenie, że w ogóle nie ma wypadków. Jedyne pytanie to czas. Uważa, że mając wystarczająco dużo czasu i genomów mutacji, dobór naturalny doprowadzi do nieuniknionych adaptacji, które najlepiej pasują do ekologicznej niszy organizmów, niezależnie od pojawiających się szans. Wierzy, że pewnego dnia wszystkie bakterie E. coli w eksperymencie Lenskiego zaczną wchłaniać cytrynian i wszystkie wirusy Liu wspinają się na Mount Everest. Co więcej, eksperymenty te przeprowadzono w bardzo prostych i kontrolowanych środowiskach, w przeciwieństwie do złożonych ekosystemów, do których przystosowuje się życie poza laboratorium. Ciężko powiedzieć,wpływ świata rzeczywistego zmieniłby eksperymenty.
Jak dotąd największą wadą wszystkich prób odpowiedzi na pytanie dotyczące filmu życia jest to, że biolodzy mogą wyciągać wnioski tylko z jednej biosfery - Ziemi. Spotkanie z organizmem pozaziemskim wiele by nam powiedziało. Nawet jeśli obce organizmy nie mają DNA, najprawdopodobniej będą wykazywać podobne wzorce ewolucyjne. Będą potrzebować materiału do przekazania potomkom, kierującego rozwojem organizmów i zmieniającego się w czasie. Jak mówi Lenski: „To, co jest prawdą dla E. coli, jest prawdą dla drobnoustrojów w całym wszechświecie”.
Dlatego tę samą interakcję między zbieżnością a przypadkiem można zaobserwować na innych planetach. A jeśli życie pozaziemskie doświadcza ewolucyjnej presji ze środowiska podobnego do tego, którego doświadcza życie ziemskie, ludzie w przyszłości mogą znaleźć kosmitów, którzy konwergentnie rozwinęli inteligencję podobną do naszej. Z drugiej strony, jeśli gromadzą się losowe wydarzenia, prowadząc życie po unikalnych ścieżkach, jak sugerował Gould, życie pozaziemskie może być niezwykle dziwne.
Gould uważał, że ludzie są „niezwykle nieprawdopodobnym wydarzeniem ewolucyjnym”. Jako dowód wskazał, że w ciągu 2,5 miliarda lat życia na Ziemi ludzka inteligencja pojawiła się tylko raz. Uważał, że prawdopodobieństwo, że inny gatunek rozwinie inteligencję taką jak nasz, było upiornie małe. Z faktu, że możemy być jedynym inteligentnym gatunkiem we wszechświecie, możemy wyciągać wnioski wykraczające poza biologię. „Niektórzy postrzegają tę możliwość jako przyczynę depresji” - napisał Gould w The Wonderful Life. „Zawsze uważałem ją za ożywczą, źródło zarówno wolności, jak iw konsekwencji moralnej odpowiedzialności”.
Zach Zorich
Tłumaczenie wykonał projekt New
