Nedavna znanstvena otkrića dovela su neke znanstvenike do zaključka da je potrebno prilagoditi i dopuniti sintetsku teoriju evolucije.
Kevin Lalande obišao je konferencijsku sobu koja je skupila nekoliko stotina ljudi kako bi razgovarali o budućnosti evolucijske biologije. Jedan od kolega sjeo je s njim i pitao ga kako misli da se stvari odvijaju na ovom području.
"Čini se da sve ide dobro", odgovorio je Laland. "Još nije bilo ozbiljnih sporova."
Kevin Lalande evolucijski je biolog na Sveučilištu St Andrews u Škotskoj. Hladnog, oblačnog studenog poslijepodneva otputovao je u London kako bi bio domaćin sastanka Kraljevskog znanstvenog društva o novim trendovima u evolucijskoj biologiji. Dvorana je bila ispunjena biolozima, antropolozima, liječnicima, informatičarima i samoproglašenim ideologima. Kraljevsko društvo znanosti smješteno je u veličanstvenoj zgradi s pogledom na park Svetog Jakova. Jedino što je Lalande danas mogao vidjeti iz visokih prozora konferencijske dvorane bili su skele i fasadna mreža za radove na obnovi. Unutra, nadao se Lalande, danas bi također trebala biti modernizacija, ali drugačijeg tipa.
Sredinom 1900-ih, biolozi su nadopunili Darwinovu teoriju evolucije novim nalazima iz genetike i drugih područja znanosti. Rezultat toga bila je takozvana "sintetička teorija evolucije" koja već 50 godina postavlja smjer evolucijske biologije. Tada su znanstvenici saznali mnogo činjenica o tome kako život funkcionira, a sada mogu slijediti čitave genome, gledati kako se geni uključuju i isključuju u razvoju embrija i kako životinje i biljke reagiraju na promjene u okolini.
Kao rezultat toga, Lalande i skupina biologa koji s njim dijele isto mišljenje zaključili su da sintetičku teoriju evolucije treba revidirati. Bilo mu je potrebno dati mu novi oblik vizije evolucije, koji su nazvali pojmom "proširene sinteze". Ostali biolozi izrazili su svoje neslaganje, tvrdeći da nema dovoljno osnova za takav pomak paradigme.
Ovaj sastanak u Royal Society of Science bio je prva javna konferencija na kojoj su Lalande i njegovi kolege imali priliku predstaviti svoje stavove o tom pitanju. Ali Lalande nije bio raspoložen da samo propovijeda svoje stavove istomišljenicima, pa su na konferenciju pozvani i ugledni evolucijski biolozi koji su bili skeptični prema načelima proširene sinteze.
Obje su strane iznijele svoja stajališta i kritike na civilizirani način, ali ponekad je bila prisutna napetost u publici, izražena klikanjem, valjanjem očiju i blagim aplauzima.
Promotivni video:
Ali do tuča nikad nije došlo. Barem za sada.
Evolucija kao i obično
Za svaku znanost dolazi vrijeme preobrazbe i vrijeme kada se stvari odvijaju kao i obično. Nakon što su Galileo i Newton izvlačili fiziku iz starih zabluda u 1600-ima, počeo je prelaziti od jednog skromnog postignuća do drugog sve do 1900-ih. Tada su Einstein i drugi znanstvenici postavili temelje kvantne fizike, iznijeli teoriju relativnosti i druge nove načine spoznavanja svemira. Nitko od njih nije tvrdio da Newton nije u pravu. Ali ispada da svemir zapravo nije samo materija u pokretu.
Evolucijska biologija imala je svoje revolucije. Prvi je sigurno započeo 1859. godine s Charlesom Darwinom Poreklo vrsta. Darwin je kombinirao informacije iz područja paleontologije, embriologije i drugih znanosti kako bi pokazao zajedničko podrijetlo svih živih organizama. Također je predstavio koncept prirodne selekcije, mehanizam za upravljanje tim dugoročnim promjenama. Svaka generacija vrsta pokazala je veliku varijabilnost. Ponekad je pomagao organizmima da prežive i razmnožavaju se, zahvaljujući nasljednosti, prenoseći na sljedeće generacije.
Darwin je nadahnuo biologe širom svijeta da proučavaju životinje i biljke iz nove perspektive, tumačeći njihovu biologiju kao prilagodbe prethodnih generacija. I uspio je u tome, unatoč činjenici da nije imao pojma o genima. Tek 1930-ih genetičari i biolozi udružili su snage i reformulirali evolucijsku teoriju. Nasljednost je shvaćena kao prijenos gena s generacije na generaciju. Promjene su nastale zbog mutacija koje su se mogle miješati kako bi se stvorile nove kombinacije. Nove vrste pojavile su se kad su formirane mutacije u populacijama koje su onemogućile križanje među vrstama.
Godine 1942. britanski biolog Julian Huxley opisao je taj novi koncept u svojoj knjizi Evolucija: Moderna sinteza. Znanstvenici još uvijek koriste ovo ime. (Ponekad ga nazivaju neo-darvinizmom, iako je izraz zapravo zabludu. Izraz neo-darvinizam skovan je 1800-ih, a upotrebljavali su ga biolozi koji su za vrijeme svog života promicali Darwinove ideje.)
Sintetička teorija evolucije pokazala se moćnim oruđem na polju pitanja povezanih s prirodom. Znanstvenici su ga koristili za mnoga otkrića povijesti života, poput razloga zašto su neki ljudi skloni genetskim bolestima poput srpastih staničnih bolesti ili zašto pesticidi prije ili kasnije prestanu djelovati na štetočinama. No, ubrzo nakon formiranja koncepta moderne sinteze, razni biolozi počeli su se povremeno žaliti na njegovu pretjeranu kategoričnost. Međutim, tek je u posljednjih nekoliko godina Lalande i drugi znanstvenici uspjeli ujediniti i koordinirati napore kako bi razvili načela proširene evolucijske sinteze koja bi ga mogla zamijeniti.
Istraživači ne smatraju sintetsku teoriju evolucije pogrešnim konceptom - ona jednostavno nije sposobna odražavati svo bogatstvo evolucije. Organizmi nasljeđuju više od samo gena - oni mogu naslijediti ostale stanične molekule, kao i ponašanja koja uče i staništa svojih predaka. Lalande i njegovi kolege također osporavaju važnu ulogu prirodne selekcije u objašnjavanju kako je život nastao onakav kakav danas poznajemo. Na tijek evolucije mogu utjecati i drugi procesi, od pravila prema kojima se vrste razvijaju, do vanjskih uvjeta njihova prebivališta.
"Ne radi se o tome da sve više i više strojeva uvijamo u ono što već imamo", rekao je Lalande. "Uzročnost moramo pogledati iz drugog kuta."
Dopunjavajući Darwina
Biologinja sa Sveučilišta u Tel Avivu Eva Jablonka u svom govoru pokušala je analizirati dokaze da ne samo geni mogu odrediti oblike nasljeđivanja.
Naše stanice koriste brojne molekule da prepoznaju koji geni čine proteine. Na primjer, u procesu koji se naziva metilacija, stanice ograničavaju svoj DNK da bi se neki geni zatvorili. Kad se stanice podijele, mogu se poslužiti istim principom, kontrolirajući tako novu DNK. Određeni signali primljeni iz okoline mogu uzrokovati da stanice promijene takozvanu "epigenetsku" kontrolu, omogućujući organizmima da se prilagode novim uvjetima.
Neka istraživanja pokazuju da se pod određenim okolnostima epigenetske promjene u roditelju mogu prenijeti na potomstvo. A oni, zauzvrat, mogu taj djeci prenijeti taj izmijenjeni epigenetski kod. Ovo je vrsta nasljeđivanja izvan gena.
Ovo se načelo nasljeđivanja posebno jasno vidi kod biljaka. U jednom istraživanju, znanstvenici su uspjeli ući u trag izmijenjenom obrascu metilacije do 31 generacije pomoću biljke zvane Arabidopsis. Ova vrsta nasljeđivanja može značajno promijeniti funkcioniranje tijela. U drugoj studiji, znanstvenici su otkrili da naslijeđeni obrasci metilacije mogu promijeniti vrijeme cvjetanja Arabidopsis i utjecati na veličinu njegovih korijena. Promjenjivost uzrokovana ovim obrascima bila je veća od one uzrokovane običnim mutacijama.
Nakon iznošenja dokaza, gđa Yablonka je tvrdila da bi epigenetske razlike mogle odrediti zrelost organizama za reprodukciju. "Prirodna selekcija mogla bi utjecati na ovaj sustav", rekla je.
Budući da prirodna selekcija ima značajan utjecaj na tijek evolucije, sudionici konferencije iznijeli su dokaze o tome kako se ona može ograničiti ili premjestiti u drugom smjeru. Biolog sa Bečkog sveučilišta Gerd Müller naveo je primjer vlastitog istraživanja o gušterima. Neke su vrste guštera izgubile nožne prste na zadnjim nogama tijekom evolucije. Neke su vrste imale samo četiri nožna prsta, druge samo jedan, a neke su u potpunosti izgubile udove.
Prema Muelleru, sintetička teorija evolucije navodi znanstvenike da ove mehanizme gledaju kao na jednostavno rezultat prirodne selekcije, što pogoduje jednoj mogućnosti zbog svojih prednosti u preživljavanju. No, ovaj pristup neće uspjeti ako se pitate koja je prednost za određenu vrstu jedinki u gubitku prvog i zadnjeg prsta, a ne bilo kojeg drugog.
"Odgovor na to pitanje je da nema stvarne selektivne prednosti", rekao je Mueller.
Ključ razumijevanja zašto gušteri gube određene nožne prste je prvenstveno u tome kako se razvijaju prsti guštera u embrionalnom stanju. Procesi se prvo pojavljuju na stranama, a zatim se iz njih razvija pet prstiju, uvijek u istom slijedu. I izgube ih tijekom evolucije obrnutim redoslijedom. Müller sugerira da su takva ograničenja uzrokovana nesposobnošću mutacija da reproduciraju sve moguće promjene u svojstvu. Određene kombinacije prstiju su stoga nedostupne, a prirodni odabir ih uopće ne može odabrati.
Razvoj može ograničiti evoluciju, a s druge strane obdaruje životinje i biljke velikom plastičnošću. Sonia Sultan, evolucijska ekologinja sa Sveučilišta Wesleyan, u svom je govoru dala znatiželjan primjer, govoreći o biljci obitelji heljde koja je proučavala, operici.
U okviru moderne sinteze, rekao je Sultan, prilagodba planinara činit će vam se precizno podešenim rezultatom prirodne selekcije. Ako raste u uvjetima slabog osvjetljenja, prirodna selekcija pogoduje biljkama s izmijenjenim osobinama koje im omogućuju da napreduju u okolišu, na primjer, razvijajući šire lišće za fotosintezu. A oni koji rastu na jakoj sunčevoj svjetlosti razvijaju prilagodbe za uspješan rast u različitim uvjetima.
"To govori u prilog gledišta da je naš sastanak posvećen suprotstavljanju", rekao je Sultan.
Ako uzgajate genetski identične biljke knotweed pod različitim uvjetima, završite s biljkama koje kao da pripadaju različitim vrstama.
Za početak, pepermint prilagodi veličinu svojih listova količini sunčeve svjetlosti koju primi. Na jakom svjetlu njihovi listovi postaju uski i gusti, a pri slabom svjetlu postaju široki i tanki. U suhom tlu ove biljke ukorjenjuju se duboko u zemlju u potrazi za vodom, a u dobro vlaženom tlu korijeni postaju kratki, dlakavi i plitki.
Znanstvenici na sastanku tvrdili su da takva plastičnost sama po sebi može doprinijeti tijeku evolucije. Na primjer, omogućava biljkama da se šire u različitim staništima, na koje prirodna selekcija zatim prilagodi svoje gene. Među govornicima bila je i Susan Anton, paleoantropologinja sa njujorškog sveučilišta, koja je tvrdila da plastičnost može igrati značajnu ulogu u dosad podcijenjenoj ljudskoj evoluciji. To je zato što je u posljednjem pola stoljeća moderna sinteza značajno utjecala na njeno proučavanje.
Paleoantropolozi su skloni tretirati osobine koje se nalaze u fosilima kao rezultat genetskih razlika. To im je omogućilo da ponovo stvore čovjekovo evolucijsko stablo i izumrle forme. Pristalice ovog pristupa postigle su značajne rezultate, priznao je Anton. Do 1980-ih znanstvenici su shvatili da su prije dva milijuna godina naši rani rođaci bili mali i imali su mozak. Tada su predstavnici jedne od linija nasljeđivanja postali viši i razvili su veliki mozak. Taj je prijelaz označio porijeklo naše vrste, Homo.
Ali ponekad su paleoantropolozi pronašli varijacije koje su bile teško razumljive. Čini se da dva fosila na neki način pripadaju istoj vrsti, ali kod drugih vrlo različiti. Znanstvenici često ignoriraju takve razlike izazvane okolišem. "Htjeli smo sve to riješiti i doći do točke", rekao je Anton.
Ali "sve to" je previše zanemariti. Znanstvenici su otkrili nevjerojatnu raznolikost humanoidnih fosila koji datiraju prije 1,5 i 2,5 milijuna godina. Neki su visoki, a neki nisu, neki imaju veliki mozak, a neki mali mozak. Svi njihovi kostur dijele Homo osobine, ali svaki ima zbunjujuću kombinaciju razlika.
Anton vjeruje da principi napredne sinteze mogu pomoći znanstvenicima da smisle ovu zbunjujuću priču. Ona osobito vjeruje da bi njezini kolege trebali shvatiti plastičnost ozbiljno kao objašnjenje za čudnu raznolikost ranih ljudskih fosila.
U prilog toj ideji, Anthon je napomenuo da živi ljudi imaju svoju vrstu plastičnosti. Kvaliteta hrane koju žena primi tijekom trudnoće može utjecati na rast i zdravlje djeteta, a utjecaj se može pratiti do odrasle dobi. Štoviše, veličina same žene koja dijelom ovisi o prehrani vlastite majke može utjecati na njezinu djecu. Biolozi su, na primjer, otkrili da su djeca žena s dugim nogama uglavnom viša od svojih vršnjaka.
Anthon je sugerirao da bi čudne promjene iz paleontološke arhive mogle biti još dramatičniji primjeri plastičnosti. Svi ti fosili potječu iz vremena kada je klima Afrike bila u ekstremnim fluktuacijama. Suše i obilne kiše mogli bi promijeniti prehrambene resurse u različitim dijelovima svijeta, uzrokujući da se rani ljudi razvijaju u drugom smjeru.
Proširena teorija evolucijske sinteze također nam može pomoći da se pozabavimo još jednim poglavljem naše povijesti - nastankom poljoprivrede. U Aziji, Africi i Americi ljudi imaju domaće usjeve i stoku. Smithsonijska arheologinja Melinda Zeder govorila je o problematičnom razumijevanju načina na koji se ta transformacija mogla dogoditi.
Prije nego što su ljudi započeli poljodjelstvo, morali su dobiti vlastitu hranu i divljač. Zeder je objasnio koliko znanstvenika tumači ponašanje skupljača u kontekstu moderne evolucijske sinteze: kao nešto što je vrhunski regulirano prirodnom selekcijom kako bi dobili bolje nagrade za svoje napore u pronalaženju hrane.
Teško je zamisliti kako su se takvi sakupljači uopće prebacili na poljoprivredu. "Ne dobijate odmah zadovoljstvo kada zgrabite hranu i stavite je u usta", rekao mi je Zeder.
Neki znanstvenici sugeriraju da je prijelaz na poljoprivredu mogao doći tijekom klimatskih promjena, kada je pronalazak divljih biljaka postalo mnogo teže. Ali Zeder i drugi nisu pronašli nikakve dokaze o krizi u kojoj bi poljoprivreda mogla nastati.
Zeder tvrdi da o tom pitanju postoji još jedno gledište. Ljudi nisu poslušni zombiji koji pokušavaju preživjeti u stalnom okruženju, već kreativno misleći pojedinci koji mogu sami promijeniti okoliš i usmjeriti evoluciju u novom smjeru.
Znanstvenici ovu zgradu ekološke niše nazivaju procesom koji uključuje mnoge vrste. Među klasičnim slučajevima vrijedi izdvojiti dabrove. Oni sječu stabla i grade branu, stvarajući ribnjak. U tim će novim uvjetima neke vrste biljaka i životinja biti bolje od drugih. I oni će se na nove načine prilagoditi svom okruženju. To vrijedi ne samo za biljke i životinje koje žive oko ribnjaka, nego i same dabrove.
Prema Zederu, njezino prvo upoznavanje s konceptom izgradnje ekološke niše bilo je otkriće za nju. "Bilo je to poput malih eksplozija u mojoj glavi", rekla mi je. Arheološki nalazi koje su sakupili ona i drugi znanstvenici pomoći će razumjeti kako su ljudi uspjeli promijeniti okolinske uvjete.
Čini se da su se rani sakupljači divljim biljkama udaljili od svojih prirodnih staništa tako da ih se uvijek može naći pri ruci. Zalijevanjem biljaka i zaštitom od biljojeda ljudi su im pomogli da se prilagode na svoje novo okruženje. Korovske vrste također su promijenile svoje stanište i postale neovisne poljoprivredne kulture. Neke su se životinje također prilagodile svom okolišu, postajući psi, mačke i druge domaće vrste.
Postupno, od kaotično raštrkanih mrlja zemlje naseljene divljim biljkama, uvjeti okoliša promijenili su se u gusto smještena obradive polja. To je pridonijelo ne samo evoluciji biljaka, već i razvoju kulture među seljacima. Umjesto da lutaju svijetom poput nomada, nastanili su se u selima i dobili priliku obrađivati zemlju oko sebe. Društvo je postalo stabilnije jer djeca dobivaju ekološku baštinu od svojih roditelja. Tako je započela civilizacija.
Izgradnja ekološke niše samo je jedan od mnogih naprednih koncepata evolucijske sinteze koji nam mogu pomoći u razumijevanju procesa pripitomljavanja, rekao je Zeder. Tijekom svog govora, ona je predstavila razna predviđanja koja se kreću po klizanju, u rasponu od pokreta ranih sakupljača do tempa evolucije biljaka.
"Osjećao sam se kao reklama za principe proširene evolucijske sinteze", rekao mi je Zeder kasnije, smijući se. - Ali to nije sve! Možete dobiti set kuhinjskih noževa!"
Povratak prirodne selekcije
Među onima u sobi bio je i biolog po imenu David Schacker, istraživač sa Sveučilišta St Andrews. Mirno je slušao rasprave dan i pol, a sada je odlučio sam uzeti riječ i podigao ruku.
Govornik ispred njega bio je Denis Noble, fiziolog sa šokom sive kose i plave jakne. Noble, koji je veći dio karijere proveo na Oxfordu, rekao je da je započeo kao tradicionalni biolog, koji je vjerovao da su geni glavni uzrok svega u tijelu. No posljednjih godina se predomislio i počeo govoriti o genomu ne kao osnovu za život, već o osjetljivom organu koji otkriva stres i koji je u stanju obnoviti kako bi prevladao probleme. "Dugo mi je trebalo da dođem do ovog zaključka," rekao je Noble.
Kako bi ilustrirao ovo novo stajalište, Noble je govorio o raznim nedavnim eksperimentima. Jednu od njih objavio je prošle godine tim na Sveučilištu u Readingu, a bila je studija bakterija koje se kreću kroz okoliš koristeći dugačke, rotirajuće repove.
Prije svega, znanstvenici su izolirali gen iz DNK bakterija koji je odgovoran za rast repa. Potom su dobivene jedinke bez repa smjestili u petrijevu posudu uz malu zalihu hrane, koju su ubrzo pojeli. Bez sposobnosti kretanja umrli su. U manje od četiri dana u ovim teškim uvjetima bakterija je ponovno počela plivati. Nakon pomnog pregleda, otkriveno je da su uzgajali nove repove.
"Strategija je stvoriti brze evolucijske promjene u genomu kao odgovor na štetne vanjske utjecaje", objasnio je Noble publici. "To je samoodrživ sustav koji omogućava da se određena svojstva manifestiraju neovisno o DNK."
Shaker to nije smatrao uvjerljivim, a nakon što je aplauz utihnuo, odlučio je ući u raspravu s Nobleom.
"Možete li komentirati mehanizam ovog otkrića?" - upita Shaker.
Plemić je počeo mucati. "Ja mogu, da, mehanizam općenito, mehanizam", rekao je, a zatim počeo govoriti o mrežama i pravilima i grozničavoj potrazi za izlazom iz krize. "Trebate se uputiti na izvorni tekst izvješća", rekao je tada.
Dok se Noble trudio odgovoriti, Shaker pogleda otvoreno predavanje u međuspremnik. I počeo je naglas čitati jedan odlomak.
"Naša otkrića pokazuju da prirodna selekcija može brzo promijeniti regulatorne mreže", pročitao je Shaker i odložio svoj iPad. "Ovo je prekrasan, upravo predivan primjer brze ne-darvinističke evolucije", rekao je.
Shaker je stekao samu srž osjećaja znatnog broja skeptika s kojima sam mogao razgovarati na konferenciji. Ambiciozna retorika o promjeni paradigme uglavnom je bila neutemeljena, rekli su. Međutim, ovi skeptici nisu ostali u sjeni. Neki od njih odlučili su se osobno izjasniti.
"Mislim da se od mene očekuje da razgovaram o jurskoj evoluciji", rekao je Douglas Futuima i zauzeo postolje. Futuima je tečni biolog sa sveučilišta Stony Brook u New Yorku i autor je velikog udžbenika o evoluciji. Tijekom sastanka bio je preplavljen prigovorima da udžbenici malo pažnje posvećuju takvim stvarima kao što su epigenetika i plastičnost. U stvari, Futuima je upravo pozvan da objasni kolegama zašto se ti pojmovi zanemaruju.
"Moramo priznati da su osnovna načela sintetske teorije evolucije snažna i valjana", rekao je Futuima. I ne samo to, dodao je, ali sorte biologije o kojima je raspravljano u Kraljevskom društvu nisu baš sve tako nove. Tvorci sintetske teorije evolucije spomenuli su ih prije više od 50 godina. Da bismo ih razumjeli, provedena su mnoga istraživanja utemeljena na modernoj evolucijskoj sintezi.
Uzmi plastičnost. Varijacije genetičkih životinja ili biljaka reguliraju raspon oblika u koje se organizam može razviti. Mutacije mogu promijeniti ovaj raspon. A matematički modeli prirodne selekcije pokazuju kako može promovirati određene vrste plastičnosti na štetu drugih.
Ako teorija produljene evolucijske sinteze nikome nije potrebna, kako je moguće da joj je posvećen čitav sastanak u Kraljevskom društvu znanosti? Futuima je sugerirao da je to zanimanje više emocionalno nego znanstveno. Njegovi su principi učinili život pokretačkom silom, a ne uspavanim oružjem mutacije.
"Mislim da se znanost ne može temeljiti na onome što se nama čini emocionalno ili estetski privlačnijim", rekao je Futuima.
Ipak, pokušao je pokazati kako bi istraživanje o kojem se raspravljalo moglo donijeti zanimljive zaključke o evoluciji. Ali ovi zaključci mogu nastati samo kao rezultat napornog rada, što povlači za sobom pouzdane podatke. "Na tu je temu napisano dovoljno eseja i izvještaja", rekao je.
Neki su se članovi publike počeli svađati s Futuimom. Ostali skeptični govornici bili su prestrašeni argumentima za koje su smatrali da su besmisleni. Ali sastanak je ipak završen trećeg dana bez ikakve borbe.
"Ovo je vjerojatno prvi od mnogih, mnogo sastanaka", rekla mi je Lalande. U rujnu je konzorcij znanstvenika u Europi i Sjedinjenim Državama dobio sredstva u iznosu od 11 milijuna dolara (od čega je 8 milijuna dolara od John Templeton Foundation) za provođenje 22 studije o načelima napredne evolucijske sinteze.
Mnoge od ovih studija testirat će predviđanja koja su proizašla iz sintetske teorije evolucije u posljednjih nekoliko godina. Oni će, primjerice, otkriti mogu li vrste koje grade svoje stanište - paučine, gnijezdo stršljena i slično - mogu prerasti u više vrsta od onih koje to ne čine. Također će razmotriti omogućuje li visoka plastičnost brže prilagođavanje novim uvjetima.
"To istraživanje traže naši kritičari", rekao je Lalande. "Idi i nađi dokaze."