Među vodozemcima, hydromantes salamander prvak je u brzini pucanja jezika. U manje od pet milisekundi, ona može uhvatiti nesretnog insekta u letu - ovaj put uključuje rad mišića, hrskavice i dijelova kostura. Ako usporedite ovu balističku anatomiju sa žabama i kameleonima, ove posljednje su mrlje. David Wake, evolucijski biolog sa Sveučilišta u Berkeleyu u Kaliforniji, kaže: „Proveo sam oko 50 godina proučavajući evoluciju jezika salamandra. To je zaista zanimljivo, jer se oni uglavnom ne razlikuju velikom brzinom, ali svejedno mogu najbrže kretati one koji su mi poznati kralježnjacima. Kroz njihov razvoj, evolucija je pronašla učinkovitiji način da se osigura uspješan lov s jezikom. Njihova naizgled jedinstvena prilagodba izgledaneovisno razvijen u tri nepovezane vrste salamandra. Ovo je primjer konvergentne evolucije, kada različite jedinke samostalno razvijaju slične biološke prilagodbe pod utjecajem istih okolišnih čimbenika. Salamanderi su omiljeni primjer koji Wake navodi kada mu se postavlja dugogodišnje pitanje evolucijske biologije: Ako namotate vrpcu evolucije, hoće li se ona ponoviti? Očito se to dogodilo u slučaju salamandra; s drugim se organizmima to možda nije dogodilo. Ako namotate vrpcu evolucije, hoće li se ponoviti? Očito se to dogodilo u slučaju salamandra; s drugim se organizmima to možda nije dogodilo. Ako namotate vrpcu evolucije, hoće li se ponoviti? Očito se to dogodilo u slučaju salamandra; s drugim se organizmima to možda nije dogodilo.
Zna se da je ovo pitanje prvi postavio nedavno preminuli evolucijski biolog Stephen Jay Gould 1989. u knjizi Amazing Life: The Burgess Shales and Nature of History, koja je objavljena u doba kad su ljudi još slušali glazbu na kasetama. Knjiga je pripovijedala o fosilima pronađenim u škrilcu iz Burgessa, preostalom od bezbroj čudnih životinja koje su živjele na našem planetu prije otprilike 520 milijuna godina, tijekom kambrijskog razdoblja. Gotovo sve životinje koje postoje danas imaju pretke koji su živjeli u Kambriji, ali nemaju sve životinje iz tog doba potomke u našoj eri. Mnogi kambrijski pojedinci su izumrli zato što su bili nedovoljno prikladni za borbu za opstanak ili zato što su bili na krivom mjestu u pogrešno vrijeme kada su izbijali vulkani, padali meteoriti ili se dogodili drugi razorni događaji.
Gould je vidio nevjerojatnu raznolikost životinjskih ostataka u Burgessu i nagađao kako bi naša flora i fauna izgledale drugačije da je povijest skrenula suprotno. Predložio je da se kaotične mutacije i izumiranja vrsta, koje je nazvao "povijesnim nesrećama" grade jedna na drugoj, krećući evoluciju u jednom ili drugom smjeru. Prema Gouldu, postojanje bilo koje životinje, uključujući i ljude, je rijedak fenomen, čije ponavljanje, u slučaju „premotavanja i pokretanja“iz kambrijskog razdoblja, malo je vjerojatno. Gould se u svojoj knjizi često poziva na rad na fosilu iz Burgessa koji je uradio paleontolog Simon Conway Morris sa Sveučilišta u Cambridgeu, no sam se znanstvenik izrazito ne slaže s Gouldovim gledištem.
Conway Morris vjeruje da će vremenom prirodna selekcija prisiliti organizme na niz prilagodbi kako bi se popunile ograničene ekološke niše Zemlje. To dovodi do činjenice da se nepovezane vrste neprestano konvergiraju u strukturi tijela. "Životinje se moraju graditi u skladu s fizičkim, kemijskim i biološkim zahtjevima ovog svijeta", rekao je. Conway je uvjeren da takva ograničenja čine gotovo neizbježnim da bi u slučaju "premotavanja vrpce" evolucija prije ili kasnije dovela do pojave organizama sličnih onima koji postoje u našem svijetu. Ako naši preci majmuna nisu razvili mozak i um koji je na njega vezan, prema znanstveniku, druga grana poput vrana ili dupina mogla bi zauzeti nišu u kojoj se čovjek sada nalazi. Ali Gould se ne slaže.
Oba znanstvenika priznaju da se nasumičnost i konvergencija (neovisan razvoj do pojave sličnih znakova - otprilike novi zašto) događaju u evoluciji. Umjesto toga, rasprava se usredotočuje na to koliko su jedinstvene ili ponovljive ključne prilagodbe poput ljudskog uma. U međuvremenu su se drugi biolozi pozabavili zagonetkom i pokazali kako konvergencija i slučajnost utječu jedni na druge. Razumijevanje interakcije tih sila može nam pomoći da shvatimo je li sve živo rezultat 7 milijardi godina slučajnosti ili smo svi mi - ljudi i salamanderi - dio neminovnosti, poput smrti ili poreza.
Umjesto da pokušava stvoriti povijest pomoću fosila, Richard Lenski, evolucijski biolog sa Sveučilišta u Michiganu, odlučio je promatrati pojave konvergencije i slučajnosti u stvarnom vremenu u kontroliranom okruženju svog laboratorija. Godine 1988. podijelio je populaciju bakterija Escherichia coli i smjestio ih u 12 zasebnih rezervoara medija s tekućom kulturom, omogućavajući im da rastu neovisno jedan o drugom. Već 26 godina, svakih nekoliko mjeseci, on ili jedan od njegovih učenika smrzava jednu hrpu bakterija. Ovaj zamrznuti set klica daje Richardu mogućnost da "ponovo pokrene film" životnog ciklusa E. coli od svakog trenutka kojeg želi jednostavnim odmrzavanjem jednog dijela. Tijekom cijelog postupka, on može provjeriti,kako se mijenjaju bakterije - i u pogledu genetike i u pogledu onoga što se može vidjeti samo pod mikroskopom. Lenski objašnjava: "Cijeli je eksperiment postavljen da provjeri koliko je evolucija ponovljiva."
U 11 Lenskijevih rezervoara E. coli je porasla u veličini, ali se bakterije u dvanaestom uzorku podijelile u dvije neovisne grane - jedna s velikim stanicama, a druga s malim stanicama. Lenski kaže: „Nazivamo ih„ velikim “i„ malim “. Oni već postoje zajedno već 50 tisuća generacija “. To se nije dogodilo ni u jednoj drugoj populaciji; stoga možemo zaključiti da se dogodio evolucijski slučajni događaj. A čak ni 26 godina kasnije nijedno drugo suđenje nije ponovilo pojavu takve grane. Stoga je u ovoj situaciji izgleda da je prevladala konvergencija.
2003. godine dogodila se još jedna slučajna epizoda. Broj šipki u jednom od rezervoara porastao je do te mjere da je kultura, koja je obično prozirna, postala zamućena. U početku je Lenski odlučio da postoji normalna kontaminacija okoliša, ali kako se ispostavilo, E. coli, koja je normalno jela samo glukozu otopljenu u tekućini, razvila je sposobnost konzumiranja još jednog elementa koji se nalazi u rezervoarima: citrata. Nakon 15 godina i 31.500 generacija, samo je jedna kolonija mogla preraditi ovu tvar. Broj bakterija u njemu počeo je rasti 5 puta brže nego u drugim kolonijama.
Promotivni video:
Ova "povijesna nesreća" dala je Richardu i njegovom diplomiranom Zacharyju Blountu priliku da testiraju vjerojatnost da će se takav događaj ponoviti ako "ponovno namotaju kasetu". Blount je iz skladišta odabrao 72 uzorka smrznutih štapića prikupljenih u različitim fazama eksperimenta iz populacije koja je kasnije mogla ugraditi citrat u svoj metabolizam. On ih je odmrzavao i poticao njihovo razmnožavanje. Ubrzo su 4 od 72 uzorka razvila istu sposobnost konzumiranja citrata. Zanimljivo je da su se ove mutacije dogodile samo u populaciji smrznutoj nakon ciklusa od 30 500 generacija. Genetska analiza pokazala je da je nedugo prije toga nekoliko gena prošlo kroz promjene koje su pridonijele nastanku evolucije metabolizmom citrata. Drugim riječima, sposobnost apsorpcije citrata ovisila je o pojavi drugih mutacija koje su mu prethodile. Stvorio je vilicumijenjajući moguće staze koje buduće generacije mogu krenuti.
Poznat kao Dugoročni evolucijski eksperiment, ovaj E. coli projekt sada je prešao 60 000 generacija, dajući Richardu solidan skup podataka iz kojih se mogu izvući zaključci o interakcijama slučajnosti i konvergencije u evoluciji. Suptilne promjene u DNA bakterija, čineći ih većim ili sposobnijima da se brzo razmnožavaju, postale su česta pojava u raznim rezervoarima. U isto vrijeme, Lenski je bio svjedokom "zapanjujućih" slučajnih događaja u kojima se u nekoj od populacija dogodilo nešto potpuno drugačije od ostalih. No, kao i u fenomenu konvergencije, takve transformacije nisu bile sasvim slučajne.
"Nije sve moguće", bez obzira na postupak, Wake objašnjava: "Organizmi se razvijaju u kontekstu naslijeđenih karakteristika." Životinje ne mogu prenijeti mutacije koje su destruktivne ili sprečavaju razmnožavanje. U slučaju salamandra Hydromantesa, njegovi su preci morali prevladati značajno ograničenje: da bi dobili jezike za pucanje, bilo je potrebno žrtvovati njihova pluća. To je zato što se dio ovog mehanizma razvio iz mišića koje su njihovi prethodnici koristili za ispumpavanje zraka u pluća. Danas je ovaj nekad mali i slab mišić postao mnogo veći i jači. Zavojnica je poput opruge oko konusne kosti na stražnjoj strani usne šupljine, a kada se mišić stegne, kost stvara napetost koja puca jezikom zajedno s njegovim koštanim aparatom iz usta. Dakle, preci Hydromantesa nisu samo stekli mutaciju,koji se razvio u "balistički jezik". Umjesto toga, ta prilagodba uslijedila je nakon niza promjena koje su prvo omogućile stvorenju da prevlada svoju plućnu ovisnost o kisiku i ispliva na površinu vode. Svaka promjena ovisila je o prethodnoj.
Kameleoni su zauzvrat zadržali pluća. Umjesto da se bave anatomijom, razvili su kolagen i omogućili jezik da puca na plijen. Na prvi pogled jezici salamandra i kameleona primjer su konvergencije, ali ako pogledate izbliza, postaje jasno da to nije tako. Za pucanje potrebno je kameleon 20 milisekundi, što je pužev tempo u usporedbi s pet milisekundi salamandra. Zašto su kameleoni dobili tako sporo jezik? Odgovor: Suočili su se s preprekom na putu konvergentne evolucije. Kameleonov jezik je dovoljno brz da bi preživjeli, ali im nedostaje „naslijeđena struktura svojstava“da razviju smrtonosniju balističku anatomiju salamandra. Kameleoni su dostigli "adaptivni vrhunac", kako kažu biolozi.
U eksperimentima s virusima koji inficiraju bakterije - bakteriofage - Harvardski biolog David Liu također je otkrio adaptivne vrhove. Ti vrhovi ograničavaju sposobnost organizama da se konvergiraju na jednu optimalnu strukturu. Objašnjavaju zašto se nesreće ne događaju često.
Liu je želio znati mogu li identične skupine bakteriofaga samostalno razviti isti enzim ako se na njih primjenjuje isti evolucijski tlak. Ubrzao je evoluciju proteina u virusima koristeći sustav koji je nazvao PACE.
Tijekom eksperimenta, virusi koji nisu uspjeli proizvesti enzim koji je Liu potreban uklonjeni su iz pokusa. Ostali su samo oni koji su postigli cilj. Neki od njih pokazali su enzim "boljim" od drugih. U tom su slučaju zahtijevali enzim polimerazu, koji detektira određeni slijed DNK i pretvara ga u RNA, a neke polimeraze prepoznale su sekvencu preciznije od drugih. Kao i relativno usporeni jezik kameleona, i ovi su virusi razvili prilagodbe koje im omogućuju preživljavanje, ali im sprječavaju da dobiju najbolju polimerazu. Neki su se virusi zaglavili na niskom vrhuncu, neki su se popeli na više.
Da biste razumjeli što biolozi znače pod prilagodljivim vrhovima, zamislite područje čija topografija predstavlja visoku i nisku razinu reproduktivnog potencijala. U slučaju Liu-ovih bakteriofaga, različite su populacije proučavale to područje, stječući različite mutacije. Neki su završili na malim brdima, neki na planinama veličine Everest. I tako su se počeli penjati na vrh koji su dobili. Nakon uspona na niskoj planini, virusi se ne mogu prebaciti na drugu, višu. Da bi to učinili, prvo će se morati vratiti dolje, smanjujući svoju šansu za preživljavanje svakim korakom. To je vrlo teško učiniti, jer se ne smije zaboraviti na opstanak najboljih. Koja će se mutacija dogoditi prije drugih - koji će vrh ići tijelu - ovo je povijesna nesreća, koju konvergentna evolucija može prevladati samo s velikim poteškoćama,ako to uopće može.
Vremena pojave mutacija su bitna. "Rani slučajni događaji koji stvaraju razliku u genskom fondu mogu značajno utjecati na to može li korisna mutacija na kraju utjecati na preživljavanje organizma", objašnjava Liu. "Ove nesreće smanjuju ponovljivost evolucije." U ovom je eksperimentu slučajnost prevladala konvergenciju. Događaji koji su se spriječili spriječili su povratak.
Jedan način na koji život može prevladati ograničenja adaptivnih vrhova otkrio je tijekom proučavanja digitalnih organizama računalni biolog s Državnog sveučilišta Michigan Chris Adami i Charles Ofria. Stvorili su računalni program Avida, u kojem se digitalni organizmi razvijaju u uvjetima koje je postavio eksperimentator. Avionisti mutiraju, nasumično stječući i gube retke koda koje im omogućuju rješavanje matematičkih problema, što povećava njihovu sposobnost reprodukcije.
U jednom eksperimentu, Avionisti su dobili zadatak da dobiju sposobnost rješavanja složenog logičkog problema "bitnost identiteta". Samo 4 od 50 digitalnih populacija razvilo je kod potreban za obavljanje operacije. Sve uspješne populacije u početku su dobile mnogo mutacija (slučajnih linija koda) koje kompliciraju rješenje matematičkih problema, a samim tim i reprodukcije. Ma kako to paradoksalno zvučalo, Ofria je otkrio da rane loše mutacije igraju ključnu ulogu u poboljšanju kondicije u kasnijim generacijama, možda zato što stvaraju genetsku raznolikost iz koje mogu nastati nove slučajne mutacije.
Potvrđuje li rijetkost bilo koji niz događaja da se veliki preokreti u evoluciji više neće ponoviti? Eksperimentalno je to istina, ali Conway Morris odlučno kaže ne. „Glupo je misliti da uopće nema nesreća. Jedino je pitanje vrijeme. Vjeruje da će s dovoljno vremena i genoma mutacije prirodna selekcija dovesti život u neizbježne prilagodbe koje su najprikladnije za ekološku nišu organizama, bez obzira na šanse koje nastaju. Vjeruje da će jednoga dana sve bakterije E.coli u Lenski pokusu početi apsorbirati citrate i da će se svi virusi Liu popeti na njihov Mount Everest. Štoviše, ti su pokusi izvedeni u vrlo jednostavnim i kontroliranim okruženjima, za razliku od složenih ekosustava kojima se prilagođava život izvan laboratorija. Teško za reći,utjecaj stvarnog svijeta promijenio bi eksperimente.
Do danas je najveći promašaj svih pokušaja da se odgovori na pitanje životnog filma taj što biolozi mogu izvući zaključke iz samo jedne biosfere - Zemlje. Susret s izvanzemaljskim organizmom mogao bi nam puno reći. Čak i ako vanzemaljski organizmi nemaju DNK, oni će najvjerojatnije pokazati slične evolucijske obrasce. Trebat će im materijal da se proslijedi potomcima, usmjeravajući razvoj organizama i mijenjajući se tijekom vremena. Kao što Lenski kaže, "Ono što vrijedi za E. coli, istina je i za mikrobe u cijelom svemiru."
Stoga se ista interakcija konvergencije i slučajnosti može primijetiti i na drugim planetima. A ako vanzemaljski život doživljava evolucijski pritisak iz okruženja sličnog onome koji doživljava zemaljski život, ljudi budućnosti mogu naći strance koji su konvergentno razvili inteligenciju sličnu našoj. S druge strane, ako se akumuliraju nasumični događaji, vodeći život jedinstvenim stazama, kao što je Gould sugerirao, vanzemaljski život može biti neobično čudan.
Gould je vjerovao da su ljudi "izuzetno malo vjerovatno evolucijski događaj". Kao dokaz, on je istakao da se u 2,5 milijarde godina života na Zemlji ljudska inteligencija pojavila samo jednom. Smatrao je da je vjerojatnost da će druga vrsta razviti inteligenciju poput naše bila sablasno mala. Iz činjenice da smo možda jedina inteligentna vrsta u svemiru, možemo izvući zaključke koji nadilaze biologiju. "Neki vide tu mogućnost kao razlog za depresiju", napisao je Gould u časopisu The Wonderful Life. "Oduvijek sam je smatrao poticajnom, izvorom slobode i, kao posljedice, moralne odgovornosti."
Zach Zorich
Prevod je obavio projekt Novo