Medzi obojživelníkmi je mlok Hydromantes majstrom rýchlosti vypaľovania jazyka. Za menej ako päť milisekúnd môže za letu chytiť nešťastného hmyzu - tentoraz zahŕňa prácu svalov, chrupavky a častí kostry. Ak porovnáte túto balistickú anatómiu so žabami a chameleónmi, potom ide o svahy. David Wake, evolučný biológ na Kalifornskej univerzite v Berkeley, hovorí: „Strávil som asi 50 rokov štúdiom vývoja jazykov mloka. Je to skutočne zaujímavé, pretože sa vo všeobecnosti nelíšia vo vysokej rýchlosti, ale napriek tomu môžu oznámiť najrýchlejší pohyb tých, ktoré sú k dispozícii stavovcom. ““Počas svojho vývoja našla evolúcia efektívnejší spôsob zabezpečenia úspešného lovu jazykom. Zdá sa, že ich zdanlivo jedinečná adaptácia jenezávisle sa vyvinuli v troch nepríbuzných druhoch mloka. Toto je príklad konvergentnej evolúcie, keď rôzni jednotlivci nezávisle vyvíjajú podobné biologické adaptácie pod vplyvom rovnakých environmentálnych faktorov. Salamandri sú obľúbeným príkladom, ktorý Wake cituje, keď sa opýta na dlhotrvajúcu otázku evolučnej biológie: Ak pretočíte pásku evolúcie, zopakuje sa to? Zdá sa, že toto sa stalo v prípade mlokov; s inými organizmami sa to nemusí stať.ak pretočíte pásku evolúcie, zopakuje sa to? Zdá sa, že toto sa stalo v prípade mlokov; s inými organizmami sa to nemusí stať.ak pretočíte pásku evolúcie, zopakuje sa to? Zdá sa, že toto sa stalo v prípade mlokov; s inými organizmami sa to nemusí stať.
O tejto otázke je známe, že ju prvýkrát položil nedávno zomrelý evolučný biológ Stephen Jay Gould v roku 1989 v Amazing Life: The Burgess Slates and Nature of History, ktorý vyšiel v ére, keď ľudia stále počúvali hudbu na zvukových kazetách. Kniha hovorila o fosíliách nájdených v burgessovej bridlici, ktoré zostali z nespočetných podivných zvierat, ktoré žili na našej planéte asi pred 520 miliónmi rokov, v období kambria. Takmer všetky zvieratá, ktoré dnes existujú, majú predkov, ktorí žili v Kambriane, ale nie všetky zvieratá z tejto doby majú v našej dobe potomkov. Mnoho kambrijských jedincov zaniklo, pretože neboli dostatočne vhodní na boj o prežitie, alebo preto, že boli na nesprávnom mieste v nesprávny čas, keď vypukli sopky, padli meteority alebo nastali iné ničivé udalosti.
Gould videl neuveriteľnú rozmanitosť živočíšnych pozostatkov v Burgessu a špekuloval, že by naša flóra a fauna vyzerala inak, keby sa história obrátila opačným smerom. Navrhoval, aby chaotické mutácie a vyhynutia druhov, ktoré nazval „historické nehody“, sa stavali na sebe a vyvíjali vývoj v jednom alebo druhom smere. Podľa Goulda je existencia akéhokoľvek zvieraťa, vrátane ľudí, zriedkavým javom, ktorého opakovanie v prípade „vzad a vypustenia“z obdobia kambria je nepravdepodobné. Vo svojej knihe sa Gould často odvoláva na prácu na Burgessovej fosílii paleontológom Simonom Conwayom Morrisom z University of Cambridge, ale samotný vedec s Gouldovým názorom veľmi nesúhlasí.
Conway Morris verí, že v priebehu času prírodný výber núti organizmy podstúpiť sériu úprav, aby vyplnili obmedzené ekologické výklenky Zeme. To vedie k tomu, že nesúvisiace druhy sa neustále zbližujú v štruktúre tela. "Zvieratá sa musia stavať v súlade s fyzikálnymi, chemickými a biologickými požiadavkami tohto sveta," uviedol. Conway je presvedčený, že takéto obmedzenia spôsobujú takmer nevyhnutnosť, že v prípade „pretočenia pásky“by vývoj skôr alebo neskôr viedol k vzniku organizmov podobných tým, ktoré existujú v našom svete. Keby naši predkovia opíc nevyvinuli mozog a myseľ k nej pripojená, podľa vedcov by mohla výklenok, v ktorom je teraz človek, obsadiť inú vetvu, ako sú vrany alebo delfíny. Ale Gould nesúhlasí.
Obaja vedci uznávajú, že v evolúcii dochádza k náhodnosti a konvergencii (nezávislý vývoj až do objavenia sa podobných príznakov - približne nový dôvod). Namiesto toho sa diskusia zameriava na to, aké jedinečné alebo opakovateľné kľúčové úpravy, ako je ľudská myseľ, sú. Medzitým sa ostatní biologici zaoberali hádankou a ukázali, ako sa konvergencia a náhodnosť navzájom ovplyvňujú. Porozumenie vzájomnému pôsobeniu týchto síl nám môže pomôcť zistiť, či je všetko živé výsledkom 7 miliárd rokov náhodných náhod, alebo či sme my - ľudia, ako aj mloci - súčasťou neodvratnosti, ako je smrť alebo dane.
Namiesto pokusu o obnovenie histórie pomocou fosílií sa Richard Lenski, evolučný biológ na University of Michigan, rozhodol pozorovať v kontrolovanom prostredí svojej laboratória fenomény konvergencie a náhody v reálnom čase. V roku 1988 rozdelil populáciu baktérií Escherichia coli a umiestnil ich do 12 samostatných rezervoárov tekutých kultivačných médií, čo im umožnilo rásť nezávisle od seba. Už 26 rokov, každých niekoľko mesiacov, on alebo jeden z jeho študentov zmrazujú jednu dávku baktérií. Táto súprava na zmrazené klíčky dáva Richardovi možnosť „reštartovať film“životného cyklu E. coli od momentu, keď chce jednoducho rozmraziť jednu porciu. Počas celého procesu môže skontrolovať,ako sa baktérie menia - tak z hľadiska genetiky, ako aj z hľadiska toho, čo možno vidieť iba pod mikroskopom. Lenski vysvetľuje: „Celý experiment bol zostavený tak, aby otestoval opakovateľný vývoj.“
V 11 Lenských nádržiach sa veľkosť E. coli zväčšila, ale baktérie v dvanástej vzorke sa rozdelili na dve nezávislé vetvy - jednu s veľkými bunkami, druhú s malými bunkami. Lenski hovorí: „Nazývame ich„ veľkými “a„ malými “. Už spolu žijú už 50 000 generácií. “To sa nestalo u žiadnej inej populácie; preto môžeme konštatovať, že došlo k evolučne náhodnej udalosti. A ani o 26 rokov neskôr žiadny ďalší pokus neopakoval výskyt takejto vetvy. Zdá sa teda, že v tejto situácii prevládla nad konvergenciou šanca.
V roku 2003 došlo k ďalšej náhodnej epizóde. Počet tyčí v jednom zo zásobníkov sa zvýšil do tej miery, že kultivačné médium, ktoré je normálne priehľadné, sa zakalí. Lenski najprv rozhodol, že došlo k normálnej kontaminácii životného prostredia, ale ako sa ukázalo, E. coli, ktorá normálne jedla iba glukózu rozpustenú v tekutine, si vyvinula schopnosť konzumovať ďalší prvok obsiahnutý v nádržiach: citrát. Po 15 rokoch a 31 500 generáciách bola táto látka schopná spracovať iba jedna z kolónií. Počet baktérií v ňom začal rásť päťkrát rýchlejšie ako v iných kolóniách.
Propagačné video:
Táto „historická nehoda“dala Richardovi a jeho absolventovi Zacharymu Blountovi príležitosť otestovať pravdepodobnosť, že sa takáto udalosť stane znova, ak „previnú pásku“. Blount vybral zo skladovania 72 vzoriek zmrazených tyčiniek získaných v rôznych štádiách experimentu z populácie, ktorá bola neskôr schopná začleniť citrát do svojho metabolizmu. Rozmrazil ich a stimuloval ich reprodukciu. Čoskoro sa u 4 zo 72 vzoriek vyvinula rovnaká schopnosť konzumovať citrát. Je zaujímavé, že k týmto mutáciám došlo iba v populáciách zamrznutých po 30 500 cykloch generácie. Genetická analýza ukázala, že krátko predtým prešlo niekoľko génov zmenami, ktoré prispeli k vzniku evolúcie metabolizmom citrátu. Inými slovami, schopnosť absorbovať citrát závisí na výskyte iných mutácií, ktoré mu predchádzali. To vytvorilo vidličkuzmena možných ciest, ktorými sa môžu uberať budúce generácie.
Tento projekt, známy ako dlhodobý evolučný experiment, prešiel cez 60 000 generácií a poskytol Richardovi solídny súbor údajov, z ktorého možno vyvodiť závery o interakcii náhody a konvergencie v evolúcii. Jemné zmeny v DNA baktérií, ktoré ich robia väčšie alebo schopnejšie rýchlej reprodukcie, sa v rôznych nádržiach stali častými udalosťami. Zároveň bol Lenski svedkom „prekvapujúcich“náhodných udalostí, pri ktorých sa v jednej z populácií odohralo niečo úplne iné ako ostatné. Ale ako vo fenoméne konvergencie, také transformácie neboli úplne náhodné.
„Nie je možné všetko,“vysvetľuje Wake bez ohľadu na postup: „Organizmy sa vyvíjajú v kontexte zdedených charakteristík.“Zvieratá nemôžu prenášať deštruktívne mutácie alebo brániť reprodukcii. V prípade mloka Hydromantes museli jeho predkovia prekonať značné obmedzenia: na získanie svojich streleckých jazykov bolo potrebné obetovať ich pľúca. Je to preto, lebo časť tohto mechanizmu sa vyvinula zo svalov, ktoré ich predchodcovia použili na pumpovanie vzduchu do pľúc. Dnes je tento kedysi malý a slabý sval oveľa väčší a silnejší. Stočí sa ako pružina okolo kosti v tvare kužeľa v zadnej časti ústnej dutiny, a keď sa sval stiahne, kosť vytvorí napätie, ktoré vystrelí jazyk spolu s jeho kostným aparátom z úst. Predkovia Hydromantes teda nezískali iba mutáciu,ktorý sa vyvinul v „balistický jazyk“. Namiesto toho táto adaptácia nasledovala sériu zmien, ktoré najprv umožnili zvieraťu prekonať pľúcnu závislosť od kyslíka a vznášať sa na hladine vody. Každá zmena závisela od predchádzajúcej.
Chameleoni si zase zachovali svoje pľúca. Skôr než si pohrávali s anatómiou, vyvinuli kolagén, ktorý umožnil jazyku strieľať na korisť. Na prvý pohľad sú jazyky mlokov a chameleónov príkladom zbližovania, ale ak sa pozriete pozorne, je zrejmé, že to tak nie je. Vypálenie chameleónu trvá 20 milisekúnd, čo je tempo slimáka v porovnaní s piatimi milisekundy mlokov. Prečo chameleoni dostali také pomalé jazyky? Odpoveď: Stáli pred prekážkou na ceste konvergentného vývoja. Jazyk chameleónov je dosť rýchly na to, aby prežili, ale chýba im „zdedená zvláštnosť“, aby rozvinuli smrteľnejšiu balistickú anatómiu mlokov. Chameleoni dosiahli „prispôsobivý vrchol“, ako hovoria biológovia.
Pri pokusoch s vírusmi, ktoré infikujú baktérie - bakteriofágy - objavil Harvardský biolog David Liu adaptívne vrcholy. Tieto vrcholy obmedzujú schopnosť organizmov konvergovať na jednu optimálnu štruktúru. Vysvetľujú, prečo k nehodám nedochádza často.
Liu chcel vedieť, či identické skupiny bakteriofágov dokážu nezávisle vyvinúť ten istý enzým, ak sa na ne aplikuje rovnaký vývojový tlak. Urýchlil vývoj proteínov vo vírusoch pomocou systému, ktorý nazval PACE.
Počas experimentu boli z experimentu odstránené vírusy, ktoré nedokázali produkovať enzým, ktorý Liu potreboval. Zostali iba tí, ktorí dosiahli cieľ. Niektoré z nich ukázali enzým „lepšie“ako iné. V tomto prípade vyžadovali enzým polymerázu, ktorá deteguje určitú sekvenciu DNA a premení ju na RNA, a niektoré polymerázy rozpoznali sekvenciu presnejšie ako iné. Rovnako ako pomerne pomalý jazyk chameleónov, aj tieto vírusy vyvinuli úpravy, ktoré im umožňujú prežiť, ale bránia im získať najlepšiu polymerázu. Niektoré vírusy uviazli na nízkom vrchole, iné vyšplhali vyššie.
Aby sme pochopili, čo biológovia myslia adaptívnymi vrcholmi, predstavte si oblasť, ktorej topografia predstavuje vysokú a nízku úroveň reprodukčného potenciálu. V prípade bakteriofágov Liu rôzne oblasti študovali oblasť a získali rôzne mutácie. Niektoré skončili na malých kopcoch, iné na horách veľkosti Everestu. A tak začali šplhať na vrchol, ktorý dostali. Po vyšplhaní na nízku horu sa vírusy nemôžu presunúť na inú vyššiu. Aby to mohli urobiť, musia sa najprv vrátiť späť a pri každom kroku znižovať svoje šance na prežitie. Je veľmi ťažké to urobiť, pretože sa nesmie zabúdať na prežitie najschopnejších. Ktorá mutácia nastane pred ostatnými - ktorý vrchol pôjde do tela - je to historická nehoda, ktorej konvergentný vývoj sa dá prekonať len s veľkými ťažkosťami,ak to vôbec môže.
Načasovanie výskytu mutácií je dôležité. „Včasné udalosti, ktoré vytvárajú rozdiel v génovej skupine, môžu významne ovplyvniť, či prospešná mutácia môže v konečnom dôsledku ovplyvniť prežitie organizmu,“vysvetľuje Liu. „Tieto nehody znižujú opakovateľnosť vývoja.“V tomto experimente náhodnosť prekonala konvergenciu. Udalosti, ktoré sa stali, zabránili opakovaniu.
Jeden zo spôsobov, ako môže život prekonať obmedzenia adaptívnych píkov, bol objavený pri štúdiu digitálnych organizmov počítačovými biológmi na Michiganskej štátnej univerzite, Chrisom Adami a Charlesom Ofriou. Vytvorili počítačový program Avida, v ktorom sa digitálne organizmy vyvíjajú za podmienok stanovených experimentátorom. Avidiánci mutujú, náhodne získavajú a strácajú riadky kódu, ktoré im umožňujú riešiť matematické problémy, čo zvyšuje ich schopnosť reprodukcie.
V jednom experimente boli Avidiánci poverení získaním schopnosti riešiť zložitý logický problém „bitovej identity“. Iba 4 z 50 digitálnych populácií vyvinuli kód potrebný na vykonanie operácie. Všetky úspešné populácie spočiatku dostali veľa mutácií (náhodné riadky kódu), ktoré komplikujú riešenie matematických problémov, a teda reprodukcie. Paradoxne Ophria zistila, že skoré zlé mutácie hrajú kľúčovú úlohu pri zlepšovaní spôsobilosti neskorších generácií, pravdepodobne preto, že vytvárajú genetickú diverzitu, z ktorej môžu vzniknúť nové náhodné mutácie.
Potvrdzuje zriedkavosť niektorého zo sledov udalostí, že je nepravdepodobné, že by sa opakovali veľké obraty v evolúcii? Experimentálne je to pravda, ale Conway Morris pevne hovorí nie. „Je hlúpe si myslieť, že nehrozí vôbec. Jedinou otázkou je čas. ““Verí, že s dostatočným časom a genómami mutácie povedie prirodzený výber k nevyhnutným úpravám, ktoré sú najvhodnejšie pre ekologické prostredie organizmov, bez ohľadu na šance, ktoré sa objavia. Verí, že jedného dňa všetky baktérie E. coli v Lenskiho experimente začnú absorbovať citrát a všetky vírusy Liu vystúpia na ich Mount Everest. Tieto experimenty sa navyše uskutočňovali vo veľmi jednoduchých a kontrolovaných prostrediach, na rozdiel od zložitých ekosystémov, ktorým sa život mimo laboratória prispôsobuje. Ťažko povedať,vplyv skutočného sveta by zmenil experimenty.
Doposiaľ najväčšou chybou vo všetkých pokusoch o zodpovedanie otázky životného filmu je, že biológovia môžu vyvodiť závery iba z jednej biosféry - Zeme. Stretnutie s mimozemským organizmom by nám toho veľa povedalo. Aj keď mimozemské organizmy neobsahujú DNA, pravdepodobne budú vykazovať podobné vývojové vzorce. Bude potrebovať, aby sa nejaký materiál odovzdal potomkom, ktorý by usmerňoval vývoj organizmov a časom sa menil. Ako hovorí Lenski, „Čo platí pre E. coli, platí pre mikróby v celom vesmíre.“
Preto je možné pozorovať rovnakú interakciu medzi konvergenciou a náhodou aj na iných planétach. A ak mimozemský život prežíva evolučný tlak z prostredia podobného tomu, ktoré prežíva pozemský život, môžu ľudia budúcnosti nájsť cudzincov, ktorí konvergujú inteligenciu podobnú tej našej. Na druhej strane, ak sa hromadia náhodné udalosti, vedie život po jedinečných cestách, ako navrhol Gould, mimozemský život môže byť nezvyčajne podivný.
Gould veril, že ľudia sú „mimoriadne nepravdepodobnou evolučnou udalosťou“. Ako dôkaz uviedol, že za 2,5 miliardy rokov života na Zemi sa ľudská inteligencia objavila iba raz. Pravdepodobnosť, že by iný druh vyvinul inteligenciu, ako je tá naša, bola strašidelne malá. Z toho, že môžeme byť jediným inteligentným druhom vo vesmíre, môžeme vyvodiť závery, ktoré idú nad rámec biológie. „Niektorí vidia túto možnosť ako dôvod depresie,“napísal Gould v The Wonderful Life. „Vždy som ju považovala za osviežujúcu, za zdroj slobody a následkom toho aj morálnu zodpovednosť.“
Zach Zorich
Preklad sa uskutočnil v rámci projektu New