Tarp varliagyvių „Hydromantes“salamandra yra liežuvio šaudymo greičio čempionė. Per mažiau nei penkias milisekundes ji gali sugauti nelaimingą vabzdį skrisdama - šį laiką sudaro raumenų, kremzlės ir skeleto dalių darbas. Jei palygintumėte šią balistinę anatomiją su varlėmis ir chameleonais, pastarosios yra šlaunys. Kalifornijos Berklio universiteto evoliucijos biologas Davidas Wake'as sako: „Aš maždaug 50 metų praleidau studijuodamas salamandrų kalbų evoliuciją. Tai tikrai įdomu, nes paprastai jie nesiskiria dideliu greičiu, tačiau nepaisant to, jie gali greičiausiai judėti tais, kurie prieinami man žinomiems stuburiniams gyvūnams “. Visą jų raidą evoliucija rado efektyvesnį būdą užtikrinti sėkmingą medžioklę su kalba. Atrodo, kad jų unikali adaptacijanepriklausomai išsivystė trijose nesusijusiose salamandrų rūšyse. Tai yra konvergencinės evoliucijos pavyzdys, kai skirtingi individai savarankiškai vystosi panašios biologinės adaptacijos, veikiami tų pačių aplinkos veiksnių. Salamandrai yra mėgstamas pavyzdys, kurį Wake cituoja, kai uždavė ilgalaikį evoliucijos biologijos klausimą: Jei atsigręšite į evoliucijos juostą, ar ji pasikartos? Matyt, taip nutiko salamandrų atveju; su kitais organizmais to galėjo nebūti.jei atsiversite evoliucijos juostą, ji pasikartos? Matyt, taip nutiko salamandrų atveju; su kitais organizmais to galėjo nebūti.jei atsiversite evoliucijos juostą, ji pasikartos? Matyt, taip nutiko salamandrų atveju; su kitais organizmais to galėjo nebūti.
Šį klausimą, kaip žinoma, pirmą kartą uždavė neseniai miręs evoliucijos biologas Stephenas Jay Gouldas 1989 m. Savo knygoje „Amazing Life: The Burgess Shales and the History Nature“, išleistoje epochoje, kai žmonės vis dar klausėsi muzikos kasečių juostose. Knygoje pasakojama apie fosilijas, aptiktas Burgess skalūnu, likusį iš daugybės keistų gyvūnų, gyvenusių mūsų planetoje prieš maždaug 520 milijonų metų, per Cambrijos laikotarpį. Beveik visi šiandien egzistuojantys gyvūnai turi protėvius, gyvenusius Kambrijoje, tačiau ne visi to laikmečio gyvūnai turi palikuonių mūsų eroje. Daugelis Kambrijos gyventojų išnyko dėl to, kad buvo nepakankamai pritaikyti kovai dėl išlikimo, arba dėl to, kad buvo netinkamoje vietoje netinkamu metu, kai išsiveržė ugnikalniai, nukrito meteoritai ar įvyko kiti niokojantys įvykiai.
- „Salik.biz“
Gould pamatė neįtikėtinų gyvūnų liekanų įvairovę Burgess mieste ir spėliojo, ar mūsų flora ir fauna atrodys kitaip, jei istorija pasisuktų priešingai. Jis pasiūlė, kad chaotiškos rūšių mutacijos ir išnykimai, kuriuos jis vadino „istoriniais nelaimingais atsitikimais“, susiklostys vienas ant kito ir juda evoliucija viena ar kita kryptimi. Anot Gouldo, bet kokio gyvūno, įskaitant žmones, egzistavimas yra retas reiškinys, kurio pasikartojimas „atsukant ir paleidžiant“iš Cambrijos laikotarpio yra mažai tikėtinas. Savo knygoje Gould dažnai nurodo Kembridžo universiteto paleontologo Simono Conway'o Morris'o darbą apie Burgess fosiliją, tačiau pats mokslininkas griežtai nesutinka su Gouldo požiūriu.
Conway Morrisas mano, kad laikui bėgant natūrali atranka verčia organizmus atlikti daugybę adaptacijų, kad užpildytų ribotas Žemės ekologines nišas. Tai lemia, kad nesusijusios rūšys kūno struktūroje nuolat supanašėja. „Gyvūnai turi susikurti save pagal fizinius, cheminius ir biologinius šio pasaulio reikalavimus“, - sakė jis. Conway įsitikinęs, kad dėl tokių apribojimų beveik neišvengiama, kad „pervyniojus juostą“evoliucija anksčiau ar vėliau leistų atsirasti organizmams, panašiems į tuos, kurie egzistuoja mūsų pasaulyje. Jei mūsų beždžionių protėviai nebūtų sukūrę smegenų ir prie jos prikaustančio proto, mokslininko teigimu, kita šaka, kaip varnos ar delfinai, galėtų užimti nišą, kurioje dabar yra žmogus. Bet Gould nesutinka.
Abu mokslininkai pripažįsta, kad atsitiktinumai ir konvergencija (savarankiška raida iki panašių požymių atsiradimo - maždaug nauja, kodėl) vyksta evoliucijoje. Vietoj to, diskusijoje pagrindinis dėmesys skiriamas tam, kaip unikalūs ar pakartojami pagrindiniai pritaikymai, tokie kaip žmogaus protas. Tuo tarpu kiti biologai išsprendė galvosūkį ir parodė, kaip suartėjimas ir atsitiktinumai veikia vienas kitą. Supratimas apie šių jėgų sąveiką gali padėti mums išsiaiškinti, ar viskas, kas gyvena, yra 7 milijardų metų sutapimų rezultatas, ar mes - žmonės ir salamandrai - neišvengiamybės dalis, pavyzdžiui, mirtis ar mokesčiai.
Mičigano universiteto evoliucijos biologas Richardas Lenski, užuot bandęs atkurti istoriją naudojant fosilijas, nusprendė realiame laike stebėti konvergencijos ir atsitiktinumo reiškinius kontroliuojamoje savo laboratorijos aplinkoje. 1988 m. Jis suskirstė Escherichia coli bakterijų populiacijas ir sudėjo jas į 12 atskirų skysčių auginimo terpių rezervuarų, taip leisdamas joms augti nepriklausomai viena nuo kitos. Jau 26 metus kas keletą mėnesių jis arba vienas iš jo studentų užšaldo vieną bakterijų partiją. Šis užšaldytų gemalų rinkinys suteikia Richardui galimybę „paleisti filmą“iš E. coli gyvenimo ciklo bet kurią jo norimą akimirką, tiesiog atitirpinant vieną porciją. Viso proceso metu jis gali patikrinti,kaip keičiasi bakterijos - tiek genetikos, tiek to, ką galima pamatyti tik mikroskopu, prasme. Lenski paaiškina: "Visas eksperimentas buvo parengtas tam, kad būtų galima patikrinti, kaip yra pakartojama evoliucija".
Viename iš 11 Lenski rezervuarų E. coli išaugo dydžio, tačiau dvyliktame mėginyje esančios bakterijos išsiskyrė į dvi nepriklausomas šakas - vieną su didelėmis ląstelėmis, kitą - su mažomis ląstelėmis. Lenski sako: „Mes juos vadiname„ dideliais “ir„ mažais “. Jie sugyveno jau 50 tūkstančių kartų “. To dar neatsitiko jokiai kitai populiacijai; taigi galime daryti išvadą, kad įvyko evoliuciškai atsitiktinis įvykis. Ir net po 26 metų joks kitas teismo procesas nepasikartojo. Taigi, atrodo, kad šioje situacijoje vyravo konvergencija.
2003 m. Įvyko dar vienas atsitiktinis epizodas. Strypų skaičius viename iš rezervuarų padidėjo tiek, kad normaliai permatoma auginimo terpė tampa drumsta. Iš pradžių Lenski nusprendė, kad aplinka buvo normaliai užteršta, tačiau, kaip paaiškėjo, E. coli, kuri paprastai valgydavo tik skystyje ištirpintą gliukozę, išsiugdė gebėjimą vartoti kitą rezervuaruose esantį elementą: citratą. Po 15 metų ir 31 500 kartų tik viena iš kolonijų sugebėjo perdirbti šią medžiagą. Bakterijų skaičius joje pradėjo augti 5 kartus greičiau nei kitose kolonijose.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Ši „istorinė avarija“suteikė Richardui ir jo absolventui Zacharijui Blountui galimybę išbandyti tokio įvykio tikimybės pasikartojimą, jei jie „perklijuos juostą“. „Blount“iš saugyklos atrinko 72 šaldytų lazdelių pavyzdžius, surinktus skirtingais eksperimento etapais iš populiacijos, kuri vėliau sugebėjo įtraukti citratą į savo metabolizmą. Jis juos atšildė ir stimuliavo jų dauginimąsi. Netrukus 4 iš 72 mėginių įgijo tą patį gebėjimą vartoti citratą. Įdomu tai, kad šios mutacijos įvyko tik populiacijose, užšaldytose po 30 500 kartų ciklo. Genetinė analizė parodė, kad neilgai trukus keli genai išgyveno pokyčius, kurie prisidėjo prie evoliucijos atsiradimo citrato metabolizmo metu. Kitaip tariant, gebėjimas absorbuoti citratą priklausė nuo kitų prieš tai buvusių mutacijų atsiradimo. Tai sukūrė šakękeičiant galimus kelius, kuriais gali eiti ateities kartos.
Šis E. coli projektas, žinomas kaip ilgalaikis evoliucijos eksperimentas, perėjo 60 000 kartų, suteikdamas Ričardui patikimą duomenų rinkinį, iš kurio galima daryti išvadas apie atsitiktinumo ir evoliucijos suartėjimo sąveikas. Subtilūs bakterijų DNR pokyčiai, dėl kurių jos tampa didesnės ar pajėgios greitai daugintis, tapo dažnais reiškiniais įvairiuose rezervuaruose. Tuo pat metu Lenski buvo „stulbinamų“atsitiktinių įvykių, kuriuose vienoje iš populiacijų įvyko kažkas visiškai kitokio nei kiti, liudininkai. Bet kaip ir konvergencijos reiškinyje, tokios transformacijos nebuvo visiškai atsitiktinės.
„Ne viskas įmanoma“, - nesvarbu, koks procesas, - aiškina Wake'as: „Organizmai vystosi paveldimų savybių kontekste“. Gyvūnai negali perduoti destruktyvių mutacijų ar užkirsti kelią reprodukcijai. Hidromanteso salamandros atveju jos protėviai turėjo įveikti reikšmingą apribojimą: norint gauti šaudymo kalbas, reikėjo paaukoti jų plaučius. Taip yra todėl, kad dalis šio mechanizmo išsivystė iš raumenų, kuriuos jų pirmtakai panaudojo siurbti orą į plaučius. Šiandien šis kadaise buvęs mažas ir silpnas raumuo tapo daug didesnis ir stipresnis. Jis susisuka kaip spyruoklė aplink kūgio formos kaulą burnos ertmės gale, o raumenims susitraukus, kaulas sukuria įtampą, kuri liežuvį kartu su jo kaulų aparatu ištraukia iš burnos. Taigi hidromantų protėviai ne tik įgijo mutaciją,kuri išsivystė į „balistinę kalbą“. Vietoj to, ši adaptacija įvyko po daugybės pokyčių, kurie pirmiausia sutvėrė būtybę įveikti plaučių priklausomybę nuo deguonies ir plūduriuoti vandens paviršiuje. Kiekvienas pakeitimas priklausė nuo ankstesnio.
Chameleonai savo ruožtu išlaikė plaučius. Užuot rūpinęsi savo anatomija, jie sukūrė kolageną, leisdami liežuviui šaudyti grobiu. Iš pirmo žvilgsnio salamandrų ir chameleonų kalbos yra suartėjimo pavyzdys, tačiau pažiūrėjus įdėmiai paaiškėja, kad taip nėra. Tai užsidega 20 milisekundžių chameleonui, o tai yra sraigės tempas, palyginti su penkiomis milisekundėmis salamandrų. Kodėl chameleonai įgavo tokias lėtas kalbas? Atsakymas: Jie susidūrė su kliūtimi konvergencinės evoliucijos kelyje. Chameleono liežuvis yra pakankamai greitas, kad galėtų išgyventi, tačiau jiems trūksta „paveldimos bruožo struktūros“, kad būtų galima sukurti mirtingesnę balistinę salamandrų anatomiją. Kaip teigia biologai, hameleonai pasiekė „adaptacinę viršūnę“.
Atlikdamas eksperimentus su virusais, kurie užkrečia bakterijas - bakteriofagus - Harvardo biologas Davidas Liu taip pat atrado adaptacines viršūnes. Šios smailės riboja organizmų galimybę susilieti į vieną optimalią struktūrą. Jie paaiškina, kodėl avarijos neįvyksta dažnai.
Liu norėjo sužinoti, ar identiškos bakteriofagų grupės galėtų savarankiškai sukurti tą patį fermentą, jei joms būtų daromas tas pats evoliucinis slėgis. Jis paspartino virusų baltymų evoliuciją, naudodamas sistemą, kurią jis vadino PACE.
Eksperimento metu iš eksperimento buvo pašalinti virusai, kuriems nepavyko sukurti fermento, kurio reikėjo Liu. Liko tik tie, kurie buvo pasiekę tikslą. Kai kuriems iš jų fermentas pasirodė „geresnis“nei kitiems. Tokiu atveju jiems reikėjo fermento polimerazės, kuri nustato tam tikrą DNR seką ir paverčia ją RNR, o kai kurios polimerazės seką atpažino tiksliau nei kitos. Kaip ir palyginti lėta chameleonų kalba, šie virusai sukūrė adaptacijas, leidžiančias jiems išgyventi, tačiau neleidžia jiems gauti geriausios polimerazės. Kai kurie virusai užstrigo žemoje viršūnėje, kai kurie pakilo aukščiau.
Norėdami suprasti, ką biologai reiškia adaptacinius smailus, įsivaizduokite sritį, kurios topografija parodo aukštą ir žemą reprodukcinio potencialo lygį. Liu bakteriofagų atveju skirtingos populiacijos tyrė plotą, įgydamos skirtingas mutacijas. Kai kurie galų gale atsidūrė ant mažų kalvų, kiti - Everesto dydžio kalnuose. Ir taip jie ėmė lipti į gautą viršūnę. Įkopę į žemą kalną, virusai negali persikelti į kitą, aukštesnį. Norėdami tai padaryti, pirmiausia jie turės atsitraukti, sumažindami savo galimybes išgyventi kiekvienu žingsniu. Tai padaryti yra labai sunku, nes nereikia pamiršti apie stipriausio išgyvenimą. Kuri mutacija įvyks prieš kitus - kuri smailė pateks į kūną - tai istorinis nelaimingas atsitikimas, kurį konvergentiška evoliucija gali įveikti tik su dideliais sunkumais,jei iš viso gali.
Svarbus yra mutacijų atsiradimo laikas. „Ankstyvi atsitiktiniai įvykiai, kurie sukuria skirtumą genų telkinyje, gali smarkiai paveikti, ar naudinga mutacija galiausiai gali paveikti organizmo išgyvenimą“, - aiškina Liu. "Šios avarijos sumažina evoliucijos pakartojamumą." Šiame eksperimente atsitiktinumai įveikė konvergenciją. Įvykiai užkirto kelią pasikartojimui.
Mičigano valstijos universiteto kompiuterių biologai Chrisas Adami ir Charlesas Ofria tyrinėdami skaitmeninių organizmų tyrimus atrado vieną iš būdų, kaip gyvenimas gali įveikti adaptacinių viršūnių ribotumą. Jie sukūrė kompiuterinę programą „Avida“, kurioje skaitmeniniai organizmai vystosi eksperimentatoriaus nustatytomis sąlygomis. Avidianai mutuoja, atsitiktinai įsigydami ir prarasdami kodo eilutes, leidžiančias išspręsti matematines problemas, o tai padidina jų galimybes daugintis.
Viename eksperimente avidiečiams buvo pavesta sugebėti išspręsti sudėtingą loginę „bitų tapatybės“problemą. Tik 4 iš 50 skaitmeninių populiacijų sukūrė kodą, reikalingą operacijai atlikti. Visos sėkmingos populiacijos iš pradžių gavo daugybę mutacijų (atsitiktinės kodo eilutės), kurios apsunkina matematinių uždavinių sprendimą, taigi ir reprodukciją. Paradoksalu, bet Ophria nustatė, kad ankstyvosios blogos mutacijos vaidina pagrindinį vaidmenį gerinant vėlesnių kartų tinkamumą, galbūt todėl, kad jos sukuria genetinę įvairovę, iš kurios gali atsirasti naujos atsitiktinės mutacijos.
Ar kurios nors įvykių sekos retumas patvirtina, kad vargu ar pasikartos dideli evoliucijos posūkiai? Eksperimentiškai tai tiesa, tačiau Conway Morris tvirtai sako „ne“. „Kvaila manyti, kad visai nėra avarijų. Vienintelis klausimas yra laikas “. Jis mano, kad turint pakankamai laiko ir mutacijų genomus, natūrali atranka lems neišvengiamą adaptaciją, kuri labiausiai tinka ekologinei organizmų nišai, nepaisant atsirandančių galimybių. Jis tiki, kad vieną dieną visos Lenski eksperimente esančios E.coli bakterijos pradės absorbuoti citratą ir visi Liu virusai kelsis į savo Mount Everestą. Be to, šie eksperimentai buvo atlikti labai paprastoje ir kontroliuojamoje aplinkoje, skirtingai nei sudėtingose ekosistemose, prie kurių prisitaiko gyvenimas už laboratorijos ribų. Sunku pasakyti,realaus pasaulio įtaką pakeistų eksperimentai.
Iki šiol didžiausias visų bandymų atsakyti į gyvybės klausimą filmas ydas yra tas, kad biologai gali daryti išvadas tik iš vienos biosferos - Žemės. Susidūrimas su nežemišku organizmu mums pasakytų daug. Net jei ateivių organizmai neturi DNR, greičiausiai jie parodys panašius evoliucijos modelius. Jiems reikės tam tikros medžiagos, kurią reikia perduoti palikuonims, vadovaujant organizmų vystymuisi ir laikui bėgant keičiantis. Kaip sako Lenski, „kas teisinga E. coli, galioja mikrobams visoje visatoje“.
Todėl tą pačią konvergencijos ir atsitiktinumo sąveiką galima pastebėti ir kitose planetose. Ir jei nežemiškas gyvenimas patiria evoliucinį spaudimą iš aplinkos, panašios į tą, kurią patiria žemiškasis gyvenimas, ateities žmonės gali rasti ateivių, kurių konvergentiškai išplėtotas intelektas yra panašus į mūsų. Kita vertus, jei kaupiasi atsitiktiniai įvykiai, vedantys gyvenimą unikaliais keliais, kaip siūlė Gouldas, nežemiškas gyvenimas gali būti neįprastai keistas.
Gouldas tikėjo, kad žmonės yra „nepaprastai tikėtinas evoliucijos įvykis“. Kaip įrodymą jis nurodė, kad per 2,5 milijardo gyvenimo metų Žemėje žmogaus intelektas pasirodė tik vieną kartą. Jis manė, kad tikimybė, kad kita rūšis sukurs tokį intelektą, koks buvo mūsų, yra vaiduokliškai maža. Iš to, kad mes galime būti vienintelė protinga rūšis Visatoje, galime padaryti išvadas, peržengiančias biologiją. „Kai kurie šią galimybę mato kaip depresijos priežastį“, - rašė Gouldas „The Wonderful Life“. "Aš visada laikiau ją gaivinančia ir laisvės, ir kaip moralinės atsakomybės šaltiniu."
Zachas Zorichas
Vertimas buvo atliktas projekto Naujas