A kétéltűek között a Hydromantes szalamandra a nyelv lősebességének bajnoka. Kevesebb, mint öt milliszekundumban repüléssel képes elkapni egy szerencsétlen rovarot - ez az idő tartalmazza az izmok, a porc és a csontváz részét. Ha összehasonlítjuk ezt a ballisztikus anatómiát a békákkal és a kaméleonokkal, akkor ez utóbbi szöcske. David Wake, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem evolúciós biológusa szerint: „Körülbelül 50 évet töltöttem a szalamandra nyelvek fejlődésének tanulmányozásával. Ez igazán érdekes, mert általában nem különböznek egymástól nagy sebességgel, mindazonáltal a leggyorsabban elmozdíthatják azokat, amelyek a nekem ismert gerincesek számára elérhetők. Fejlesztésük során az evolúció hatékonyabb módszert talált a nyelvgel történő sikeres vadászat biztosítására. Úgy tűnik, hogy egyedülálló adaptációjukhárom független szalamandra fajban fejlesztették ki egymást. Ez egy példája a konvergens evolúciónak, amikor a különböző egyének egymástól függetlenül hasonló biológiai alkalmazkodást fejtenek ki ugyanazon környezeti tényezők hatására. A szalamandrok egy kedvelt példa, amelyet Wake idéz, amikor az evolúciós biológia régóta feltett kérdését felteszi: Ha visszatekerjük az evolúció szalagját, megismétlődik? Nyilvánvalóan ez történt a szalamandra esetében; más organizmusokkal valószínűleg nem történt meg.ha visszatekerjük az evolúció szalagját, megismétlődik-e? Nyilvánvalóan ez történt a szalamandra esetében; más organizmusokkal valószínűleg nem történt meg.ha visszatekerjük az evolúció szalagját, megismétlődik-e? Nyilvánvalóan ez történt a szalamandra esetében; más organizmusokkal valószínűleg nem történt meg.
Ezt a kérdést ismerteti először a közelmúltban elhunyt evolúciós biológus, Stephen Jay Gould 1989-ben az Amazing Life: The Burgess Shales and the History of the History című könyvében, amelyet egy korban jelentettek meg, amikor az emberek még mindig kazettás zenét hallgattak. A könyv arról beszélt, hogy a Burgess-palánkban találtak fosszilis szennyeződéseket, amelyek egy számtalan furcsa állatból maradtak, akik körülbelül 520 millió évvel ezelőtt a kambriumi időszakban éltek a bolygónkon. A mai ma létező állatoknak szinte minden őse van, akik a kambriumban éltek, ám a korszak egyik állatának sem lesz utódja korunkban. Számos kambriumi egyed kihalt, mert nem voltak kielégítően alkalmasak a túléléshez való küzdelemre, vagy mert rossz helyen voltak rossz helyen, amikor vulkánok kitörtek, meteoritok estek le, vagy egyéb pusztító események következtek be.
Gould látta hihetetlen változatosságát az állati maradványoknak Burgess-ben, és azt feltételezte, hogy növény- és állatvilágunk másképp fog kinézni, ha a történelem fordítva fordulna. Azt javasolta, hogy a fajok kaotikus mutációi és kihalása, amelyeket „történelmi baleseteknek” neveztek, egymás tetejére épülnének, és az evolúciót egyik irányba mozgatnák. Gould szerint bármely állat létezése, beleértve az embereket is, ritka jelenség, amelynek megismétlése a „visszatekerés és indulás” esetén a kambriumi korszakból valószínűtlen. Gould könyvében gyakran hivatkozik Simon Cambridge-i Egyetem paleontológusának, Simon Conway Morrisnak a Burgess-kövülettel kapcsolatos munkájára, ám maga a tudós határozottan nem ért egyet Gould álláspontjával.
Conway Morris úgy véli, hogy az idő múlásával a természetes szelekció kényszeríti az organizmusokat egy sor adaptációra, hogy kitöltsék a Föld korlátozott ökológiai rést. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a független fajok következetesen konvergálnak a test felépítésében. "Az állatoknak építeniük kell magukat a világ fizikai, kémiai és biológiai követelményeivel összhangban" - mondta. Conway meg van győződve arról, hogy ezek a korlátozások szinte elkerülhetetlenné teszik, hogy a szalag visszatekerése esetén az evolúció előbb vagy utóbb olyan organizmusok kialakulásához vezetjen, amelyek hasonlóak a világunkban. Ha a majom őseink nem fejlesztették ki az agyukat és az ehhez kapcsolódó elmét, a tudós szerint egy másik ág, például varjak vagy delfinek foglalhatják el a rést, amelyben az ember jelenleg van. De Gould nem ért egyet.
Mindkét tudós felismeri, hogy ez az esély és a konvergencia (független fejlődés a hasonló jelek megjelenéséig - kb. Új miért) történik az evolúcióban. Ehelyett a vita arra összpontosít, hogy mennyire egyedi vagy megismételhető kulcsfontosságú alkalmazások vannak, mint például az emberi elme. Időközben más biológusok foglalkoztak ezzel a rejtélygel és megmutatták, hogy a konvergencia és a véletlenszerűség hogyan befolyásolják egymást. Ezeknek az erõknek a kölcsönhatásainak megértése segíthet nekünk kitalálni, hogy minden élõ-e 7 milliárd éven át tartó szerencsés véletlen eredmények eredményeként, vagy valamennyien - mind emberek, mind a szalamandra - az elkerülhetetlenség része, mint például a halál vagy az adók.
Ahelyett, hogy a történetet fosszilis anyagok felhasználásával újjáéledték volna, Richard Lenski, a Michigan-i Egyetem evolúciós biológusa úgy döntött, hogy laboratóriumának ellenőrzött környezetében valós időben megfigyeli a konvergencia és a véletlen jelenségeit. 1988-ban megosztotta az Escherichia coli baktériumok populációját és 12 különálló folyékony tápközeg tartályba helyezte őket, ezáltal lehetővé téve őket egymástól független növekedésüket. Most 26 évente, néhány havonta, ő vagy egyik hallgatója egy tétel baktériumot fagyasztott be. Ez a fagyasztott csírakészlet lehetővé teszi Richard számára az E. coli életciklusának „újraindítását a filmről” bármikor, amikor csak akarja, egyetlen adag leolvasztásával. Az egész folyamat során ellenőrizheti,hogyan változnak a baktériumok - mind a genetika, mind a mikroszkóp alatt látható szempontjából egyaránt Lenski elmagyarázza: "Az egész kísérletet arra készítették, hogy megvizsgálja, mennyire megismételhető az evolúció."
11 Lenski-tározóban az E. coli mérete nőtt, de a tizenkettedik mintában lévő baktériumok két független ágra osztódtak - az egyik nagy sejtekkel, a másik kicsivel. Lenski azt mondja: „Nagynak és kicsinek hívjuk őket. Már 50 ezer generáció együtt éltek együtt”. Ez nem történt meg más népességben; ennélfogva arra lehet következtetni, hogy evolúciós szempontból véletlen esemény történt. És még 26 évvel később semmi más tárgyalás nem megismételte egy ilyen ág megjelenését. Tehát ebben a helyzetben a véletlen úgy tűnik, hogy meghaladta a konvergenciát.
2003-ban volt egy másik véletlen epizód. Az egyik tartályban lévő rudak száma olyan mértékben nőtt, hogy a táptalaj, amely általában átlátszó, zavaros lesz. Eleinte Lenski úgy döntött, hogy a környezet normál szennyeződése van, de mint kiderült, az E. coli, amely általában csak a folyadékban oldott glükózt evett, kifejlesztette a képességét a tartályokban lévő másik elem, a citrát fogyasztására. 15 év és 31 500 generáció után csak a kolóniák képesek feldolgozni ezt az anyagot. A benne lévő baktériumok száma ötször gyorsabban növekszik, mint más kolóniákban.
Promóciós videó:
Ez a "történelmi baleset" lehetőséget adott Richardnak és diplomájának, Zachary Blountnak, hogy kipróbálhassa annak valószínűségét, hogy egy ilyen esemény megismétlődik, ha "újracsévélik a szalagot". A Blount a tárolásból kiválasztott 72 mintát fagyasztott botokkal, amelyeket a kísérlet különböző szakaszaiban gyűjtöttek egy olyan populációból, amely később képes volt citrátot beépíteni anyagcseréjébe. Megolvasztotta és serkentette a szaporodást. Hamarosan a 72 mintából 4-nél azonos a citrátfogyasztási képesség. Érdekes, hogy ezek a mutációk csak a 30 500 generációs ciklus után fagyott populációkban fordultak elő. A genetikai elemzés azt mutatta, hogy nem sokkal korábban több gén ment keresztül olyan változásokon, amelyek hozzájárultak az evolúció kialakulásához a citrát metabolizmusával. Más szavakkal: a citrát felszívódásának képessége függött más mutációk előfordulásától, amelyek megelőzték. Ez egy villát hozott létremegváltoztatva a jövő generációk lehetséges útvonalait.
Ez a hosszú távú evolúciós kísérletnek nevezett E. coli projekt ma már 60 000 generációt keresztezett, így szilárd adatkészletet adott Richard számára, amelyből következtetéseket lehet levonni a véletlen és az evolúció konvergenciájának kölcsönhatásairól. A baktériumok DNS-ének finom változásai, amelyek nagyobbé vagy nagyobb képessé teszik a gyors szaporodást, gyakori eseményekké válnak a különböző tározókban. Ugyanakkor Lenski "megdöbbentő" véletlen események tanúja volt, amelyekben az egyik populációban a többitől teljesen eltérő esemény történt. De hasonlóan a konvergencia jelenségéhez, az ilyen átalakulások nem voltak teljesen véletlenszerűek.
"Nem minden lehetséges", bármi is a folyamat, magyarázza Wake: "A szervezetek az örökölt tulajdonságokkal összefüggésben fejlődnek ki." Az állatok nem terjeszthetnek romboló vagy mutációt gátló mutációkat. A Hydromantes szalamandra esetében az őseiknek át kellett küzdeniük egy jelentős korlátot: lövöldözős nyelvük megszerzéséhez a tüdejét fel kellett áldozniuk. Ennek oka az, hogy ennek a mechanizmusnak az része olyan izmokból alakult ki, amelyeket elődeik azelőtt használtak, hogy a levegőt pumpálják a tüdőbe. Ma ez a kis és gyenge izom sokkal nagyobb és erősebb lett. Úgy tekerkedik, mint egy rugó a kúp alakú csont körül a szájüreg hátulján, és amikor az izom összehúzódik, feszültséget generál, amely a nyelvet és a csontkészülékét a szájból kilövi. Így a Hydromantes ősei nemcsak mutációt szereztek,amely "ballisztikus nyelvré" alakult. Ehelyett az adaptáció egy sor változást követett, amelyek először lehetővé tették a lénynek, hogy legyőzze a tüdő oxigénfüggőségét, és a víz felszínén úszik. Minden változás az előzőtől függ.
A kaméleonok viszont megtartották a tüdejét. Ahelyett, hogy anatómiájukba dörzsölnék, fejlesztettek ki kollagént, lehetővé téve a nyelv számára, hogy ragadozóként lőjön. Első pillantásra a szalamandrák és a kaméleonok nyelve példája a konvergencianek, de ha alaposabban megnézzük, kiderül, hogy ez nem így van. 20 milliszekundum tüzet vesz igénybe egy kaméleon, ami egy csiga üteme az öt milliszekundum szalámandákhoz képest. Miért kaptak a kaméleonok ilyen lassú nyelveket? Válasz: Akikkel akadtak a konvergáló evolúció útján. A kaméleon nyelve elég gyors ahhoz, hogy túlélje, ám hiányzik az "öröklött tulajdonságszerkezet" ahhoz, hogy a szalamandra halálosabb ballisztikus anatómiáját kifejlesszék. A kaméleonok elérték az „adaptív csúcsot”, ahogy a biológusok mondják.
A baktériumokat - bakteriofágokat - fertőző vírusokkal végzett kísérletekben, David Liu harvardi biológus felfedezte az adaptív csúcsokat is. Ezek a csúcsok korlátozzák az organizmusok azon képességét, hogy egy optimális struktúrára konvergáljanak. Elmagyarázzák, miért nem fordulnak elő gyakran a balesetek.
Liu meg akarta tudni, hogy a bakteriofágok azonos csoportjai képesek-e egymástól függetlenül fejleszteni ugyanazt az enzimet, ha azonos evolúciós nyomást gyakorolnak rájuk. A PACE-nek nevezett rendszer segítségével felgyorsította a fehérjék fejlődését a vírusokban.
A kísérlet során azokat a vírusokat, amelyek nem tudtak előállítani olyan enzimet, amelyre Liu-nak szüksége volt, eltávolítottuk a kísérletből. Csak azok maradtak, akik elérték a célt. Néhányuk az enzim "jobbnak" bizonyult, mint mások. Ebben az esetben szükségük volt egy olyan polimeráz enzimre, amely kimutat egy bizonyos DNS-szekvenciát, és RNS-é alakítja, és néhány polimeráz pontosabban ismerte fel a szekvenciát, mint mások. Mint a kaméleonok viszonylag lassú nyelve, ezek a vírusok olyan adaptációkat fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik a túlélést, de megakadályozzák a legjobb polimeráz kialakulását. Néhány vírus elakadt egy alacsony csúcson, mások magasabbra emelkedtek.
Annak megértése érdekében, hogy mit értenek a biológusok az adaptív csúcsok alatt, képzeljünk el egy olyan területet, amelynek topográfia a magas és alacsony reprodukciós potenciált képviseli. Liu bakteriofágjai esetében különböző populációk vizsgálták a területet, különböző mutációkkal. Néhány kis hegyekre került, mások Everest méretű hegyekre. És így kezdtek feljutni a csúcsra, ahogyan megszerezték. Egy alacsony hegyre mászva a vírusok nem tudnak átjutni egy másik, magasabb szintre. Ehhez először vissza kell menniük, minden lépéssel csökkentve a túlélési esélyeiket. Nagyon nehéz ezt megtenni, mert nem szabad elfelejteni a legjobbak túlélését. Melyik mutáció történik mások előtt - melyik csúcs jut a testhez - ez egy történelmi baleset, amelyet a konvergens evolúció csak nagy nehézségekkel tud legyőzni,ha egyáltalán képes.
A mutációk megjelenésének ütemezése számít. „A korai véletlenszerű események, amelyek különbséget okoznak a génkészletben, jelentősen befolyásolhatják, hogy egy jótékony mutáció végső soron befolyásolhatja-e a szervezet túlélését” - magyarázza Liu. "Ezek a balesetek csökkentik az evolúció megismételhetőségét." Ebben a kísérletben a véletlenszerűség legyőzte a konvergenciát. A történt események megakadályozták a visszatérést.
Az egyik módját, amellyel az élet képes legyőzni az adaptív csúcsok korlátait, felfedezték a digitális organizmusoknak a Michigan State University számítógépes biológusai, Chris Adami és Charles Ofria által végzett kutatása során. Készítették az Avida számítógépes programot, amelyben a digitális organizmusok a kísérleti által meghatározott feltételek mellett fejlődnek ki. Az avídiák mutálnak, véletlenszerűen megszerezzék és elveszítik a kódsorokat, amelyek lehetővé teszik számukra a matematikai problémák megoldását, ami növeli a reprodukciós képességüket.
Az egyik kísérletben az Avidiaiak feladata volt megszerezni a képességet, hogy meg tudja oldani a "bitképes identitás" összetett logikai problémáját. Az 50 digitális populáció közül csak 4 fejlesztette ki a művelet végrehajtásához szükséges kódot. Az összes sikeres populáció kezdetben sok mutációt kapott (véletlenszerű sorok), amelyek bonyolultabbá teszik a matematikai feladatok megoldását és ezáltal a reprodukciót. Paradox módon hangzik, Ofria úgy találta, hogy a korai rossz mutációk kulcsszerepet játszanak a későbbi generációk fitneszének javításában, valószínűleg azért, mert genetikai sokféleséget teremtenek, amelyből új véletlenszerű mutációk alakulhatnak ki.
Megerősíti-e az események bármelyikének ritkasága, hogy az evolúció nagy fordulatai valószínűleg nem fognak megismétlődni? Kísérletileg ez igaz, de Conway Morris határozottan mondja nem. Ostobaság azt gondolni, hogy egyáltalán nincs baleset. Az egyetlen kérdés az idő. Úgy véli, hogy elegendő idővel és a mutáció genomjával a természetes szelekció elkerülhetetlen adaptációkhoz vezet, amelyek a szervezetek ökológiai réséhez a legmegfelelőbbek, tekintet nélkül a felmerülő esélyekre. Úgy véli, hogy egy napon a Lenski kísérletében szereplő összes E. coli baktérium elkezdi a citrát felszívódását, és minden Liu vírus felmászik a Mount Everestbe. Ezen túlmenően ezeket a kísérleteket nagyon egyszerű és ellenőrzött környezetben végezték, ellentétben a komplex ökoszisztémákkal, amelyekhez a laboratóriumon kívüli élet alkalmazkodik. Nehéz kifejezni,a való világ befolyása megváltoztatta volna a kísérleteket.
Az életkérdés filmjére adott válasz megkísérelésében a mai napig a legnagyobb hiba az, hogy a biológusok csak egy bioszféra, a Föld következtetéseit vonhatják le. Egy földönkívüli szervezettel való találkozás sokat mond nekünk. Még akkor is, ha az idegen szervezetek nem tartalmaznak DNS-t, akkor valószínűleg hasonló evolúciós mintázatot mutatnak. Szükségük lesz valamilyen anyagra, amelyet továbbadnak az leszármazottaknak, irányítva a szervezetek fejlődését és az idő múlásával. Mint Lenski azt mondja: "Ami az E. coli-ra vonatkozik, az egész világegyetem mikrobáira is igaz".
Ezért ugyanaz a kölcsönhatás és a véletlen kölcsönhatás figyelhető meg más bolygókon is. És ha a földön kívüli élet evolúciós nyomást tapasztal egy olyan környezetből, amely hasonló a földi élethez, akkor a jövő emberei olyan idegenekkel találkozhatnak, akiknek a miénkhez hasonlóan intelligenciája fejlett ki. Másrészt, ha véletlen események halmozódnak fel, és az élet egyedi útvonalak mentén vezet, amint azt Gould javasolta, a földön kívüli élet szokatlanul furcsa lehet.
Gould azt hitte, hogy az emberek "rendkívül valószínűtlen evolúciós esemény". Bizonyításként rámutatott, hogy a Föld 2,5 milliárd éve alatt az emberi intelligencia csak egyszer jelent meg. Kísértetiesen kicsi volt annak a valószínűsége, hogy egy másik faj olyan intelligenciát fejlesztett ki, mint a miénk. Annak a tényből, hogy mi lehetünk az egyetlen intelligens faj az univerzumban, következtetéseket vonhatunk le, amelyek túlmutatnak a biológián. "Egyesek ezt a lehetőséget a depresszió okának tekintik" - írta Gould a Csodálatos élet című cikkben. "Mindig úgy gondoltam, hogy élénkítő, mind a szabadság, mind ennek következtében erkölcsi felelősség forrása."
Zach Zorich
A fordítást az Új projekt hajtotta végre