Sammakkoeläimistä Hydromantes-salamanteri on mestari kielen ampumisen nopeudessa. Alle viidessä millisekunnissa hän voi tarttua epäonnistuneen hyönteisen lentoon - tällä kertaa sisältää lihaksen, ruston ja luurankon osat. Jos vertaat tätä ballistista anatomiaa sammakoihin ja kameleoneihin, jälkimmäiset ovat räpylöitä. Kalifornian Berkeleyn yliopiston evoluutiobiologi David Wake sanoo:”Olen viettänyt noin 50 vuotta salamander-kielten kehitystä. Tämä on todella mielenkiintoista, koska yleensä ne eivät eroa toisistaan suurella nopeudella, mutta silti ne voivat liikkua nopeimmin niistä, jotka ovat minulle tunnettujen selkärankaisten käytettävissä. Koko kehitysvaiheen ajan evoluutio on löytänyt tehokkaamman tavan varmistaa onnistunut metsästys kielellä. Heidän näennäisesti ainutlaatuinen sopeutumisensa näyttää olevankehitetty itsenäisesti kolmessa toisiinsa liittymättömässä salamanderilajissa. Tämä on esimerkki lähentyvästä evoluutiosta, kun eri yksilöt kehittävät itsenäisesti samanlaisia biologisia sopeutumisia samojen ympäristötekijöiden vaikutuksesta. Salamanderit ovat suosikkiesimerkki, jota Wake mainitsee kysyessään evoluutiobiologian pitkäaikaista kysymystä: Jos kelaat evoluution nauhaa taaksepäin, toistuuko se? Ilmeisesti näin tapahtui salamandrien tapauksessa; muiden organismien kanssa tätä ei ehkä ole tapahtunut.jos kelaat evoluutio nauhaa, toistuuko se? Ilmeisesti näin tapahtui salamandrien tapauksessa; muiden organismien kanssa tätä ei ehkä ole tapahtunut.jos kelaat evoluutio nauhaa, toistuuko se? Ilmeisesti näin tapahtui salamandrien tapauksessa; muiden organismien kanssa tätä ei ehkä ole tapahtunut.
Äskettäin kuolleen evoluutiobiologin Stephen Jay Gouldin tiedetään esittävän tämän kysymyksen ensimmäistä kertaa vuonna 1989 kirjassaan Amazing Life: Burgess Shales and History of History, joka julkaistiin aikakaudella, jolloin ihmiset vielä kuuntelivat musiikkia kasettisella nauhalla. Kirja kertoi Burgessin liuskeesta löydetyistä fossiileista, jotka olivat jäljellä lukemattomasta joukosta omia eläimiä, jotka asuivat planeetallamme noin 520 miljoonaa vuotta sitten, Kambrian aikana. Lähes kaikilla nykyisillä eläimillä on esi-isiä, jotka asuivat kambriossa, mutta kaikilla tuon aikakauden eläimillä ei ole jälkeläisiä aikakaudellamme. Monet kambriumilaiset ihmiset kuolivat sukupuuttoon, koska he eivät olleet riittävän sopivia selviytymistaisteluun, tai koska he olivat väärässä paikassa väärään aikaan tulivuorten purkautuessa, meteoriittien pudotessa tai muiden tuhoisien tapahtumien tapahtuessa.
Gould näki Burgessissa uskomattoman monenlaisia eläinjäännöksiä ja arvasi, että kasvisto ja eläimistömme näyttäisivät erilaisilta, jos historia olisi kääntynyt toiseen suuntaan. Hän ehdotti, että lajien kaoottiset mutaatiot ja sukupuuttoon sukupolvet, joita hän kutsui "historiallisiksi onnettomuuksiksi", rakentuisivat toistensa päälle ja liikuttaisivat evoluutiota toiseen suuntaan. Gouldin mukaan minkä tahansa eläimen, mukaan lukien ihmiset, esiintyminen on harvinainen ilmiö, jonka toistuminen Cambrian ajanjaksolta tapahtuvan "edestakaisin ja laukaisun" tapauksessa on epätodennäköistä. Gould viittaa kirjassaan usein Cambridge'in yliopiston paleontologin Simon Conway Morrisin teokseen Burgess-fossiilista, mutta tiedemies itse on vahvasti eri mieltä Gouldin näkemyksestä.
Conway Morris uskoo, että ajan myötä luonnollinen valinta pakottaa organismit suorittamaan sarjan mukautuksia Maan rajoitettujen ekologisten markkinarakojen täyttämiseksi. Tämä johtaa tosiasiaan, että toisiinsa liittymättömät lajit lähentyvät jatkuvasti kehon rakennetta. "Eläinten on rakennettava itsensä tämän maailman fyysisten, kemiallisten ja biologisten vaatimusten mukaisesti", hän sanoi. Conway on vakuuttunut siitä, että tällaiset rajoitukset tekevät melkein väistämättömästä, että nauhan kelaamisen tapauksessa evoluutio johtaisi ennemmin tai myöhemmin sellaisten organismien syntyyn, jotka ovat samanlaisia kuin maailmassa. Jos apinaesivanhempamme eivät olisi kehittäneet aivoja ja siihen kiinnittynyttä mieltä, tutkijan mukaan toinen haara, kuten varikset tai delfiinit, voisivat viedä sen kapean tilan, jossa ihminen on nyt. Mutta Gould on eri mieltä.
Molemmat tutkijat tunnustavat, että satunnaisuus ja lähentyminen (itsenäinen kehitys siihen saakka, kunnes samankaltaisia merkkejä ilmaantuu - suunnilleen uusi miksi) tapahtuvat evoluutiossa. Sen sijaan keskustelu keskittyy siihen, kuinka ainutlaatuiset tai toistettavat avainsopeutumukset, kuten ihmismieli ovat. Sillä välin muut biologit ovat tarttuneet palapeliin ja osoittaneet, miten lähentyminen ja satunnaisuus vaikuttavat toisiinsa. Näiden joukkojen vuorovaikutuksen ymmärtäminen voi auttaa meitä selvittämään, onko kaikki elävä 7 miljoonan vuoden sattumien seurausta vai ovatko me kaikki - ihmiset ja salamandreja - osa väistämättömyyttä, kuten kuolema tai verot.
Sen sijaan, että yrittäisivät luoda historiaa uudelleen fossiilien avulla, Michiganin yliopiston evoluutiobiologi Richard Lenski päätti tarkkailla lähentymisen ja sattuman ilmiöitä reaaliajassa laboratorionsa kontrolloidussa ympäristössä. Vuonna 1988 hän jakoi Escherichia coli -bakteerien populaatiot ja asetti ne 12 erilliseen nestemäisten viljelyalustojen säiliöön, jolloin ne voivat kasvaa toisistaan riippumatta. Jo 26 vuoden ajan joka muutaman kuukauden välein hän tai yksi hänen opiskelijoistaan on jäädyttänyt yhden erän bakteereja. Tämä jäädytetty sukusarja antaa Richardille kyvyn "käynnistää elokuva" uudelleen E. colin elinkaaresta mistä tahansa halutusta hetkestä sulattamalla vain yksi annos. Koko prosessin ajan hän voi tarkistaa,kuinka bakteerit muuttuvat - sekä genetiikan että sen suhteen, mitä voidaan nähdä vain mikroskoopilla. Lenski selittää: "Koko koe perustettiin testaamaan, kuinka toistettava evoluutio on."
Yhdessätoista Lenskin säiliössä E. coli kasvoi kooltaan, mutta kahdestoista näytteen bakteerit jakautuivat kahteen itsenäiseen haaraan - toisessa suuret solut, toisessa pienet. Lenski sanoo:”Kutsumme heitä suuriksi ja pieniksi. He ovat olleet rinnakkain jo 50 tuhannen sukupolven ajan”. Tätä ei ole tapahtunut missään muussa väestössä; tästä syystä voimme päätellä, että tapahtui evoluuttisesti satunnainen tapahtuma. Ja jopa 26 vuotta myöhemmin mikään muu oikeudenkäynti ei ole toistanut tällaisen sivuliikkeen esiintymistä. Siten mahdollisuudet näyttävät tässä tilanteessa voittaneen lähentymisen suhteen.
Vuonna 2003 oli toinen vahingossa tapahtunut jakso. Sauvojen lukumäärä yhdessä säiliöstä on kasvanut siihen määrään asti, että elatusaine, joka on tavallisesti läpinäkyvä, tulee sameaksi. Aluksi Lenski päätti, että ympäristö oli normaalisti saastunut, mutta kuten kävi ilmi, E. colilla, joka yleensä söi vain nesteeseen liuotettua glukoosia, kehittyi kyky kuluttaa toinen säiliöissä oleva osa: sitraatti. 15 vuoden ja 31 500 sukupolven jälkeen vain yksi pesäkkeistä pystyi käsittelemään tätä ainetta. Bakteerien lukumäärä alkoi kasvaa viisi kertaa nopeammin kuin muissa pesäkkeissä.
Mainosvideo:
Tämä "historiallinen onnettomuus" antoi Richardille ja hänen tutkinnon suorittaneelle Zachary Blountille mahdollisuuden testata tällaisen tapahtuman todennäköisyyttä uudelleen, jos he "kelavat nauhan". Blount valitsi varastosta 72 näytettä jäädytetyistä tikkuista, jotka kerättiin kokeen eri vaiheissa populaatiosta, joka kykeni myöhemmin sisällyttämään sitraatti metaboliaan. Hän sulatti heidät ja stimuloi heidän lisääntymistään. Pian 4: lla 72: sta näytteestä kehittyi sama kyky kuluttaa sitraattia. Mielenkiintoista, että nämä mutaatiot tapahtuivat vain populaatioissa, jotka olivat jäätyneet 30 500 sukupolven jakson jälkeen. Geneettinen analyysi osoitti, että vasta kauan ennen tätä useissa geeneissä tapahtui muutoksia, jotka myötävaikuttivat evoluution syntyyn sitraatin metabolian mukana. Toisin sanoen kyky imeä sitraattia riippui muiden sitä edeltäneiden mutaatioiden esiintymisestä. Se loi haarukanmuuttamalla mahdollisia polkuja, joita tulevat sukupolvet voivat kulkea.
Pitkäaikaisena evoluutiokokeena tunnetuksi tämä E. coli -hanke on nyt ylittänyt 60 000 sukupolvea, jolloin Richard on saanut vankan tietojoukon, josta voidaan tehdä johtopäätöksiä sattuman ja evoluution konvergenssin vuorovaikutuksesta. Hienovaraisista muutoksista bakteerien DNA: ssa, jotka tekevät niistä suurempia tai kykeneviä lisääntymään nopeasti, on tullut usein tapahtumia erilaisissa säiliöissä. Samaan aikaan Lenski todisti "hätkähdyttäviä" satunnaisia tapahtumia, joissa yhdessä populaatiossa tapahtui jotain täysin erilaista kuin muut. Mutta kuten lähentymisen ilmiössä, sellaiset muutokset eivät olleet täysin satunnaisia.
"Kaikki ei ole mahdollista", prosessista riippumatta, Wake selittää: "Organismit kehittyvät perittyjen ominaisuuksien yhteydessä." Eläimet eivät voi välittää tuhoavia tai lisääntymistä estäviä mutaatioita. Hydromantes-salamanderin esi-isiensä oli ylitettävä merkittävä rajoitus: ampumiskielensä saamiseksi oli tarpeen uhrata keuhkot. Tämä johtuu siitä, että osa tästä mekanismista kehitettiin lihaksista, joita edeltäjät käyttivät pumppaamaan ilmaa keuhkoihin. Nykyään tästä pienestä ja heikosta lihaksesta on tullut paljon suurempi ja vahvempi. Se kääntyy kuin jousi kartiomaisen luun ympärillä suuontelon takana, ja kun lihas supistuu, luu luo jännitystä, joka ampuu kielen yhdessä luu-laitteensa kanssa suusta. Siten Hydromantesin esi-isät eivät vain hankkineet mutaatiota,josta kehittyi "ballistinen kieli". Sen sijaan tämä mukautuminen seurasi sarjaa muutoksia, jotka ensin antoivat olennon voittaa keuhkojen riippuvuus hapesta ja kellua veden pinnalle. Jokainen muutos riippui edellisestä.
Kameleonit puolestaan säilyttivät keuhkonsa. Sen sijaan, että niitti anatomiansa, he kehittivät kollageenia, jolloin kieli voi ampua saalista. Ensi silmäyksellä salamandrien ja kameleontien kielet ovat esimerkki lähentymisestä, mutta jos tarkastellaan tarkkaan, käy selväksi, että näin ei ole. Se vie kameeleonin 20 millisekuntia tulen, mikä on etanan vauhti verrattuna viiteen millisekunnin ajan salamandreja. Miksi kameleontit saivat niin hitaita kieliä? Vastaus: He joutuivat esteeseen lähentyvän evoluution tielle. Kameleonin kieli on riittävän nopea hengissä hengissä, mutta heiltä puuttuu "peritty ominaisuusrakenne" salamandrien tappavamman ballistisen anatomian kehittämiseksi. Kameleonit ovat saavuttaneet”adaptiivisen huipun”, kuten biologit sanovat.
Harvardin biologi David Liu löysi myös adaptiivisia piikkejä kokeissa viruksia, jotka tartuttavat bakteereita - bakteriofageja. Nämä piikit rajoittavat organismien kykyä lähentyä yhteen optimaaliseen rakenteeseen. He selittävät, miksi onnettomuuksia ei tapahdu usein.
Liu halusi tietää, voisiko identtiset bakteriofaagiryhmät kehittää itsenäisesti saman entsyymin, jos niihin kohdistuisi sama evoluutiopaine. Hän nopeutti virusten proteiinien kehitystä PACE-nimisen järjestelmän avulla.
Kokeen aikana virukset, jotka eivät pystyneet tuottamaan entsyymiä, jota Liu tarvitsi, poistettiin kokeesta. Vain ne, jotka olivat saavuttaneet tavoitteen, pysyivät. Jotkut heistä osoittautuivat entsyymin "paremmaksi" kuin toiset. Tässä tapauksessa he tarvitsivat entsyymipolymeraasia, joka havaitsee tietyn DNA-sekvenssin ja muuttaa sen RNA: ksi, ja jotkut polymeraasit tunnistivat sekvenssin tarkemmin kuin toiset. Kuten kameleontien suhteellisen hidas kieli, nämä virukset ovat kehittäneet mukautuksia, jotka antavat heille selviytyä, mutta estävät heitä saamasta parasta polymeraasia. Jotkut virukset juuttuivat matalaan huippuun, jotkut nousivat korkeammalle.
Ymmärtääksesi, mitä biologit tarkoittavat adaptiivisilla piikkeillä, kuvittele alue, jonka topografia edustaa korkeaa ja matalaa lisääntymispotentiaalia. Liun bakteriofagien tapauksessa eri populaatiot tutkivat aluetta hankkimalla erilaisia mutaatioita. Jotkut päätyivät pienille kukkuloille, toiset Everestin kokoisille vuorille. Ja niin he alkoivat kiivetä saamaansa huipulle. Noustessaan mataalle vuorelle virukset eivät voi siirtyä toiseen, korkeammalle. Tätä varten heidän on ensin palauduttava alaspäin vähentämällä selviytymismahdollisuuksiaan jokaisella vaiheella. Tätä on erittäin vaikea tehdä, koska ei pidä unohtaa kovimmankin selviytymistä. Mikä mutaatio tapahtuu ennen muita - mikä huippu menee vartaloon - tämä on historiallinen onnettomuus, jonka yhtenäinen evoluutio voi voittaa vain suurilla vaikeuksilla,jos se voi ollenkaan.
Mutaatioiden esiintymisen ajoituksella on merkitystä. "Varhaiset satunnaiset tapahtumat, jotka luovat eron geenivarannossa, voivat vaikuttaa merkittävästi siihen, voiko hyödyllinen mutaatio lopulta vaikuttaa organismin selviytymiseen", Liu selittää. "Nämä onnettomuudet vähentävät evoluution toistettavuutta." Tässä kokeessa satunnaisuus ylitti lähentymisen. Tapahtumat estävät uusiutumisen.
Michiganin osavaltion yliopiston tietokonebiologit Chris Adami ja Charles Ofria tutkivat yhden tavan, jolla elämä voi voittaa mukautuvien piikkien rajoitukset. He loivat tietokoneohjelman Avida, jossa digitaaliset organismit kehittyvät kokeilijan asettamissa olosuhteissa. Avidialaiset muuttuvat, hankkimalla ja kadottamalla satunnaisesti koodirivit, joiden avulla he voivat ratkaista matemaattisia ongelmia, mikä lisää heidän kykyään toistua.
Yhdessä kokeessa avidaalaisille annettiin tehtäväksi saada kyky ratkaista monimutkainen looginen ongelma, joka on "bittiidentiteetti". Vain 4 digitaalisesta populaatiosta 50: stä on kehittänyt operaation suorittamiseen tarvittavan koodin. Kaikki onnistuneet populaatiot saivat alun perin monia mutaatioita (satunnaisia koodiriviä), jotka vaikeuttavat matemaattisten ongelmien ratkaisua ja siten lisääntymistä. Paradoksaalisena, miltä se kuulostaa, Ofria havaitsi, että varhaisilla huonoilla mutaatioilla on avainasemassa kuntoisuuden parantamisessa myöhemmissä sukupolvissa, mahdollisesti siksi, että ne luovat geneettisen monimuotoisuuden, josta voi syntyä uusia satunnaisia mutaatioita.
Vahvistaako jonkin tapahtumajakson harvinaisuus, että evoluution suuret käännökset eivät todennäköisesti toistu? Kokeellisesti tämä on totta, mutta Conway Morris sanoo tiukasti ei.”On typerää ajatella, ettei mitään tapaturmia ole. Ainoa kysymys on aika. Hän uskoo, että jos riittävästi aikaa ja mutaatiogenomeja, luonnollinen valinta johtaa elämään väistämättömiin mukautumisiin, jotka sopivat parhaiten organismien ekologiseen markkinarakoon syntyvistä mahdollisuuksista riippumatta. Hän uskoo, että jonain päivänä kaikki Lenskin kokeessa olevat E. colin bakteerit alkavat imeytyä sitraattiin ja kaikki Liu-virukset kiipeävät Mount Everestiin. Lisäksi nämä kokeet suoritettiin hyvin yksinkertaisissa ja kontrolloiduissa ympäristöissä, toisin kuin monimutkaisissa ekosysteemeissä, joihin laboratorion ulkopuolinen elämä mukautuu. Vaikea sanoa,todellisen maailman vaikutus olisi muuttanut kokeiluja.
Tähän päivään mennessä suurin virhe kaikissa elämäkysymyksen vastausyrityksissä on, että biologit voivat tehdä johtopäätöksiä vain yhdestä biosfääristä - maasta. Kohtaaminen maapallon ulkopuolisen organismin kanssa kertoisi meille paljon. Vaikka vierailla organismeilla ei ole DNA: ta, niillä on todennäköisesti samanlaiset evoluutiokuviot. He tarvitsevat jonkin verran materiaalia, joka siirretään jälkeläisille, ohjaten organismien kehitystä ja muuttuvan ajan myötä. Kuten Lenski sanoo: "Mikä on totta E. colille, on totta mikrobille koko maailmankaikkeudessa."
Siksi sama lähentymisen ja sattuman välinen vuorovaikutus voidaan havaita muilla planeetoilla. Ja jos maapallon ulkopuolinen elämä kokee evoluutiopaineita ympäristöstä, joka on samanlainen kuin maallisen elämän kokema, tulevaisuuden ihmiset saattavat löytää muukalaisia, jotka ovat lähentyneet älykkyyttä, joka on samanlainen kuin meidän. Toisaalta, jos satunnaisia tapahtumia kertyy, mikä johtaa elämää ainutlaatuisilla poluilla, kuten Gould ehdotti, maan ulkopuolinen elämä voi olla epätavallisen outoa.
Gould uskoi, että ihmiset ovat "erittäin epätodennäköinen evoluutiotapahtuma". Todisteena hän huomautti, että 2,5 miljardin vuoden elämässä maan päällä ihmisen älykkyys ilmestyi vain kerran. Hän piti aavemaisen pienenä todennäköisyyttä, että toinen laji kehittää meidän kaltaisen älykkyyden. Se tosiasiasta, että voimme olla maailman ainoat älykkäät lajit, voimme tehdä johtopäätöksiä, jotka ylittävät biologian. "Jotkut näkevät tämän mahdollisuuden masennuksen syynä", Gould kirjoitti The Wonderful Life -lehdessä. "Olen aina pitänyt häntä virkistävänä, sekä vapauden että seurauksena moraalisen vastuun lähteenä."
Zach Zorich
Käännös toteutettiin New-projektissa