Printre amfibieni, salamandra Hydromantes este campioana la viteza de tragere a limbii. În mai puțin de cinci milisecunde, ea poate prinde o insectă nefericită în zbor - de această dată include munca mușchilor, cartilajului și a părților scheletului. Dacă comparați această anatomie balistică cu broaște și cameleoni, acestea din urmă sunt sloops. David Wake, biolog evolutiv la Universitatea din California, Berkeley, spune: „Am petrecut aproximativ 50 de ani studiind evoluția limbilor salamande. Acest lucru este cu adevărat interesant, deoarece, în general, acestea nu diferă în ceea ce privește viteza mare, dar, cu toate acestea, pot face cea mai rapidă mișcare a celor care sunt disponibile pentru vertebratele mele. De-a lungul dezvoltării lor, evoluția a găsit o modalitate mai eficientă de a asigura o vânătoare de succes cu limbajul. Adaptarea lor aparent unicădezvoltat independent în trei specii de salamandre care nu au legătură. Acesta este un exemplu de evoluție convergentă, când diferiți indivizi dezvoltă în mod independent adaptări biologice similare sub influența acelorași factori de mediu. Salamandrele sunt un exemplu preferat pe care Wake îl citează atunci când i se pune întrebarea de lungă durată a biologiei evolutive: Dacă veți returna banda evoluției, se va repeta? Se pare că acest lucru s-a întâmplat în cazul salamandrelor; Cu alte organisme acest lucru nu s-ar fi putut întâmpla.dacă regăsiți banda evoluției, se va repeta? Se pare că acest lucru s-a întâmplat în cazul salamandrelor; Cu alte organisme acest lucru nu s-ar fi putut întâmpla.dacă regăsiți banda evoluției, se va repeta? Aparent, acest lucru s-a întâmplat în cazul salamandrelor; Cu alte organisme acest lucru nu s-ar fi putut întâmpla.
Această întrebare este cunoscută a fi pusă pentru prima dată de biologul evoluționar, recent decedat, Stephen Jay Gould, în 1989, în cartea sa Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, care a fost publicată într-o epocă în care oamenii încă ascultau muzică pe casete. Cartea a povestit despre fosilele găsite în șistul Burgess, rămase dintr-o multitudine de animale ciudate care au trăit pe planeta noastră acum aproximativ 520 de milioane de ani, în perioada cambriană. Aproape toate animalele care există astăzi au strămoși care au trăit în Cambrian, dar nu toate animalele din acea epocă au descendenți în epoca noastră. Mulți indivizi cambrieni au dispărut pentru că nu erau suficient de potriviți pentru lupta pentru supraviețuire sau pentru că se aflau în locul nepotrivit la momentul nepotrivit când au izbucnit vulcani, au căzut meteoriți sau au avut loc alte evenimente devastatoare.
Gould a văzut varietatea incredibilă de resturi de animale din Burgess și a speculat că flora și fauna noastră ar arăta diferit dacă istoria ar fi inversat. El a sugerat că mutațiile haotice și extincțiile speciilor, pe care le-a numit „accidente istorice”, se vor construi una peste alta, mișcând evoluția într-o direcție sau alta. Potrivit lui Gould, existența oricărui animal, inclusiv a oamenilor, este un fenomen rar, a cărui repetiție, în cazul „derulării și lansării” din perioada cambriană, este puțin probabilă. În cartea sa, Gould se referă adesea la lucrarea asupra fosilului Burgess de către paleontologul Simon Conway Morris de la Universitatea din Cambridge, însă omul de știință însuși nu este de acord cu punctul de vedere al lui Gould.
Conway Morris consideră că, în timp, selecția naturală obligă organismele să sufere o serie de adaptări pentru a umple nișele ecologice limitate ale Pământului. Acest lucru duce la faptul că speciile fără legătură converg constant în structura corpului. „Animalele trebuie să se construiască singure în conformitate cu cerințele fizice, chimice și biologice ale acestei lumi”, a spus el. Conway este convins că astfel de restricții fac aproape inevitabilă ca, în cazul „revizuirii benzii”, evoluția să devină mai devreme sau mai târziu la apariția unor organisme similare cu cele care există în lumea noastră. Dacă strămoșii noștri maimuță nu ar fi dezvoltat un creier și mintea atașată de acesta, potrivit oamenilor de știință, o altă ramură precum ciorile sau delfinii ar putea ocupa nișa în care se află acum omul. Dar Gould nu este de acord.
Ambii oameni de știință recunosc că aleatoria și convergența (dezvoltare independentă până la apariția unor semne similare - aproximativ nou de ce) au loc în evoluție. În schimb, discuția se concentrează pe cât de adaptabile sunt cheile unice sau repetabile precum mintea umană. Între timp, alți biologi au abordat puzzle-ul și au arătat cum convergența și aleatoriu se afectează reciproc. Înțelegerea interacțiunii acestor forțe ne poate ajuta să ne dăm seama dacă tot ceea ce trăim este rezultatul a 7 miliarde de ani de coincidențe de succes, sau dacă toți noi - oamenii și salamandrele - facem parte din inevitabilitate, cum ar fi moartea sau impozitele.
În loc să încerce să recreeze istoria folosind fosile, Richard Lenski, biolog evoluționist la Universitatea Michigan, a decis să observe fenomenele de convergență și șansă în timp real în mediul controlat al laboratorului său. În 1988, a împărțit populația de bacterii Escherichia coli și le-a plasat în 12 rezervoare separate de medii de cultură lichidă, permițându-le astfel să crească independent unul de celălalt. De 26 de ani acum, la fiecare câteva luni, el sau unul dintre studenții săi îngheață un lot de bacterii. Acest kit de germeni înghețat îi oferă lui Richard capacitatea de „a reporni filmul” ciclului de viață al lui E. coli din orice moment pe care îl dorește prin simpla decongelare a unei porții. În timpul întregului proces, el poate verifica,modul în care bacteriile se schimbă - atât în ceea ce privește genetica, cât și în ceea ce privește ceea ce poate fi văzut doar la microscop. Lenski explică: „Întregul experiment a fost creat pentru a testa cât de repetabilă este evoluția”.
În 11 rezervoare ale lui Lenski, E. coli a crescut ca mărime, dar bacteriile din cea de-a 12-a probă s-au împărțit în două ramuri independente - una cu celule mari, cealaltă cu celule mici. Lenski spune: „Le numim„ mari”și„ mici”. Au coexistat deja de 50 de mii de generații”. Acest lucru nu s-a întâmplat în nicio altă populație; prin urmare, putem concluziona că a avut loc un eveniment în mod aleatoriu. Și chiar și 26 de ani mai târziu, niciun alt proces nu a repetat apariția unei astfel de ramuri. Astfel, în această situație, șansa pare să fi prevalat asupra convergenței.
În 2003, a avut loc un alt episod accidental. Numărul tijelor dintr-unul dintre rezervoare a crescut într-o asemenea măsură încât mediul de cultură, care este în mod normal transparent, devine tulbure. La început, Lenski a decis că există o contaminare normală a mediului, dar, după cum s-a dovedit, E. coli, care în mod normal mânca doar glucoză dizolvată în lichid, a dezvoltat capacitatea de a consuma un alt element conținut în rezervoare: citratul. După 15 ani și 31 500 generații, doar una dintre colonii a fost capabilă să proceseze această substanță. Numărul de bacterii din ea a început să crească de 5 ori mai repede decât în alte colonii.
Video promotional:
Acest „accident istoric” i-a oferit lui Richard și absolventului său, Zachary Blount, oportunitatea de a testa probabilitatea ca un astfel de eveniment să se întâmple din nou, dacă „retrăgeau banda”. Cantitate selectată din depozitare 72 de probe de bețe congelate colectate în diferite etape ale experimentului de la o populație care a fost capabilă să încorporeze citratul în metabolismul său. El i-a dezghețat și le-a stimulat reproducerea. În curând, 4 din 72 de probe au dezvoltat aceeași capacitate de a consuma citrat. Interesant este că aceste mutații au apărut doar la populațiile înghețate după un ciclu de generație de 30 500. Analiza genetică a arătat că nu cu mult înainte de aceasta, mai multe gene au trecut prin modificări care au contribuit la apariția evoluției odată cu metabolismul citratului. Cu alte cuvinte, capacitatea de a absorbi citratul depindea de apariția altor mutații care au precedat-o. A creat o furculițăschimbarea căilor posibile pe care generațiile viitoare le pot lua.
Cunoscut sub numele de experiment pe termen lung, acest proiect E. coli a traversat acum 60.000 de generații, oferind lui Richard un set solid de date din care să tragă concluzii despre interacțiunea întâmplării și convergența în evoluție. Modificări subtile ale ADN-ului bacteriilor, făcându-le mai mari sau mai capabile să se reproducă rapid, au devenit evenimente frecvente în diferite rezervoare. În același timp, Lenski a fost martor la evenimente „uimitoare” aleatorii în care ceva complet diferit de celelalte au avut loc într-una din populații. Dar ca în fenomenul convergenței, astfel de transformări nu au fost complet aleatorii.
„Nu totul este posibil”, indiferent de proces, explică Wake: „Organismele se dezvoltă în contextul caracteristicilor moștenite”. Animalele nu pot transmite mutații distructive sau care împiedică reproducerea. În cazul salamandrei Hydromantes, strămoșii săi au fost nevoiți să depășească o limitare semnificativă: pentru a obține limbile de tragere, a fost necesar să-și sacrifice plămânii. Acest lucru se datorează faptului că o parte din acest mecanism dezvoltat din mușchii care au fost folosiți de predecesorii lor pentru a pompa aer în plămâni. Astăzi, acest mușchi odată mic și slab a devenit mult mai mare și mai puternic. Se înfășoară ca un arc în jurul osului în formă de con, în partea din spate a cavității bucale, iar atunci când mușchiul se contractă, osul creează tensiune, care trage limba împreună cu aparatul său osos din gură. Astfel, strămoșii Hydromantes nu au dobândit doar o mutație,care a evoluat într-un „limbaj balistic”. În schimb, această adaptare a urmat o serie de modificări care au permis pentru prima dată creaturii să-și depășească dependența pulmonară de oxigen și să plutească la suprafața apei. Fiecare modificare depindea de precedenta.
La rândul lor, cameleonii și-au păstrat plămânii. În loc să țâșnească cu anatomia lor, au dezvoltat colagen, permițând limbii să tragă la pradă. La prima vedere, limbile salamandrelor și cameleonilor sunt un exemplu de convergență, dar dacă te uiți cu atenție, devine clar că nu este așa. Este nevoie de un cameleon 20 de milisecunde pentru a da foc, ceea ce este un ritm al melcului în comparație cu cele cinci milisecunde de salamandre. De ce cameleonii au obținut limbi atât de lente? Răspuns: S-au confruntat cu un obstacol în calea evoluției convergente. Limba cameleonului este suficient de rapidă pentru a supraviețui, dar le lipsește „structura trăsăturilor moștenite” pentru a dezvolta anatomia balistică mai mortală a salamandrelor. Cameleonii au atins un „vârf adaptativ”, după cum spun biologii.
În experimentele cu viruși care infectează bacteriile - bacteriofage - biologul Harvard David Liu a descoperit și vârfuri adaptive. Aceste vârfuri limitează capacitatea organismelor de a converge asupra unei structuri optime. Ei explică de ce accidentele nu se întâmplă des.
Liu a vrut să știe dacă grupuri identice de bacteriofage ar putea dezvolta independent aceeași enzimă dacă li s-a aplicat aceeași presiune evolutivă. El a accelerat evoluția proteinelor la viruși folosind un sistem pe care l-a numit PACE.
În timpul experimentului, virușii care nu au reușit să producă o enzimă de care Liu avea nevoie au fost eliminați din experiment. Au rămas doar cei care au atins obiectivul. Unii dintre ei s-au dovedit enzima „mai bună” decât alții. În acest caz, au avut nevoie de enzima polimerază, care detectează o anumită secvență de ADN și o transformă în ARN, iar unele polimeraze au recunoscut secvența mai exact decât altele. Ca și limbajul relativ lent al cameleonilor, acești viruși au dezvoltat adaptări care le permit să supraviețuiască, dar îi împiedică să obțină cea mai bună polimerază. Unele virusuri s-au blocat la un vârf scăzut, altele au urcat mai sus.
Pentru a înțelege ce înseamnă biologii prin vârfuri adaptive, imaginați-vă o zonă a cărei topografie reprezintă niveluri ridicate și mici ale potențialului de reproducere. În cazul bacteriofagilor Liu, diferite populații au studiat zona, dobândind mutații diferite. Unii au sfârșit pe dealuri mici, alții pe munți de dimensiunea Everestului. Și așa au început să urce în vârful pe care l-au obținut. După ce au urcat pe un munte scăzut, virusurile nu se pot deplasa la altul mai înalt. Pentru a face acest lucru, ei vor trebui mai întâi să se întoarcă, reducându-și șansele de supraviețuire cu fiecare pas. Este foarte dificil să faci acest lucru, pentru că nu trebuie să uiți de supraviețuirea celui mai potrivit. Care mutație se va întâmpla înaintea altora - ce vârf va merge în corp - acesta este un accident istoric, pe care evoluția convergentă îl poate depăși doar cu mare dificultate,dacă se poate deloc.
Momentul apariției mutațiilor contează. „Evenimentele aleatorii timpurii care creează o diferență în grupul de gene pot afecta semnificativ dacă o mutație benefică poate afecta în final supraviețuirea unui organism”, explică Liu. „Aceste accidente reduc repetabilitatea evoluției”. În acest experiment, aleatorii au depășit convergența. Evenimentele care s-au întâmplat au împiedicat reapariția.
O modalitate prin care viața poate depăși limitele vârfurilor adaptive a fost descoperită de studiul organismelor digitale de către biologii computerului de la Universitatea de Stat din Michigan, Chris Adami și Charles Ofria. Au creat programul computerizat Avida, în care organismele digitale evoluează în condițiile stabilite de experimentator. Avidii mută, dobândind și pierdând la întâmplare linii de cod care le permit să rezolve probleme matematice, ceea ce le crește capacitatea de reproducere.
Într-un singur experiment, avidienii au primit sarcina de a obține capacitatea de a rezolva problema logică complexă a „identității bitului”. Doar 4 din 50 populații digitale au dezvoltat codul necesar pentru a efectua operațiunea. Toate populațiile de succes au primit inițial multe mutații (linii aleatorii de cod) care complică soluția problemelor matematice și, prin urmare, reproducerea. În mod paradoxal, Ophria a constatat că mutațiile proaste timpurii joacă un rol esențial în îmbunătățirea stării de fitness a generațiilor ulterioare, posibil pentru că creează diversitate genetică din care pot apărea noi mutații aleatorii.
Raritatea oricăreia dintre secvențele de evenimente confirmă faptul că marile transformări ale evoluției nu se vor mai repeta? Experimental, acest lucru este adevărat, dar Conway Morris spune ferm că nu. „Este o prostie să crezi că nu există accidente deloc. Singura întrebare este timpul”. El consideră că, cu suficient timp și genomi de mutație, selecția naturală va duce viața la adaptări inevitabile, cele mai potrivite pentru nișa ecologică a organismelor, indiferent de șansele care apar. El crede că într-o bună zi toate bacteriile E.coli din experimentul Lenski vor începe să absoarbă citratul și toate virusurile Liu vor urca pe Muntele Everest. Mai mult, aceste experimente au fost realizate în medii foarte simple și controlate, spre deosebire de ecosistemele complexe la care se adaptează viața în afara laboratorului. Greu de spus,influența lumii reale ar fi schimbat experimentele.
Până în prezent, cel mai mare defect în toate încercările de a răspunde la întrebarea filmului vieții este faptul că biologii pot trage concluzii dintr-o singură biosferă - Pământul. O întâlnire cu un organism extraterestru ne-ar spune multe. Chiar dacă organismele extraterestre nu au ADN, cel mai probabil vor prezenta tipare evolutive similare. Aceștia vor avea nevoie de unele materiale care să le fie transmise descendenților, ghidând dezvoltarea organismelor și schimbându-se în timp. După cum spune Lenski, „Ceea ce este adevărat pentru E. coli este valabil pentru microbii din întregul univers”.
Prin urmare, aceeași interacțiune între convergență și șansă poate fi observată și pe alte planete. Și dacă viața extraterestră se confruntă cu o presiune evolutivă dintr-un mediu similar cu cel trăit de viața pământească, oamenii viitorului pot găsi extratereștri care au dezvoltat convergent inteligență similară cu a noastră. Pe de altă parte, dacă se acumulează evenimente aleatorii, ducând viața pe căi unice, așa cum sugera Gould, viața extraterestră poate fi neobișnuit de ciudată.
Gould credea că oamenii sunt „un eveniment extrem de puțin evoluționar”. Drept dovadă, el a subliniat că în cei 2,5 miliarde de ani de viață pe Pământ, inteligența umană a apărut o singură dată. El a considerat că probabilitatea ca o altă specie să dezvolte o inteligență ca a noastră era mică. Din faptul că putem fi singura specie inteligentă din univers, putem trage concluzii care depășesc biologia. "Unii văd această posibilitate ca fiind un motiv pentru depresie", a scris Gould în The Wonderful Life. "Am considerat-o întotdeauna revigorantă, o sursă de libertate și, în consecință, o responsabilitate morală."
Zach Zorich
Traducerea a fost realizată de proiectul Nou
