Последните научни открития доведоха някои учени до извода, че е необходимо да се направят корекции и допълнения в синтетичната теория на еволюцията.
Кевин Лаланд посети конферентната зала, която събра няколкостотин души, за да обсъди бъдещето на еволюционната биология. Един от колегите седна с него и го попита как смята, че нещата вървят в тази област.
- Всичко изглежда върви добре - отговори Лаланд. "Все още няма сериозни спорове."
Кевин Лаланд е еволюционен биолог в Университета Сейнт Андрюс в Шотландия. В студен, облачен ноемврийски ден той пътува до Лондон, за да бъде домакин на среща на Кралското общество на науката за новите тенденции в еволюционната биология. Залата беше изпълнена с биолози, антрополози, лекари, компютърни учени и самопровъзгласени идеолози. Кралското общество на науката се помещава в страхотна сграда с изглед към парка на Сейнт Джеймс. Единственото, което Лаланд можеше да види от високите прозорци на конферентната зала днес, бяха скелето и фасадната мрежа за ремонтни дейности. Вътре, надяваше се Лаланд, днес също ще има модернизация, но от различен тип.
В средата на 1900 г. биолозите допълват теорията на Дарвин за еволюцията с нови разбирания от генетиката и други области на науката. Резултатът от това беше така наречената "синтетична теория на еволюцията", която определя посоката на еволюционната биология от 50 години. По това време учените научиха много факти за това как работи животът и сега могат да секвенират цели геноми, да наблюдават как гените се включват и изключват в развиващите се ембриони и как животните и растенията реагират на промените в околната среда.
В резултат Лаланд и група биолози, които споделят същото мнение с него, стигнаха до извода, че синтетичната теория на еволюцията трябва да бъде преразгледана. Стана необходимо да му се придаде нова форма на виждане за еволюцията, която те нарекоха концепцията за "разширен синтез". Други биолози изразиха несъгласието си с аргумента, че няма достатъчно основание за такава промяна в парадигмата.
Тази среща в Кралското общество на науката беше първата публична конференция, на която Лаланд и неговите колеги имаха възможността да представят своите виждания по въпроса. Но Лаланд не беше в настроение просто да проповядва възгледите си на съмишленици, затова на конференцията бяха поканени и изтъкнати еволюционни биолози, скептично настроени към принципите на разширения синтез.
И двете страни изразиха своите гледни точки и критики по цивилизован начин, но понякога имаше напрежение в публиката, изразено от дрънкане, търкаляне на очи и бурни аплодисменти.
Промоционално видео:
Но така и не се стигна до битки. Поне засега.
Еволюция както обикновено
За всяка наука идва време на трансформация и време, когато нещата вървят както обикновено. След като Галилео и Нютон извадиха физиката от стари погрешни схващания през 1600-те, тя започна да се движи напред от едно скромно постижение към следващото до 1900-те. Тогава Айнщайн и други учени положиха основите на квантовата физика, представиха теорията на относителността и други нови начини за познаване на Вселената. Никой от тях не спори, че Нютон греши. Но се оказва, че Вселената всъщност не е само материя в движение.
Еволюционната биология е имала свои революции. Първият със сигурност започва през 1859 г. с произхода на Чарлз Дарвин „Произходът на видовете“. Дарвин комбинира информация от областите на палеонтологията, ембриологията и други науки, за да покаже общия произход на всички живи организми. Той също така въведе концепцията за естествен подбор, механизъм за управление на тези дългосрочни промени. Всяко поколение от вида показва голяма вариабилност. Понякога това помагаше на организмите да оцелеят и да се размножават и благодарение на наследствеността се предаваше на следващите поколения.
Дарвин вдъхновява биолозите по света да изучават животни и растения от нова гледна точка, интерпретирайки тяхната биология като адаптация от предишни поколения. И успя в това, въпреки факта, че нямаше представа за гените. Едва през 30-те години генетиците и биолозите обединяват сили и преформулират еволюционната теория. Наследствеността се разглежда като предаване на гени от поколение на поколение. Промените се дължаха на мутации, които могат да се смесват за създаване на нови комбинации. Нови видове са се появили, когато са се образували мутации в популации, които са правили невъзможно преминаването на междувидови видове.
През 1942 г. британският биолог Джулиан Хъкли описва тази възникваща концепция в книгата си „Еволюция: съвременен синтез“. Учените все още използват това име. (Понякога го наричат нео-дарвинизъм, въпреки че терминът всъщност е подвеждащ. Терминът неодарвинизъм е въведен през 1800-те години и се използва от биолози, които популяризираха идеите на Дарвин през живота си.)
Синтетичната теория на еволюцията се оказа мощен инструмент в областта на въпросите, свързани с природата. Учените са го използвали за различни открития от историята на живота, като например защо някои хора са предразположени към генетични заболявания като сърповидно-клетъчна болест или защо пестицидите рано или късно спират да работят върху вредители. Но скоро след формирането на концепцията за съвременен синтез, различни биолози започват периодично да се оплакват от прекомерната му категоричност. Но едва през последните няколко години Лаланд и други учени успяха да обединят и координират усилията за разработване на принципите на разширен еволюционен синтез, който би могъл да го замести.
Изследователите не смятат синтетичната теория за еволюцията като грешна концепция - тя просто не е в състояние да отразява цялото богатство на еволюцията. Организмите наследяват повече от просто гени - те могат да наследяват други клетъчни молекули, както и поведението, което научават и местообитанията на предците им. Лаланд и неговите колеги също оспорват преобладаващата роля на естествения подбор в обяснението как е възникнал животът такъв, какъвто го познаваме днес. Ходът на еволюцията може да бъде повлиян от други процеси - от правилата, според които се развиват видове, до външните условия на тяхното обитаване.
„Не става дума за завинтване на все повече и повече машини за това, което вече имаме“, каза Лаланд. "Трябва да гледаме на причинно-следствената връзка от друг ъгъл."
Допълващ Дарвин
Биологът от университета в Тел Авив Ева Яблонка в речта си се опита да анализира доказателствата, че не само гените могат да определят формите на наследяване.
Нашите клетки използват редица молекули, за да разпознаят кои гени правят протеини. Например, в процес, наречен метилиране, клетките ограничават своята ДНК, за да затворят определени гени затворени. Когато клетките се делят, те могат да използват същия принцип, като по този начин контролират нова ДНК. Определени сигнали, получени от околната среда, могат да накарат клетките да променят така наречения „епигенетичен“контрол, позволявайки на организмите да се адаптират към новите условия.
Някои изследвания показват, че при определени обстоятелства епигенетичните промени в родителя могат да се предадат на потомството. А те от своя страна могат да предадат този променен епигенетичен код на децата си. Това е вид наследяване извън гените.
Този принцип на наследяване се вижда особено ясно при растенията. В едно проучване учените успяха да проследят променен модел на метилиране до 31 поколения, използвайки растение, наречено Arabidopsis. Този тип наследяване може значително да промени функционирането на организма. В друго проучване учените откриват, че наследените модели на метилиране могат да променят времето на цъфтеж на арабидопсис и да повлияят на размера на корените му. Променливостта, причинена от тези модели, беше по-голяма от тази, причинена от обикновените мутации.
След като представи доказателствата, г-жа Yablonka твърди, че епигенетичните различия могат да определят зрелостта на организмите за размножаване. "Естественият подбор може да окаже влияние върху тази система", каза тя.
Тъй като естественият подбор оказва значително влияние върху хода на еволюцията, участниците в конференцията представиха доказателства за това как тя може да бъде ограничена или изместена в различна посока. Биологът от Виенския университет Герд Мюлер посочи пример от собствените си изследвания върху гущерите. Някои видове гущери са загубили пръстите на задните си крака по време на еволюцията. Някои видове имаха само четири пръста, други само един, а някои загубиха крайниците си изцяло.
Според Мюлер синтетичната теория на еволюцията кара учените да разглеждат тези механизми като просто резултат от естествения подбор, което благоприятства един вариант поради неговите предимства в оцеляването. Но този подход няма да работи, ако се чудите какво е предимството за определен вид индивиди при загубата на първия и последния пръст, а не на всеки друг.
„Отговорът на този въпрос е, че няма истинско селективно предимство“, каза Мюлер.
Ключът към разбирането защо гущерите губят определени пръсти е преди всичко как се развиват пръстите на гущерите в ембрионалното им състояние. Първо се появяват процеси отстрани, а след това от тях се развиват пет пръста, винаги в една и съща последователност. И ги губят в хода на еволюцията в обратен ред. Мюлер предполага, че такива ограничения са причинени от невъзможността мутациите да възпроизведат всички възможни промени в черта. По този начин някои комбинации от пръсти не са достъпни и естественият подбор изобщо не може да ги избере.
Развитието може да ограничи еволюцията и от друга страна дарява животни и растения с висока пластичност. Соня Султан, еволюционен еколог от Уеслийския университет, даде любопитен пример в речта си, като говори за билката на семейство елда, която изучава, ментата.
В рамките на съвременния синтез, каза Султан, адаптирането на алпиниста ще ви се стори прецизно настроен резултат от естествения подбор. Ако расте в условия на слаба осветеност, естествената селекция ще благоприятства растенията с променени черти, които им позволяват да процъфтяват в околната среда, например чрез разработване на по-широки листа за фотосинтеза. А тези, които растат на ярка слънчева светлина, развиват адаптации за успешен растеж при различни условия.
„Това говори в полза на гледната точка, че срещата ни е посветена на противопоставянето“, каза Султан.
Ако отглеждате генетично идентични растения на съцветия при различни условия, в крайна сметка получавате растения, които изглежда принадлежат към различни видове.
За начало, ментата настройва размера на листата си спрямо количеството слънчева светлина, което получава. При ярка светлина листата им стават тесни и плътни, а при слаба светлина стават широки и тънки. В суха почва тези растения се вкореняват дълбоко в земята в търсене на вода, а в добре овлажнена почва, корените стават къси, космат и плитки.
Учените на срещата твърдят, че подобна пластичност може сама да допринесе за хода на еволюцията. Тя позволява на растенията да се разпространяват в различни местообитания, например, към които след това естествената селекция адаптира гените си. Сред ораторите беше Сюзън Антон, палеоантрополог от Нюйоркския университет, която твърди, че пластичността може да играе значителна роля в досега подценяването на човешката еволюция. Това е така, защото през последния половин век съвременният синтез повлия значително на изследването му.
Палеоантрополозите са склонни да третират чертите, открити в фосилите, в резултат на генетични различия. Това им позволи да пресъздадат еволюционното дърво на човека и изчезнали форми, близки до него. Привържениците на този подход са постигнали значителни резултати, призна Антон. До 80-те години на миналия век учените са разбрали, че преди около два милиона години нашите ранни роднини са били малки и са имали малки мозъци. Тогава представители на една от линиите на наследство станаха по-високи и развиха голям мозък. Този преход бележи произхода на нашия вид, Homo.
Но понякога палеоантрополозите откриват вариации, които са трудни за разбиране. Двата вкаменелости може да изглежда да принадлежат към един и същи вид по някакъв начин, но много различни при други. Учените са склонни да игнорират подобни предизвикани от околната среда различия. „Искахме да се отървем от всичко и да стигнем дотам“, каза Антон.
Но „всичко това“е твърде много, за да се игнорира. Учените са открили поразително разнообразие от хуманоидни вкаменелости, датирани преди между 1,5 и 2,5 милиона години. Някои са високи, а други - не, други имат големи мозъци, а други - малки. Всичките им скелети споделят Homo черти, но всеки има объркваща комбинация от различия.
Антон вярва, че принципите на разширения синтез могат да помогнат на учените да разберат тази объркваща история. По-конкретно, тя смята, че нейните колеги трябва да приемат сериозно пластичността като обяснение за странното многообразие на ранните човешки вкаменелости.
В подкрепа на тази идея Антън отбеляза, че живите хора имат свой вид пластичност. Качеството на храната, която жена получава по време на бременност, може да повлияе на растежа и здравето на бебето, а въздействието може да се проследи до зряла възраст. Освен това размерът на самата жена, който отчасти зависи от диетата на собствената й майка, може да повлияе на нейните деца. Биолозите са открили например, че децата на жени с дълги крака като цяло са по-високи от връстниците си.
Антън предположи, че странните промени от палеонтологичния архив могат да бъдат още по-драматични примери за пластичност. Всички тези вкаменелости датират от време, в което климатът в Африка е бил под силни колебания. Сушата и проливните дъждове могат да променят хранителните ресурси в различни региони на света, което ще доведе до развитие на ранните хора в различна посока.
Разширената теория на еволюционния синтез също може да ни помогне да се справим с друга глава в нашата история - появата на земеделието. В Азия, Африка и Америка хората имат опитомени култури и добитък. Смитсоновският археолог Мелинда Зедер говори с проблемното разбиране за това как може да се случи тази трансформация.
Преди хората да започнат да се занимават със земеделие, те трябваше да получат собствена дивеч за храна и лов. Зедер обясни колко учени интерпретират поведението на събирането в контекста на съвременния еволюционен синтез: като нещо превъзходно регулирано от естествения подбор, за да получат по-добри награди за усилията си да намерят храна.
Трудно е да си представим как такива събирачи изобщо биха могли да преминат към селското стопанство. „Не получаваш незабавно удоволствие от това да вземеш храната и да я сложиш в устата си“, ми каза Зедер.
Някои учени предполагат, че преходът към селското стопанство може да е настъпил по време на климатичните промени, когато намирането на диви растения стана много по-трудно. Но Зедер и други не са намерили никакви доказателства за криза, в която земеделието би могло да възникне.
Зедер твърди, че има и друга гледна точка по този въпрос. Хората не са послушни зомбита, които се опитват да оцелеят в постоянна среда, а творчески мислещи индивиди, които могат да променят самата среда и да насочат еволюцията в нова посока.
Учените наричат тази сграда от екологична ниша, процес, в който участват много видове. Сред класическите случаи бобрите си заслужават да се отбележат. Изсичат дървета и изграждат язовир, създавайки езерце. В тези нови условия някои видове растения и животни ще бъдат по-добри от други. И те ще се адаптират по нови начини към средата си. Това важи не само за растенията и животните, живеещи около езерното бобър, но и за самите бобри.
Според Зедер първото й запознаване с концепцията за изграждане на екологична ниша беше откровение за нея. „Това беше като малки експлозии в главата ми“, каза ми тя. Археологическите находки, събрани от нея и други учени, ще помогнат да се разбере как хората успяха да променят условията на околната среда.
Изглежда ранните събирачи са преместили дивите растения далеч от естествените си местообитания, така че те винаги могат да бъдат намерени под ръка. Поливайки растения и предпазвайки ги от тревопасните, хората им помагат да се адаптират към новата си среда. Плевелите също промениха местообитанието си и станаха независими земеделски култури. Някои животни също са се приспособили към средата си, превръщайки се в кучета, котки и други домашни видове.
Постепенно от хаотично разпръснати петна от земя, обитавана от диви растения, условията на околната среда се променят към гъсто разположени обработваеми полета. Това допринесе не само за еволюцията на растенията, но и за развитието на културата сред селяните. Вместо да се скитат по света като номади, те се заселват в села и получават възможност да обработват земята наоколо. Обществото стана по-стабилно, тъй като децата получават екологично наследство от родителите си. Така започна цивилизацията.
Изграждането на екологична ниша е само една от многото модерни концепции за еволюционен синтез, които могат да ни помогнат да разберем процеса на опитомяване, заяви Зедер. По време на речта си тя представи най-различни предсказания, плъзгащи се по слайд, вариращи от движенията на ранните събирачи до темповете на развитие на растенията.
„Чувствах се като реклама на принципите на разширения еволюционен синтез“, каза ми по-късно Зедер, смеейки се. - Но това не е всичко! Можете да получите комплект кухненски ножове!"
Връщането на естествения подбор
Сред присъстващите в стаята беше биолог на име Дейвид Шакер, изследовател от Университета на Сейнт Андрюс. Спокойно слушаше дискусиите ден и половина, а сега реши сам да вземе думата и вдигна ръка.
Говорителят пред него беше Денис Нобъл, физиолог с шок на сива коса и синьо яке. Ноубъл, който прекара по-голямата част от кариерата си в Оксфорд, заяви, че започва като традиционен биолог, който вярва, че гените са основната причина за всичко в организма. Но през последните години той промени мнението си и започна да говори за генома не като основа за живота, а за чувствителен орган, който открива стрес и е в състояние да се възстанови за преодоляване на проблемите. „Отне ми доста време, за да стигна до това заключение“, каза Ноубъл.
За да илюстрира този нов възглед, Ноубъл говори за най-различни скорошни експерименти. Една от тях беше публикувана миналата година от екип от Университета в Рединг и беше изследването на бактериите, които се движат през околната среда, използвайки дълги въртящи се опашки.
На първо място, учените изолираха ген от ДНК на бактериите, който е отговорен за отглеждането на опашка. След това поставиха получените без опашки индивиди в петри със съкровен запас от храна, която те скоро консумираха. Без способността да се движат, те умряха. След по-малко от четири дни в тези тежки условия бактериите отново започнаха да плуват. При внимателна проверка беше установено, че те са отглеждали нови опашки.
„Стратегията е да се създадат бързи еволюционни промени в генома в отговор на неблагоприятните външни влияния“, обясни Ноубъл пред публиката. "Това е самоподдържаща се система, която позволява да се проявят определени свойства независимо от ДНК."
Шейкър не го намери за убедително и след като аплодисментите стихнаха, той реши да влезе в дискусия с Noble.
"Бихте ли коментирали механизма, стоящ зад това откритие?" - попита Шейкър.
Благородният започна да заеква. "Механизмът в общи линии, мога, да …", каза той и след това започна да говори за мрежи и правила и трескавото търсене на изход от кризата. „Трябва да се позовете на оригиналния текст на доклада“, каза той.
Докато Ноубъл се мъчеше да отговори, Шейкър погледна отворената лекция в клипборда си. И започна да чете на глас един от параграфите.
„Нашите открития показват, че естественият подбор може бързо да промени регулаторните мрежи“, прочете Шейкър и сложи своя iPad. „Това е чудесен, просто прекрасен пример за бърза неодарвинова еволюция“, каза той.
Шейкър получи самата същност на чувствата на значителен брой скептици, с които успях да говоря на конференцията. Според тях амбициозната реторика относно смяната на парадигмата беше предимно неоснователна. Тези скептици обаче не останаха в сянка. Някои от тях решиха да вземат думата лично.
„Мисля, че се очаква да говоря за еволюцията на юра“, каза Дъглас Футуима, заемайки подиума. Футуима е отличен биолог от университета Стони Брук в Ню Йорк и автор на голям учебник по еволюция. По време на срещата той беше обсипан с оплаквания, че учебниците обръщат малко внимание на неща като епигенетиката и пластичността. Всъщност Футуима беше просто поканен да обясни на колегите защо тези концепции са игнорирани.
„Трябва да признаем, че основните положения на синтетичната теория на еволюцията са силни и валидни“, казва Футуима. Не само това, добави той, но разновидностите на биологията, обсъдени в Кралското общество, всъщност не са толкова нови. Създателите на синтетичната теория за еволюцията ги споменават преди повече от 50 години. За да ги разберем, са проведени много изследвания, базирани на съвременния еволюционен синтез.
Вземете пластичност. Генетичната промяна при животни или растения регулира обхвата на формите, в които организмът може да се развие. Мутациите са в състояние да променят този диапазон. А математическите модели на естествения подбор показват как може да насърчава определени видове пластичност за сметка на други.
Ако теорията за разширения еволюционен синтез не е нужна на никого, как е цяла среща в Кралското научно общество? Футуима предположи, че този интерес е по-скоро емоционален, отколкото научен. Неговите принципи превръщат живота в движеща сила, а не в сънливо оръжие на мутация.
„Мисля, че науката не може да се основава на това, което намираме емоционално или естетически по-привлекателно“, каза Футуима.
И все пак той се стараеше да покаже, че изследванията, обсъждани на сесията, могат да доведат до интересни изводи за еволюцията. Но тези изводи могат да възникнат само в резултат на упорит труд, което води до появата на надеждни данни. "На тази тема са написани достатъчно есета и доклади", каза той.
Някои от публиката започнаха да се карат с Футуима. Други скептични оратори бяха изплашени от аргументи, които смятаха за безсмислени. Но срещата все още беше завършена на третия ден без никакви битки.
„Това вероятно е първата от много, много срещи“, каза ми Лаланд. През септември консорциум от учени в Европа и Съединените щати получи финансиране в размер на 11 милиона долара (от които 8 милиона долара от фондацията Джон Темпълтън) за провеждане на 22 проучвания на принципите на напредналия еволюционен синтез.
Много от тези проучвания ще тестват прогнозите, възникнали от синтетичната теория на еволюцията през последните няколко години. Те например ще разберат дали видове, които изграждат собствено местообитание - паяжини, гнезда на стършели и т.н., могат да прераснат в повече видове, отколкото тези, които нямат. Те също така ще разгледат дали високата пластичност позволява по-бързо адаптиране към новите условия.
„Направете това изследване е това, което нашите критици искат“, каза Лаланд. "Отидете и намерете доказателства."