Сред земноводните, саламандърът Hydromantes е шампионът по скорост на стрелба с език. За по-малко от пет милисекунди тя може да хване злополучно насекомо в полет - този път включва работата на мускулите, хрущялите и частите на скелета. Ако сравните тази балистична анатомия с жаби и хамелеони, последните са шлици. Дейвид Уейк, еволюционен биолог от Калифорнийския университет в Бъркли, казва: „Прекарах около 50 години, изучавайки еволюцията на езиците на саламандрите. Това е наистина интересно, защото по принцип те не се различават с висока скорост, но въпреки това могат да направят най-бързото движение на тези, които са достъпни за гръбначни, познати ми “. По време на своето развитие еволюцията е намерила по-ефективен начин да осигури успешен лов с език. Изглежда уникалната им адаптация изглежданезависимо разработен в три несвързани вида саламандра. Това е пример за конвергентна еволюция, когато различни индивиди самостоятелно разработват подобни биологични адаптации под влияние на едни и същи фактори на околната среда. Саламандрите са любим пример, който Уейк цитира, когато му задават дългогодишния въпрос на еволюционната биология: Ако пренавиете лентата на еволюцията, тя ще се повтори ли? Явно това се е случило в случая със саламандрите; с други организми това може да не се е случило.ако пренавиете лентата на еволюцията, ще се повтори ли тя? Явно това се е случило в случая със саламандрите; с други организми това може да не се е случило.ако пренавиете лентата на еволюцията, ще се повтори ли тя? Явно това се е случило в случая със саламандрите; с други организми това може да не се е случило.
Известно е, че този въпрос се поставя за първи път от наскоро починалия еволюционен биолог Стивън Джей Гулд през 1989 г. в книгата си Amazing Life: The Burgess Shales and Nature of History, която беше публикувана в епоха, когато хората все още слушаха музика на касети. Книгата разказа за вкаменелостите, открити в шистите на Бърджис, останали от безброй странни животни, които са живели на нашата планета преди около 520 милиона години, през периода на Кембрия. Почти всички животни, които съществуват днес, имат предци, които са живели в Кембриа, но не всички животни от тази епоха имат потомци в нашата ера. Много от кембрийските индивиди изчезнаха, защото не бяха достатъчно подходящи за борбата за оцеляване или защото се намираха на грешно място в неправилното време, когато изригнаха вулкани, паднаха метеорити или се случиха други опустошителни събития.
Гулд видя невероятното разнообразие от животински останки в Бърджис и предположи, че нашата флора и фауна биха изглеждали различно, ако историята беше обърнала обратния път. Той предположи, че хаотичните мутации и изчезването на видове, които той нарече "исторически произшествия", ще се изграждат един върху друг, движейки еволюцията в една или друга посока. Според Гулд съществуването на което и да е животно, включително хората, е рядко явление, повторението на което, в случай на „превъртане и стартиране“от периода на Кембрий, е малко вероятно. В своята книга Гулд често се позовава на работата върху вкаменелостта на Бърджис от палеонтолога Саймън Конуей Морис от Кембриджския университет, но самият учен категорично не е съгласен с гледната точка на Гулд.
Конуей Морис вярва, че с течение на времето естественият подбор принуждава организмите да претърпят серия от адаптации, за да запълнят ограничените екологични ниши на Земята. Това води до факта, че несвързаните видове последователно се сближават в структурата на тялото. "Животните трябва да се изграждат в съответствие с физическите, химичните и биологичните изисквания на този свят", каза той. Конуей е убеден, че подобни ограничения правят почти неизбежно, че в случай на „пренавиване на лентата“еволюцията рано или късно ще доведе до появата на организми, подобни на тези, които съществуват в нашия свят. Ако нашите маймунски предци не бяха развили мозък и прикрепен към него ум, според учения, друг клон като врани или делфини би могъл да заеме нишата, в която сега се намира човекът. Но Гулд не е съгласен.
И двамата учени признават, че случайността и конвергенцията (независимо развитие до появата на подобни признаци - приблизително нови защо) се случват в еволюцията. Вместо това дискусията се фокусира върху това колко уникални или повтарящи се ключови адаптации като човешкия ум са. Междувременно други биолози се справиха с пъзела и показаха как конвергенцията и случайността влияят един на друг. Разбирането на взаимодействието на тези сили може да ни помогне да разберем дали всичко живо е резултат от 7 милиарда години съвпадения или дали всички ние - хора и саламандри - сме част от неизбежността, като смъртта или данъците.
Вместо да се опита да пресъздаде историята с вкаменелости, Ричард Ленски, еволюционен биолог в Мичиганския университет, реши да наблюдава явленията на конвергенция и случайност в реално време в контролираната среда на своята лаборатория. През 1988 г. той раздели популацията на бактериите Escherichia coli и ги постави в 12 отделни резервоара с течна културна среда, като по този начин им позволи да растат независимо една от друга. Вече 26 години на всеки няколко месеца той или един от учениците му замразява една партида бактерии. Този комплект замразени зародиши дава възможност на Ричард да "рестартира филма" от жизнения цикъл на E. coli от всеки момент, който поиска, като просто размразява една част. По време на целия процес той може да провери,как се променят бактериите - както по отношение на генетиката, така и по отношение на онова, което може да се види само под микроскоп. Ленски обяснява: "Целият експеримент беше създаден, за да провери колко е повтаряема еволюция."
В 11-те резервоара на Ленски E. coli нараства по размер, но бактериите в дванадесетата проба се разделят на два независими клона - единият с големи клетки, а другият с малки. Ленски казва: „Ние ги наричаме„ големи “и„ малки “. Те съществуват вече 50 хиляди поколения”. Това не се е случило при никое друго население; следователно можем да заключим, че еволюционно случайно събитие е настъпило. И дори 26 години по-късно, никое друго изпитание не е повторило появата на такъв клон. По този начин изглежда, че шансът надделя над сближаването.
През 2003 г. имаше друг случаен епизод. Броят на пръчките в един от резервоарите се е увеличил до такава степен, че културната среда, която обикновено е прозрачна, става мътна. Отначало Ленски реши, че има нормално замърсяване на околната среда, но както се оказа, E. coli, който обикновено ядеше само глюкоза, разтворена в течност, разви способността да консумира друг елемент, съдържащ се в резервоарите: цитрат. След 15 години и 31 500 поколения само една от колониите е в състояние да обработи това вещество. Броят на бактериите в него започна да расте 5 пъти по-бързо, отколкото в други колонии.
Промоционално видео:
Тази „историческа катастрофа“даде възможност на Ричард и неговия възпитаник Захари Блънт да проверят вероятността подобно събитие да се случи отново, ако „пренавият лентата“. Blount избра от съхранение 72 проби замразени пръчици, събрани на различни етапи от експеримента от популация, която по-късно беше в състояние да включи цитрат в своя метаболизъм. Той ги размрази и стимулира размножаването им. Скоро 4 от 72 проби развиват същата способност да консумират цитрат. Интересното е, че тези мутации са възникнали само при популации, замразени след цикъл от поколение 30 500. Генетичният анализ показа, че не много преди това няколко гена преминаха през промени, допринесли за появата на еволюция с метаболизма на цитрата. С други думи, способността да абсорбира цитрат зависи от появата на други мутации, които са му предхождали. Той създаде вилицапромяна на възможните пътища, които могат да поемат бъдещите поколения.
Известен като Дългосрочен еволюционен експеримент, този проект на E. coli вече е преминал през 60 000 поколения, като е дал на Ричард солиден набор от данни, от който да прави изводи за взаимодействията на случайността и конвергенцията в еволюцията. Фините промени в ДНК на бактериите, което ги прави по-големи или по-способни да се възпроизвеждат бързо, станаха чести събития в различни резервоари. В същото време Ленски стана свидетел на „стряскащи“случайни събития, в които се случи нещо съвсем различно от останалите в едно от населението. Но както при феномена на конвергенцията, такива трансформации не са били напълно случайни.
"Не всичко е възможно", какъвто и да е процесът, Уейк обяснява: "Организмите се развиват в контекста на наследствени характеристики." Животните не могат да предават мутации, които са разрушителни или възпрепятстват размножаването. В случая с саламандъра на Hydromantes неговите предци трябваше да преодолеят значително ограничение: за да се сдобият с езиците им за стрелба, беше необходимо да се жертват дробовете им. Това е така, защото част от този механизъм се е развил от мускули, които са били използвани от техните предшественици за изпомпване на въздух в белите дробове. Днес този някога малък и слаб мускул стана много по-голям и по-силен. Той се навива като пружина около конусообразната кост в задната част на устната кухина и когато мускулът се свие, костта създава напрежение, което стреля езика заедно с костния му апарат от устата. Така предците на Хидромантес не просто са се сдобили с мутация, т.е.който еволюира в „балистичен език“. Вместо това тази адаптация последва поредица от промени, които позволиха на съществото да преодолее зависимостта на белите дробове от кислорода и да плава към повърхността на водата. Всяка промяна зависи от предишната.
Хамелеоните от своя страна запазиха белите си дробове. Вместо да се занимават с анатомията си, те разработиха колаген, позволявайки на езика да стреля по плячка. На пръв поглед езиците на саламандри и хамелеони са пример за сближаване, но ако се вгледате внимателно, става ясно, че това не е така. За отстрела са необходими хамелеон 20 милисекунди, което е темпо на охлюв в сравнение с петте милисекунди саламандри. Защо хамелеоните получиха толкова бавни езици? Отговор: Те се сблъскаха с пречка по пътя на конвергентната еволюция. Езикът на хамелеона е достатъчно бърз, за да оцелеят, но им липсва „наследствената структура на чертите“, за да развият по-смъртоносната балистична анатомия на саламандрите. Хамелеоните са достигнали "адаптивен връх", както казват биолозите.
В експерименти с вируси, които заразяват бактериите - бактериофаги, биологът от Харвард Дейвид Лиу също откри адаптивни върхове. Тези върхове ограничават способността на организмите да се сближават върху една оптимална структура. Те обясняват защо инцидентите не се случват често.
Лю искаше да знае дали идентични групи бактериофаги могат да развият независимо един и същ ензим, ако върху тях се прилага същото еволюционно налягане. Той ускори еволюцията на протеини във вируси, използвайки система, наречена PACE.
По време на експеримента вирусите, които не успяха да произведат ензим, от който се нуждаеше Лиу, бяха отстранени от експеримента. Останаха само онези, които бяха достигнали целта. Някои от тях се оказаха ензимът "по-добър" от други. В този случай те се нуждаеха от ензимната полимераза, която открива определена последователност на ДНК и я превръща в РНК, а някои полимерази разпознават последователността по-точно от други. Подобно на сравнително бавния език на хамелеоните, тези вируси са разработили адаптации, които им позволяват да оцелеят, но им пречат да получат най-добрата полимераза. Някои вируси останаха на нисък връх, други се изкачиха по-високо.
За да разберете какво означават биолозите под адаптивни върхове, представете си област, чиято топография представлява високи и ниски нива на репродуктивен потенциал. В случая на бактериофагите на Лиу различни популации изследвали района, придобивайки различни мутации. Някои се озоваха на малки хълмове, други на планини с размерите на Еверест. И така започнаха да се изкачват до върха, който получиха. След изкачването на ниска планина вирусите не могат да се преместят в друга, по-висока. За целта те първо ще трябва да се върнат надолу, намалявайки шансовете си за оцеляване с всяка стъпка. Много е трудно да се направи това, защото човек не трябва да забравя за оцеляването на най-силните. Коя мутация ще се случи преди другите - кой връх ще отиде на тялото - това е историческа злополука, която конвергентната еволюция може да преодолее само с големи трудности, т.е.ако изобщо може.
Времето на появата на мутации има значение. „Ранните случайни събития, които създават разлика в генофонда, могат значително да повлияят дали полезната мутация може в крайна сметка да повлияе на оцеляването на организма“, обяснява Лю. "Тези аварии намаляват повторяемостта на еволюцията." В този експеримент случайността преодоля конвергенцията. Събитията, които се случиха, предотвратиха рецидив.
Един от начините, по които животът може да преодолее ограниченията на адаптивните върхове, беше открит по време на проучването на цифровите организми от компютърните биолози от Мичиганския държавен университет Крис Адами и Чарлз Офрия. Те създадоха компютърната програма Avida, в която цифровите организми се развиват при условия, зададени от експериментатора. Авидианците мутират, произволно придобивайки и губещи редове от код, които им позволяват да решават математически проблеми, което увеличава способността им да се възпроизвеждат.
В един експеримент на авианците беше възложено задачата да получат способността да решават сложния логически проблем за „битова идентичност“. Само 4 от 50 цифрови популации са разработили кода, необходим за извършване на операцията. Първоначално всички успешни популации са получили много мутации (произволни редове от код), които усложняват решението на математическите задачи и следователно възпроизвеждането. Колкото и парадоксално да звучи, Офрия откри, че ранните лоши мутации играят ключова роля за подобряване на фитнеса в по-късните поколения, вероятно защото създават генетично разнообразие, от което могат да възникнат нови случайни мутации.
Дали рядкостта на някоя от последователностите на събитията потвърждава, че големите завои в еволюцията едва ли ще се повторят? Експериментално това е вярно, но Конуей Морис категорично казва „не“. „Глупаво е да се мисли, че въобще няма инциденти. Единственият въпрос е време “. Той вярва, че с достатъчно време и геноми на мутация, естественият подбор ще доведе живота до неизбежни адаптации, най-подходящи за екологичната ниша на организмите, независимо от шансовете, които възникват. Той вярва, че един ден всички бактерии E.coli в експеримента на Ленски ще започнат да абсорбират цитрат и всички вируси на Liu ще изкачат своя връх Еверест. Освен това тези експерименти са проведени в много проста и контролирана среда, за разлика от сложните екосистеми, към които животът извън лабораторията се адаптира. Трудно да се каже,влиянието на реалния свят би променило експериментите.
Към днешна дата най-големият недостатък във всички опити да се отговори на въпроса за филма на живота е, че биолозите могат да правят изводи само от една биосфера - Земята. Среща с извънземен организъм би ни казала много. Дори ако извънземните организми нямат ДНК, най-вероятно те ще проявят подобни еволюционни модели. Те ще се нуждаят от някакъв материал, който да бъде предаден на потомците, като ръководят развитието на организмите и се променят във времето. Както казва Ленски, "Това, което е вярно за E. coli, е вярно за микробите в цялата Вселена."
Следователно същото взаимодействие между конвергенция и шанс може да се наблюдава и на други планети. И ако извънземният живот изпитва еволюционен натиск от среда, подобна на тази, изпитвана от земния живот, хората от бъдещето могат да намерят извънземни, които са развили конвергентно разум, подобен на нашия. От друга страна, ако се натрупват случайни събития, водещи живот по уникални пътеки, както предположи Гулд, извънземният живот може да бъде необичайно странен.
Гулд повярва, че хората са "изключително малко вероятно еволюционно събитие". Като доказателство той посочи, че за 2,5 милиарда години живот на Земята човешкият интелект се е появил само веднъж. Той смяташе, че вероятността друг вид да развие интелигентност като нашата е призрачно малка. От факта, че може би сме единственият интелигентен вид във Вселената, можем да направим изводи, които надхвърлят биологията. „Някои виждат тази възможност като причина за депресия“, пише Гулд в „Чудесният живот“. "Винаги съм я смятал за ободряваща, като източник както на свобода, така и на морална отговорност."
Зак Зорич
Преводът е извършен по проект Ново
