Nedavna znanstvena odkritja so nekatere znanstvenike pripeljala do zaključka, da je treba prilagoditi in dopolniti sintetično teorijo evolucije.
Kevin Lalande je obiskal konferenčno sobo, ki je zbrala nekaj sto ljudi, da bi razpravljali o prihodnosti evolucijske biologije. Eden od kolegov je sedel z njim in ga vprašal, kako misli, da gre na tem področju stvari.
"Vse kaže, da gre dobro," je odgovoril Laland. "Resnih sporov še ni bilo."
Kevin Lalande je evolucijski biolog na Univerzi St Andrews na Škotskem. V hladnem, oblačnem novembrskem popoldnevu je odpotoval v London, da bi bil soorganizator srečanja Kraljevega znanstvenega društva o novih trendih evolucijske biologije. Dvorano so napolnili biologi, antropologi, zdravniki, računalničarji in samooklicani ideologi. Royal Society of Science je nameščen v čudoviti stavbi s pogledom na park St James's Park. Edino, kar je Lalande danes videl iz visokih oken konferenčne dvorane, so gradbeni odri in fasadna mreža za obnovitvena dela. Znotraj je Lalande upal, da bo danes tudi posodobitev, vendar drugačnega tipa.
Sredi 1900-ih so biologi Darwinovo teorijo evolucije dopolnili z novimi dognanji iz genetike in drugih znanstvenih področij. Rezultat tega je bila tako imenovana "sintetična teorija evolucije", ki že 50 let postavlja smer evolucijske biologije. Takrat so znanstveniki izvedeli veliko dejstev o tem, kako deluje življenje, in zdaj lahko zaporedjo celotnih genomov, opazovali, kako se geni vklapljajo in izklapljajo v razvoju zarodkov in kako se živali in rastline odzivajo na spremembe v okolju.
Kot rezultat tega sta Lalande in skupina biologov, ki si z njim delijo isto mnenje, ugotovila, da je treba pregledati sintetično teorijo evolucije. Postati mu je potrebno novo obliko vizije evolucije, ki so jo poimenovali s pojmom "podaljšane sinteze". Drugi biologi so izrazili svoje nestrinjanje in trdili, da za takšen premik paradigme ni dovolj podlage.
To srečanje v Royal Society of Science je bila prva javna konferenca, na kateri so Lalande in njegovi sodelavci imeli priložnost predstaviti svoje poglede na to vprašanje. Toda Lalande ni bil razpoložen, da bi samo pripovedoval svoje poglede podobno mislečim, zato so na konferenco povabili tudi ugledne evolucijske biologe, ki so bili skeptični do načel razširjene sinteze.
Obe strani sta izrazili svoja stališča in kritike na civiliziran način, včasih pa je prišlo do napetosti v publiki, izražene s klinkanjem, zamahnjenimi očmi in bučnimi aplavzi.
Promocijski video:
A do pretepov nikoli ni prišlo. Vsaj za zdaj.
Razvoj kot običajno
Za vsako znanost prihaja čas preobrazbe in čas, ko se stvari odvijajo kot običajno. Potem ko sta Galileo in Newton v 1600-ih fiziko potegnila iz starih napačnih predstav, se je začelo premikati naprej od enega skromnega dosežka do drugega, vse do 1900-ih. Nato so Einstein in drugi znanstveniki postavili temelje kvantne fizike, predstavili teorijo relativnosti in druge nove načine spoznavanja vesolja. Nobeden od njih ni trdil, da se Newton moti. Vendar se izkaže, da vesolje pravzaprav ni samo stvar v gibanju.
Evolucijska biologija je imela svoje revolucije. Prvo se je zagotovo začelo leta 1859 z Charlesom Darwinom The Origin of Species. Darwin je združil informacije s področij paleontologije, embriologije in drugih znanosti, da bi prikazal skupni izvor vseh živih organizmov. Predstavil je tudi koncept naravne selekcije, mehanizma za obvladovanje teh dolgoročnih sprememb. Vsaka generacija vrste je pokazala veliko variabilnost. Včasih je organizmom pomagalo preživeti in se razmnoževati, zaradi dednosti pa so jih prenašali na naslednje generacije.
Darwin je biologe po vsem svetu navdihnil, da so živali in rastline preučevali z nove perspektive, njihovo biologijo pa razlagali kot prilagoditve iz prejšnjih generacij. In to mu je uspelo, kljub temu, da ni imel pojma o genih. Šele v tridesetih letih prejšnjega stoletja so genetiki in biologi združili moči in preoblikovali evolucijsko teorijo. Dednost je bila obravnavana kot prenos genov iz roda v rod. Spremembe so nastale zaradi mutacij, ki bi jih bilo mogoče mešati, da bi ustvarili nove kombinacije. Nove vrste so se pojavile, ko so se v populacijah oblikovale mutacije, zaradi katerih je bilo križanje med vrstami nemogoče.
Leta 1942 je britanski biolog Julian Huxley opisal ta nastajajoči koncept v svoji knjigi Evolucija: Moderna sinteza. Znanstveniki še vedno uporabljajo to ime. (Včasih ga označujejo kot neo-darvinizem, čeprav je izraz pravzaprav zavajajoč. Izraz neo-darvinizem je bil skovan v 1800-ih letih in so ga uporabljali biologi, ki so za časa njegovega življenja promovirali Darwinove ideje).
Sintetična teorija evolucije se je izkazala kot močno orodje na področju vprašanj, povezanih z naravo. Znanstveniki so ga uporabili za različna odkritja življenjske zgodovine, na primer, zakaj so nekateri nagnjeni k genetskim boleznim, kot je bolezen srpastih celic, ali zakaj pesticidi prej ali slej nehajo delovati na škodljivce. Toda kmalu po oblikovanju koncepta moderne sinteze so se različni biologi občasno pritoževali nad njegovo prekomerno kategoričnostjo. Vendar pa je šele v zadnjih nekaj letih Lalandeju in drugim znanstvenikom uspelo združiti in uskladiti prizadevanja za razvoj načel razširjene evolucijske sinteze, ki bi ga lahko nadomestila.
Raziskovalci ne mislijo, da je sintetična teorija evolucije napačen koncept - preprosto ni sposobna odražati vsega bogastva evolucije. Organizmi podedujejo več kot le gene - lahko podedujejo druge celične molekule, pa tudi vedenja, ki se jih učijo in habitate prednikov. Lalande in njegovi sodelavci prav tako oporekajo prevladujoči vlogi naravne selekcije pri razlagi, kakšno je bilo življenje takšno, kot ga poznamo danes. Na potek evolucije lahko vplivajo tudi drugi procesi, od pravil, po katerih se vrste razvijajo, do zunanjih pogojev njihovega bivanja.
"Ne gre za vijačenje čedalje več strojev za tisto, kar že imamo," je dejal Lalande. "Vzročnost moramo gledati z drugega zornega kota."
Darwin dopolnjuje
Biologinja univerze v Tel Avivu Eva Jablonka je v svojem govoru poskušala analizirati dokaze, da ne morejo samo geni določiti oblik dedovanja.
Naše celice uporabljajo številne molekule, da prepoznajo, kateri geni tvorijo beljakovine. Na primer, v procesu, imenovanem metilacija, celice omejijo svojo DNK, da določene gene ne zaprejo. Ko se celice delijo, lahko uporabijo isti princip in tako nadzorujejo novo DNK. Določeni signali, prejeti iz okolja, lahko povzročijo, da celice spremenijo tako imenovani "epigenetski" nadzor, kar omogoča organizmom, da se prilagodijo novim razmeram.
Nekatere študije kažejo, da se lahko v določenih okoliščinah epigenetske spremembe pri staršu prenesejo na potomce. In oni lahko prenesejo to spremenjeno epigenetsko kodo svojim otrokom. To je vrsta dedovanja zunaj genov.
To načelo dedovanja je še posebej jasno vidno pri rastlinah. V eni izmed raziskav so znanstveniki lahko s pomočjo rastline imenovane Arabidopsis izsledili spremenjen vzorec metilacije do 31 generacij. Ta vrsta dedovanja lahko bistveno spremeni delovanje telesa. V drugi študiji so znanstveniki ugotovili, da lahko podedovani vzorci metilacije spremenijo čas cvetenja Arabidopsis in vplivajo na velikost njegovih korenin. Spremenljivost, ki jo povzročajo ti vzorci, je bila večja od tiste, ki jo povzročajo navadne mutacije.
Po predstavitvi dokazov je gospa Yablonka trdila, da lahko epigenetske razlike določijo zrelost organizmov za razmnoževanje. "Naravna selekcija bi lahko vplivala na ta sistem," je dejala.
Ker naravna selekcija pomembno vpliva na potek evolucije, so udeleženci konference predstavili dokaze, kako jo je mogoče omejiti ali premakniti v drugo smer. Biolog z dunajske univerze Gerd Müller je navedel primer lastnega raziskovanja kuščarjev. Nekatere vrste kuščarjev so med evolucijo izgubile prste na zadnjih nogah. Nekatere vrste so imele le štiri prste, druge le enega, nekatere pa so povsem izgubile okončine.
Po Muellerjevem mnenju sintetična teorija evolucije znanstvenike na to gleda kot na rezultat naravne selekcije, ki daje prednost eni možnosti zaradi svojih prednosti preživetja. Toda ta pristop ne bo deloval, če se vprašate, kakšna je prednost pri določeni vrsti posameznikov pri izgubi prvega in zadnjega prsta, pri drugih pa ne.
"Odgovor na to vprašanje je, da ni prave selektivne prednosti," je dejal Mueller.
Ključ do razumevanja, zakaj kuščarji izgubijo določene prste, je predvsem to, kako se razvijejo prsti kuščarjev v embrionalnem stanju. Procesi se najprej pojavijo na straneh, nato pa se iz njih razvije pet prstov, vedno v istem zaporedju. In jih izgubijo med evolucijo v obratnem vrstnem redu. Müller predlaga, da takšne omejitve povzročajo nezmožnosti mutacij, da bi ponovile vse možne spremembe lastnosti. Določene kombinacije prstov tako niso na voljo in naravna izbira jih sploh ne more izbrati.
Razvoj lahko omeji evolucijo, po drugi strani pa živali in rastline obdaja z veliko plastičnostjo. Sonia Sultan, evolucijska ekologinja z univerze Wesleyan, je v svojem govoru podala radoveden primer, ko je govorila o zelišču ajdove družine, ki jo je preučevala, poprove mete.
V okviru moderne sinteze, bo dejal Sultan, se vam bo prilagoditev alpinista zdela natančno prilagojen rezultat naravne selekcije. Če raste v slabi svetlobi, bo naravna selekcija dala prednost rastlinam s spremenjenimi lastnostmi, ki jim omogočajo uspevanje v okolju, na primer z razvojem širših listov za fotosintezo. In tisti, ki rastejo na močni sončni svetlobi, razvijejo prilagoditve za uspešno rast v različnih pogojih.
"To govori v prid stališču, da je naše srečanje namenjeno nasprotovanju," je dejal Sultan.
Če gojite gensko identične rastline klanavk pod različnimi pogoji, na koncu postavite rastline, za katere se zdi, da pripadajo različnim vrstam.
Za začetek poprova meta prilagodi velikost svojih listov količini sončne svetlobe, ki jo prejme. Pri močni svetlobi njihovi listi postanejo ozki in debeli, pri šibki svetlobi pa postanejo široki in tanki. V suhi zemlji te rastline v iskanju vode koreninijo globoko v zemljo, v dobro navlaženi zemlji pa korenine postanejo kratke, poraščene in plitve.
Znanstveniki na srečanju so trdili, da lahko takšna plastičnost sama po sebi prispeva k toku evolucije. Rastlinam omogoča, da se širijo v različnih habitatih, na primer naravni selekciji nato prilagodijo svoje gene. Med govorniki je bila tudi Susan Anton, paleoantropologinja z newyorške univerze, ki je trdila, da lahko plastičnost igra pomembno vlogo pri doslej podcenjeni človeški evoluciji. To je zato, ker je v zadnjem pol stoletja sodobna sinteza pomembno vplivala na njeno preučevanje.
Paleoantropologi so ponavadi obravnavali lastnosti, najdene v fosilih, kot posledica genetskih razlik. To jim je omogočilo, da poustvarijo evolucijsko drevo človeka in izumrle oblike blizu njega. Privrženci tega pristopa so dosegli pomembne rezultate, je priznal Anton. Znanstveniki so do osemdesetih let ugotovili, da so bili pred približno dva milijona let naši zgodnji sorodniki majhni in so imeli majhne možgane. Nato so predstavniki ene od linij dedovanja postali višji in razvili so velike možgane. Ta prehod je pomenil izvor naše vrste, Homo.
Toda včasih so paleoantropologi našli različice, ki jih je bilo težko razumeti. Zdi se, da dva fosila na nek način pripadata isti vrsti, pri drugih pa zelo različni. Znanstveniki ponavadi ne upoštevajo takšnih okoljskih razlik. "Želeli smo se vsega znebiti in priti do bistva," je dejal Anton.
Toda "vse to" je preveč zanemariti. Znanstveniki so odkrili osupljive vrste humanoidnih fosilov, ki so bili stari med 1,5 in 2,5 milijona let. Nekateri so visoki, nekateri pa ne, nekateri imajo velike možgane, nekateri pa imajo majhne možgane. Vsi njihovi okostji imajo lastnosti Homo, vendar ima vsak zmedeno kombinacijo razlik.
Anton verjame, da lahko načela razširjene sinteze znanstvenikom pomagajo razumeti to zmedeno zgodbo. Zlasti je prepričana, da bi morali njeni kolegi plastičnost jemati resno kot razlago za nenavadno raznolikost zgodnjih človeških fosilov.
V podporo tej ideji je Anthon opozoril, da imajo živi ljudje svojo plastičnost. Kakovost hrane, ki jo dobi ženska med nosečnostjo, lahko vpliva na rast in zdravje otroka, vpliv pa je mogoče slediti že v odrasli dobi. Poleg tega lahko velikost ženske same, ki je deloma odvisna od prehrane njene matere, vpliva na njene otroke. Biologi so na primer ugotovili, da so otroci žensk z dolgimi nogami na splošno višji od vrstnikov.
Anthon je predlagal, da bi bile čudne spremembe iz paleontološkega arhiva lahko še bolj dramatični primeri plastičnosti. Vsi ti fosili izvirajo iz časa, ko je podnebje v Afriki močno nihalo. Suša in močno deževje bi lahko spremenilo prehranske vire v različnih regijah sveta, zaradi česar se bodo zgodnji ljudje razvili v drugo smer.
Razširjena teorija evolucijske sinteze nam lahko pomaga tudi pri obravnavanju drugega poglavja v naši zgodovini - nastanka kmetijstva. V Aziji, Afriki in Ameriki imajo ljudje udomačene pridelke in živino. Smithsonijska arheologinja Melinda Zeder je spregovorila o problematičnem razumevanju, kako se je ta transformacija lahko zgodila.
Preden so ljudje začeli kmetovati, so morali dobiti svojo hrano in divjad. Zeder je pojasnil, koliko znanstvenikov razlaga vedenje nabiralcev v kontekstu sodobne evolucijske sinteze: kot nekaj, kar je nadzorovano z naravno selekcijo, da bi dobili boljše nagrade za svoja prizadevanja pri iskanju hrane.
Težko si je predstavljati, kako bi takšni nabiralci sploh lahko prešli na kmetijstvo. "Ne boš takoj užival hrane in jo dajal v usta," mi je rekel Zeder.
Nekateri znanstveniki menijo, da se je prehod na kmetijstvo lahko zgodil med podnebnimi spremembami, ko je iskanje divjih rastlin postalo veliko težje. Toda Zeder in drugi niso našli nobenih dokazov o krizi, v kateri bi lahko nastalo kmetijstvo.
Zeder trdi, da o tej zadevi obstaja še eno stališče. Ljudje niso poslušni zombiji, ki poskušajo preživeti v nenehnem okolju, ampak kreativno razmišljajoči posamezniki, ki lahko sami spremenijo okolje in usmerijo evolucijo v novo smer.
Znanstveniki imenujejo to ekološko nišno zgradbo, postopek, v katerega so vključene številne vrste. Med klasičnimi primeri velja omeniti tudi bobra. Posekajo drevesa in zgradijo jez, ustvarijo ribnik. V teh novih pogojih bodo nekatere vrste rastlin in živali boljše od drugih. In prilagodili se bodo na nove načine svojemu okolju. To velja ne samo za rastline in živali, ki živijo okoli bobrovega ribnika, temveč tudi same bobra.
Po Zederjevih besedah je bilo njeno prvo spoznavanje s konceptom izgradnje ekološke niše. "V glavi je bilo kot majhna eksplozija," mi je rekla. Arheološke najdbe, ki so jih zbrali njeni in drugi znanstveniki, bodo pomagale razumeti, kako je ljudem uspelo spremeniti okoljske razmere.
Zdi se, da so zgodnji nabiralci divje rastline oddaljili od svojih naravnih habitatov, tako da jih je vedno mogoče najti pri roki. Z zalivanjem rastlin in njihovo zaščito pred rastlinojedi so jim pomagali pri prilagajanju na novo okolje. Plevelne vrste so tudi spremenile svoj habitat in postale neodvisne kmetijske kulture. Nekatere živali so se prilagodile tudi svojemu okolju in tako postale psi, mačke in druge domače vrste.
Postopoma so se iz kaotično razpršenih obližev zemlje, ki jo naseljujejo divje rastline, okoljski pogoji spremenili v gosto naravnana njiva. To ni prispevalo le k razvoju rastlin, ampak tudi k razvoju kulture med kmetom. Namesto da bi se potepali po svetu kot nomadi, so se naselili v vaseh in dobili priložnost, da obdelujejo zemljo okoli. Družba je postala stabilnejša, ko otroci prejemajo ekološko dediščino od staršev. Tako se je začela civilizacija.
Gradnja ekološke niše je le eden izmed mnogih naprednih konceptov evolucijske sinteze, ki nam lahko pomagajo razumeti postopek udomačevanja, je dejal Zeder. Med svojim govorom je predstavila različna predvidevanja, ki so se premikala po diapozitivu, od gibanja zgodnjih zbiralcev do tempa evolucije rastlin.
"Videti je bilo kot reklama za načela podaljšane evolucijske sinteze," mi je pozneje povedal Zeder v smehu. - Ampak to še ni vse! Lahko dobite komplet kuhinjskih nožev!"
Vrnitev naravne selekcije
Med tistimi v sobi je bil biolog z imenom David Schacker, raziskovalec na univerzi St Andrews. Dan in pol je mirno poslušal razprave, zdaj pa se je odločil, da sam vzame besedo in dvigne roko.
Govornik pred njim je bil Denis Noble, fiziolog s šokom sivih las in modre jakne. Noble, ki je večino kariere preživel na Oxfordu, je dejal, da je začel kot tradicionalni biolog, ki je verjel, da so geni končni vzrok vsega v telesu. Toda v zadnjih letih se je premislil in začel govoriti o genomu ne kot osnovi za življenje, temveč o občutljivem organu, ki zaznava stres in se je sposoben obnoviti za premagovanje težav. "Dolgo sem trajal, da sem prišel do tega sklepa," je dejal Noble.
Za ponazoritev tega novega pogleda je Noble govoril o različnih nedavnih poskusih. Eno izmed njih je lani objavila skupina na Univerzi v Readingu in je bila študija bakterij, ki se premikajo po okolju z uporabo dolgih, vrtečih se repov.
Najprej so znanstveniki izolirali gen iz DNK bakterij, ki je odgovoren za gojenje repa. Nato so nastale brezpotja postavili v petrijevko z majhno zalogo hrane, ki so jo kmalu zaužili. Brez sposobnosti gibanja so umrli. V manj kot štirih dneh so te bakterije spet začele plavati. Po natančnem pregledu so ugotovili, da so zrasli novi repi.
"Strategija je ustvariti hitre evolucijske spremembe v genomu kot odziv na škodljive zunanje vplive," je občinstvu pojasnil Noble. "Gre za samooskrben sistem, ki omogoča, da se določene lastnosti izrazijo neodvisno od DNK."
Shaker se mu ni zdelo prepričljivo, in potem ko je aplavz popustil, se je odločil začeti razpravo z Noble.
"Bi lahko komentirali mehanizem tega odkritja?" - je vprašal Shaker.
Plemeniti se je začel mucati "Splošno gledano, mehanizem lahko, ja …" je rekel, nato pa začel govoriti o omrežjih in pravilih ter vročičnem iskanju izhoda iz krize. "Morate se sklicevati na izvirno besedilo poročila," je dejal.
Ko se je Noble trudil odgovoriti, je Shaker pogledal predavanje, odprto v odložišče. In naglas je začel brati enega od odstavkov.
"Naše ugotovitve kažejo, da naravna izbira lahko hitro spremeni regulativne mreže," je prebral Shaker in odložil svoj iPad. "To je čudovit, samo čudovit primer hitre ne-darwinovske evolucije," je dejal.
Shaker je dobil samo bistvo občutkov precejšnjega števila skeptikov, s katerimi sem lahko govoril na konferenci. Rekli so, da ambiciozna retorika o spremembi paradigme večinoma ni utemeljena. Vendar ti skeptiki niso ostali v senci. Nekateri so se odločili osebno sprejeti besedo.
"Mislim, da bom pričakoval, da bom govoril o jurski evoluciji," je dejal Douglas Futuima in stopil na stopničke. Futuima je tekoči biolog z univerze Stony Brook v New Yorku in avtor večjega učbenika o evoluciji. Med srečanjem so ga preplavili očitki, da so učbeniki posvečali malo pozornosti takšnim stvarem, kot sta epigenetika in plastičnost. Pravzaprav je bil Futuima ravno povabljen, da kolegom razloži, zakaj se ti koncepti ne upoštevajo.
"Priznati moramo, da so osnovna načela sintetične teorije evolucije močna in veljavna," je dejal Futuima. Ne le to, je dodal, ampak sorte biologije, o katerih je govoril kraljevo društvo, v resnici niso tako nove. Ustvarjalci sintetične teorije evolucije so jih omenili pred več kot 50 leti. Da bi jih razumeli, je bilo izvedenih veliko raziskav, ki temeljijo na sodobni evolucijski sintezi.
Vzemite plastičnost. Genske razlike pri živalih ali rastlinah urejajo obseg oblik, v katere se lahko razvije organizem. Mutacije lahko spremenijo to območje. In matematični modeli naravne selekcije kažejo, kako lahko spodbuja nekatere vrste plastičnosti na račun drugih.
Če teorija podaljšane evolucijske sinteze ne potrebuje nikogar, kako ji je bilo posvečeno celotno srečanje v Royal Society of Science? Futuima je predlagal, da je bilo to zanimanje raje čustveno kot znanstveno. S svojimi načeli je življenje postalo gonilna sila in ne mirujoče orožje mutacij.
"Mislim, da znanost ne more temeljiti na tem, kar se nam zdi čustveno ali estetsko bolj privlačno," je dejal Futuima.
Kljub temu se je zelo trudil pokazati, da lahko raziskava, o kateri so razpravljali na seji, pripelje do zanimivih zaključkov o evoluciji. Toda ti sklepi lahko nastanejo le kot rezultat trdega dela, kar pomeni pojav zanesljivih podatkov. "Na to temo je bilo napisanih dovolj esejev in poročil," je dejal.
Nekateri člani občinstva so se začeli prepirati s Futuimo. Drugi skeptični govorci so bili prestrašeni zaradi argumentov, za katere so mislili, da so nesmiselni. Toda srečanje je bilo vseeno končano tretji dan brez pretepov.
"To je verjetno prvo od mnogih, veliko srečanj," mi je povedala Lalande. Septembra je konzorcij znanstvenikov v Evropi in ZDA prejel 11 milijonov dolarjev (od tega 8 milijonov dolarjev iz fundacije John Templeton) za izvedbo 22 raziskav o načelih napredne evolucijske sinteze.
Številne od teh raziskav bodo preizkusile napovedi, ki so nastale iz sintetične teorije evolucije v zadnjih nekaj letih. Ugotovili bodo, na primer, ali vrste, ki gradijo svoj habitat - pajčevine, rogovje gnezda in podobno - lahko prerastejo v več vrst kot tiste, ki ne. Preučili bodo tudi, ali visoka plastičnost omogoča hitrejše prilagajanje novim razmeram.
"To raziskavo zahtevajo naši kritiki," je dejal Lalande. "Pojdite poiskati dokaze."