Blant amfibier er Hydromantes salamander mesteren i tunge skytefart. På mindre enn fem millisekunder kan hun fange et uheldig insekt under flukt - denne gangen inkluderer arbeidet med muskler, brusk og deler av skjelettet. Hvis du sammenligner denne ballistiske anatomi med frosker og kameleoner, er de sistnevnte sloops. David Wake, en evolusjonsbiolog ved University of California, Berkeley, sier: “Jeg har brukt omtrent 50 år på å studere utviklingen av salamanderspråk. Dette er virkelig interessant, fordi de generelt ikke skiller seg i høy hastighet, men likevel kan de gjøre den raskeste bevegelsen til de som er tilgjengelige for virveldyr kjent for meg. Gjennom hele utviklingen har evolusjonen funnet en mer effektiv måte å sikre vellykket jakt med språk. Deres tilsynelatende unike tilpasning ser ut til å væreuavhengig utviklet i tre ubeslektede salamanderarter. Dette er et eksempel på konvergent evolusjon, når forskjellige individer uavhengig utvikler lignende biologiske tilpasninger under påvirkning av de samme miljøfaktorene. Salamandere er et favoritteksempel som Wake siterer når det blir stilt det mangeårige spørsmålet om evolusjonsbiologi: Hvis du spoler tilbake evolusjonsbåndet, vil det gjenta seg? Tilsynelatende er det dette som skjedde i tilfelle salamandrene; med andre organismer kan dette ikke ha skjedd. Hvis du spoler tilbake evolusjonsbåndet, vil det gjenta seg? Tilsynelatende er det dette som skjedde i tilfelle salamandrene; med andre organismer kan dette ikke ha skjedd. Hvis du spoler tilbake evolusjonsbåndet, vil det gjenta seg? Tilsynelatende er det dette som skjedde i tilfelle salamandrene; med andre organismer kan dette ikke ha skjedd.
Dette spørsmålet er kjent for å være stilt for første gang av den nylig avdøde evolusjonsbiologen Stephen Jay Gould i 1989 i Amazing Life: The Burgess Slates and the Nature of History, som ble utgitt i en tid da folk fremdeles hørte på musikk på lydkassetter. Boken fortalte om fossilene som ble funnet i Burgess-skiferen, til overs fra et utall av rare dyr som levde på planeten vår for rundt 520 millioner år siden, i løpet av den kambriske perioden. Nesten alle dyr som eksisterer i dag, har forfedre som bodde på kambrium, men ikke alle dyr fra den epoken har etterkommere i vår tidsalder. Mange kambriske individer ble utryddet fordi de ikke var tilstrekkelig tilpasset kampen for å overleve, eller fordi de var på feil sted til feil tid da vulkaner brøt ut, meteoritter falt eller andre ødeleggende hendelser skjedde.
Gould så det utrolige mangfoldet av dyrerester i Burgess og spekulerte i at floraen og faunaen vår ville se annerledes ut hvis historien hadde snudd den andre veien. Han foreslo at kaotiske mutasjoner og utryddelser av arter, som han kalte "historiske ulykker," ville bygge oppå hverandre og bevege evolusjonen i en eller annen retning. Ifølge Gould er eksistensen av ethvert dyr, inkludert mennesker, et sjeldent fenomen, hvis gjentagelse, i tilfelle av "spole tilbake og utskytning" fra den kambriske perioden, er usannsynlig. I sin bok refererer Gould ofte til arbeidet med Burgess-fossilet av paleontolog Simon Conway Morris fra University of Cambridge, men forskeren selv er sterkt uenig i Goulds synspunkt.
Conway Morris mener at over tid tvinger naturlig seleksjon organismer til å gjennomgå en serie tilpasninger for å fylle jordas begrensede økologiske nisjer. Dette fører til at ubeslektede arter konsekvent konvergerer i kroppsstruktur. "Dyr må bygge seg i samsvar med de fysiske, kjemiske og biologiske kravene i denne verden," sa han. Conway er overbevist om at slike begrensninger gjør det nesten uunngåelig at evolusjonen i tilfelle av "spoling av båndet" før eller siden vil føre til fremvekst av organismer som ligner de som finnes i vår verden. Hvis våre apefedre ikke hadde utviklet en hjerne og sinnet knyttet til det, ifølge forskeren, kunne en annen gren som kråker eller delfiner okkupere den nisje som mennesket er i nå. Men Gould er uenig.
Begge forskere erkjenner at tilfeldighet og konvergens (uavhengig utvikling til utseendet av lignende tegn - omtrent nytt hvorfor) finner sted i evolusjonen. I stedet fokuserer diskusjonen på hvor unike eller repeterbare nøkkeltilpasninger som menneskesinnet er. I mellomtiden har andre biologer taklet gåten og vist hvordan konvergens og tilfeldighet påvirker hverandre. Å forstå samspillet mellom disse kreftene kan hjelpe oss med å finne ut om alt levende er et resultat av 7 milliarder år med vellykkede tilfeldigheter, eller om alle oss - mennesker og salamandere - er en del av uunngåelighet, som død eller skatt.
I stedet for å prøve å gjenskape historie med fossiler, bestemte Richard Lenski, en evolusjonsbiolog ved University of Michigan, seg for å observere fenomenene konvergens og sjanse i sanntid i det kontrollerte miljøet på laboratoriet hans. I 1988 delte han befolkningen i Escherichia coli-bakterier og plasserte dem i 12 separate reservoarer av flytende kulturmedier, og lot dem dermed vokse uavhengig av hverandre. I 26 år nå, noen få måneder, har han eller en av studentene hans fryset en mengde bakterier. Dette frosne kimkitet gir Richard muligheten til å "starte filmen på nytt" av livssyklusen E. coli fra ethvert øyeblikk han vil ved å tine av en porsjon. Under hele prosessen kan han sjekke,hvordan bakterier endrer seg - både med tanke på genetikk og når det gjelder hva som bare kan sees under et mikroskop. Lenski forklarer: "Hele eksperimentet ble satt opp for å teste hvor repeterbar evolusjon er."
I 11 Lenskis reservoarer vokste E. coli i størrelse, men bakterier i den tolvte prøven delte seg i to uavhengige grener - en med store celler, den andre med små. Lenski sier: “Vi kaller dem 'store' og 'små'. De har eksistert i 50 000 generasjoner allerede”. Dette har ikke skjedd i noen annen befolkning; Derfor kan vi konkludere med at en evolusjonært tilfeldig hendelse skjedde. Og til og med 26 år senere har ingen andre rettssaker gjentatt utseendet til en slik gren. I denne situasjonen ser det ut som en sjanse til å ha seiret over konvergens.
I 2003 var det nok en tilfeldig episode. Antallet stenger i et av reservoarene har økt i en slik grad at kulturmediet, som normalt er gjennomsiktig, blir overskyet. Først bestemte Lenski at det var en normal forurensning av miljøet, men som det viste seg, utviklet E. coli, som normalt bare spiste glukose oppløst i væske, muligheten til å konsumere et annet element som var i reservoarene: sitrat. Etter 15 år og 31 500 generasjoner var det bare en av koloniene som var i stand til å behandle dette stoffet. Antallet bakterier i det begynte å vokse 5 ganger raskere enn i andre kolonier.
Salgsfremmende video:
Denne "historiske ulykken" ga Richard og hans kandidat Zachary Blount muligheten til å teste sannsynligheten for at en slik hendelse skal skje igjen hvis de "spoler båndet igjen." Blount valgt fra lagring av 72 prøver av frosne pinner samlet på forskjellige stadier av eksperimentet fra en populasjon som senere var i stand til å innlemme sitrat i metabolismen. Han tiner dem og stimulerte reproduksjonen av dem. Snart utviklet 4 av 72 prøver den samme evnen til å konsumere sitrat. Interessant nok forekom disse mutasjonene bare i populasjoner som var frosset etter en 30 500 generasjons syklus. Genetisk analyse viste at ikke lenge før dette gjennomgikk flere gener endringer som bidro til fremveksten av evolusjon med metabolismen av sitrat. Evnen til å absorbere sitrat var med andre ord avhengig av forekomsten av andre mutasjoner som gikk foran det. Det skapte en gaffelendre mulige veier fremtidige generasjoner kan ta.
Dette E. coli-prosjektet, kjent som Long Evolutionary Experiment, har nå gått over 60 000 generasjoner, og gitt Richard et solid datasett for å trekke konklusjoner om samspillet mellom sjanse og konvergens i evolusjonen. Subtile forandringer i bakteriens DNA, noe som gjør dem større eller mer i stand til å reprodusere raskt, har blitt hyppige hendelser i forskjellige reservoarer. Samtidig var Lenski vitne til "oppsiktsvekkende" tilfeldige hendelser der noe helt annet enn de andre fant sted i en av befolkningen. Men som i fenomenet konvergens, var slike transformasjoner ikke helt tilfeldige.
"Ikke alt er mulig," uansett prosess, forklarer Wake: "Organismer utvikler seg i sammenheng med arvelige egenskaper." Dyr kan ikke overføre mutasjoner som er ødeleggende eller forhindre reproduksjon. Når det gjelder Hydromantes salamander, måtte forfedrene overvinne en betydelig begrensning: For å få skytetungene var det nødvendig å ofre lungene. Dette er fordi en del av denne mekanismen utviklet seg fra muskler som ble brukt av forgjengerne til å pumpe luft inn i lungene. I dag har denne en gang liten og svak muskel blitt mye større og sterkere. Det kveiler seg som en fjær rundt det kjegleformede beinet på baksiden av munnhulen, og når muskelen trekker seg sammen skaper beinet spenninger, som skyter tungen sammen med benapparatet fra munnen. Foreldrene til Hydromantes fikk således ikke bare en mutasjon,som utviklet seg til et "ballistisk språk". I stedet fulgte denne tilpasningen etter en rekke endringer som først tillot skapningen å overvinne sin lungeavhengighet av oksygen og flyte til overflaten av vannet. Hver endring var avhengig av den forrige.
Kameleonene på sin side beholdt lungene. I stedet for å tulle med anatomi, utviklet de kollagen, slik at tungen kunne skyte på byttedyr. Ved første øyekast er språkene til salamandere og kameleoner et eksempel på konvergens, men hvis du ser nøye på, blir det tydelig at dette ikke er tilfelle. Det tar en kameleon 20 millisekunder å fyre, som er sneglens tempo sammenlignet med de fem millisekundene med salamandere. Hvorfor fikk kameleoner så trege språk? Svar: De møtte en hindring i veien for konvergent evolusjon. Kameleons tunge er rask nok til at de kan overleve, men de mangler den "arvede egenskapstrukturen" til å utvikle den mer dødelige ballistiske anatomi hos salamandere. Kameleoner har nådd et "adaptivt topp", som biologer sier.
I eksperimenter med virus som infiserer bakterier - bakteriofager - oppdaget Harvard-biolog David Liu også adaptive topper. Disse toppene begrenser organismenes evne til å konvergere på en optimal struktur. De forklarer hvorfor ulykker ikke skjer ofte.
Liu ønsket å vite om identiske grupper av bakteriofager uavhengig av hverandre kunne utvikle det samme enzymet hvis det samme evolusjonære trykket ble brukt på dem. Han akselererte utviklingen av proteiner i virus ved å bruke et system han kalte PACE.
Under eksperimentet ble virus som ikke klarte å produsere et enzym som Liu trengte, fjernet fra eksperimentet. Bare de som hadde nådd målet gjensto. Noen av dem viste enzymet "bedre" enn andre. I dette tilfellet krevde de enzymet polymerase, som oppdager en viss DNA-sekvens og gjør den til RNA, og noen polymeraser kjente igjen sekvensen mer nøyaktig enn andre. I likhet med det forholdsvis trege språket til kameleonene, har disse virusene utviklet tilpasninger som lar dem overleve, men forhindrer dem i å få den beste polymerasen. Noen virus ble sittende fast på et lavt topp, noen klatret høyere.
For å forstå hva biologer mener med adaptive topper, kan du forestille deg et område hvis topografi representerer høye og lave nivåer av reproduksjonspotensial. Når det gjelder Lius bakteriofager, studerte forskjellige populasjoner området og skaffet seg forskjellige mutasjoner. Noen havnet på små åser, noen på fjell på størrelse med Everest. Og slik begynte de å klatre til toppen de fikk. Etter å ha besteget et lavt fjell, kan ikke virus flytte til et annet, høyere. For å gjøre dette, må de først gå ned igjen og redusere sjansene for å overleve med hvert trinn. Det er veldig vanskelig å gjøre dette, for man må ikke glemme overlevelsen av de dyktigste. Hvilken mutasjon som vil skje før andre - hvilken topp vil gå til kroppen - dette er en historisk ulykke, som konvergent evolusjon bare kan overvinne med store vanskeligheter,hvis det i det hele tatt kan.
Tidspunktet for utseendet til mutasjoner betyr noe. "Tidlige tilfeldige hendelser som skaper en forskjell i genpoolen, kan ha betydelig innflytelse på om en gunstig mutasjon til slutt kan påvirke en organisms overlevelse," forklarer Liu. "Disse ulykkene reduserer evolusjonens repeterbarhet." I dette eksperimentet vant tilfeldigheten konvergens. Hendelsene som skjedde forhindret gjentakelse.
En måte som livet kan overvinne begrensningene til tilpasningsdyktige topper ble oppdaget ved studiet av digitale organismer av datalogi ved Michigan State University Chris Adami og Charles Ofria. De skapte dataprogrammet Avida, der digitale organismer utvikler seg under forhold som er satt av eksperimentøren. Avidianere muterer, tilegner seg tilfeldig og mister linjer med koder som lar dem løse matematiske problemer, noe som øker deres evne til å reprodusere.
I ett eksperiment fikk avidianerne i oppgave å skaffe evnen til å løse det komplekse logiske problemet med "bitvis identitet." Bare 4 av 50 digitale populasjoner har utviklet koden som er nødvendig for å utføre operasjonen. Alle vellykkede populasjoner fikk i utgangspunktet mange mutasjoner (tilfeldige linjer med kode) som kompliserer løsningen av matematiske problemer og derfor reproduksjon. Paradoksalt nok fant Ophria at tidlige dårlige mutasjoner spiller en nøkkelrolle i å forbedre egnetheten til senere generasjoner, muligens fordi de skaper genetisk mangfold som nye tilfeldige mutasjoner kan oppstå fra.
Bekrefter sjeldenhetene i noen av hendelsesforløpene at de store svingene i evolusjonen neppe vil skje igjen? Eksperimentelt er dette sant, men Conway Morris sier bestemt nei.”Det er tåpelig å tro at det ikke er noen ulykker i det hele tatt. Det eneste spørsmålet er tid. Han mener at med nok tid og genomer til mutasjon, vil naturlig seleksjon føre til liv til uunngåelige tilpasninger som er best egnet for den økologiske nisjen til organismer, uavhengig av sjansene som oppstår. Han tror at en dag vil alle E.coli-bakteriene i Lenskis eksperiment begynne å absorbere sitrat, og alle Liu-viruser vil klatre på Mount Everest. Dessuten ble disse eksperimentene utført i veldig enkle og kontrollerte omgivelser, i motsetning til de komplekse økosystemene som livet utenfor laboratoriet tilpasser seg. Vanskelig å si,innflytelsen fra den virkelige verden ville ha endret eksperimentene.
Til dags dato er den største feilen i alle forsøk på å svare på livets filmspørsmål at biologer kan trekke konklusjoner fra bare en biosfære - Jorden. Et møte med en utenomjordisk organisme ville fortalt oss mye. Selv om fremmede organismer ikke har DNA, vil de mest sannsynlig ha lignende evolusjonsmønstre. De vil trenge noe materiale som blir gitt videre til etterkommere, som leder utviklingen av organismer og endrer seg over tid. Som Lenski sier: "Det som er sant for E. coli er sant for mikrober i hele universet."
Derfor kan den samme interaksjonen mellom konvergens og sjanse observeres på andre planeter. Og hvis utenomjordisk liv opplever et evolusjonært press fra et miljø som ligner det som oppleves av det jordiske livet, kan fremtidens mennesker finne romvesener som har konvergent utviklet intelligens som ligner vår. På den annen side, hvis tilfeldige hendelser samler seg, og som fører liv langs unike veier, som Gould antydet, kan utenomjordisk liv være uvanlig rart.
Gould mente at mennesker er "en ekstremt usannsynlig evolusjonshendelse." Som bevis påpekte han at menneskets etterretning i løpet av de 2,5 milliarder årene av livet på jorden bare dukket opp en gang. Han vurderte sannsynligheten for at en annen art ville utvikle en intelligens som vår, var spøkelsesaktig liten. Fra det faktum at vi kanskje er den eneste intelligente arten i universet, kan vi trekke konklusjoner som går utover biologien. "Noen ser denne muligheten som en grunn til depresjon," skrev Gould i The Wonderful Life. "Jeg har alltid vurdert henne som forfriskende, en kilde til både frihet og som en konsekvens, et moralsk ansvar."
Zach Zorich
Oversettelsen ble utført av prosjektet Ny
