Kahepaiksetest on keele tulistamiskiiruses meister Hydromantese salamandrist. Vähem kui viie millisekundi jooksul suudab ta lennu ajal tabada õnnetu putuka - see aeg hõlmab lihaste, kõhre ja luustiku osade tööd. Kui võrrelda seda ballistilist anatoomiat konnade ja kameeleonidega, siis on viimased lohakad. California Berkeley ülikooli evolutsioonibioloog David Wake ütleb: „Olen veetnud umbes 50 aastat salamandri keelte evolutsiooni uurimisel. See on tõesti huvitav, sest üldiselt ei erine nad suure kiiruse poolest, kuid sellegipoolest suudavad nad minu teada tuntud selgroogsetele kättesaadava kiireima liikumise. Kogu nende arengu jooksul on evolutsioon leidnud tõhusama viisi, kuidas tagada keelega edukas jahipidamine. Nende pealtnäha ainulaadne kohanemine näib olevatarenenud iseseisvalt kolmes sõltumatus salamandriliigis. See on näide lähenenud evolutsioonist, kui erinevad isikud arendavad samade keskkonnategurite mõjul iseseisvalt sarnaseid bioloogilisi adaptsioone. Salamandrid on lemmiknäide, mida Wake tsiteerib, kui küsitakse evolutsioonibioloogia pikaajalist küsimust: kui te evolutsioonilinti tagasi kerite, kas see kordub? Ilmselt juhtus see salamandrite puhul; teiste organismidega ei pruukinud seda juhtuda.kui te evolutsioonilinti tagasi kerite, kas see kordub? Ilmselt juhtus see salamandrite puhul; teiste organismidega ei pruukinud seda juhtuda.kui te evolutsioonilinti tagasi kerite, kas see kordub? Ilmselt juhtus see salamandrite puhul; teiste organismidega ei pruukinud seda juhtuda.
Teatavasti esitas selle küsimuse esmakordselt hiljuti surnud evolutsioonibioloog Stephen Jay Gould 1989. aastal ajakirjas Amazing Life: Burgess Shales and the Nature Nature, mis ilmus ajastul, kui inimesed alles kuulasid kassetilintidel muusikat. Raamat rääkis Burgessi põlevkivist leitud fossiilidest, mis olid jäänud hulgaliselt imelikke loomi, kes elasid meie planeedil umbes 520 miljonit aastat tagasi, Kambriumi perioodil. Peaaegu kõigil tänapäeval eksisteerivatel loomadel on esivanemad, kes elasid Kambriumis, kuid mitte kõigil selle ajastu loomadel pole meie ajastul järeltulijaid. Paljud Kambriumi isikud said väljasuremise seetõttu, et nad polnud ellujäämisvõitluseks piisavalt sobivad või seetõttu, et nad olid vulkaanide purskamisel, meteoriitide langemisel või muude laastavate sündmuste korral valel ajal vales kohas.
Gould nägi Burgessis uskumatult erinevaid loomseid jäänuseid ja spekuleeris, et meie taimestik ja loomastik näeks välja teisiti, kui ajalugu oleks teistpidi pööranud. Ta tegi ettepaneku, et liikide kaootilised mutatsioonid ja väljasuremine, mida ta nimetas "ajaloolisteks õnnetusteks", põhineksid üksteise peal, liigutades evolutsiooni ühes või teises suunas. Gouldi sõnul on ükskõik millise looma, sealhulgas inimeste olemasolu haruldane nähtus, mille kordumine Kambriumi perioodist "tagasikerimise ja käivitamise" korral on ebatõenäoline. Gould viitab oma raamatus sageli Cambridge'i ülikooli paleontoloogi Simon Conway Morrise teosele Burgessi fossiili kohta, kuid teadlane ise ei nõustu Gouldi seisukohaga.
Conway Morris usub, et aja jooksul sunnib looduslik valik organisme läbima rea kohanemisi, et täita Maa piiratud ökoloogilised nišid. See viib asjaolu, et sõltumatud liigid ühtlustuvad kehaehituses järjekindlalt. "Loomad peavad ennast üles ehitama vastavalt selle maailma füüsilistele, keemilistele ja bioloogilistele nõuetele," ütles ta. Conway on veendunud, et sellised piirangud muudavad peaaegu möödapääsmatuks, et lindi ümberkerimise korral viiks evolutsioon varem või hiljem meie maailmas eksisteerivate organismidega sarnaste organismide tekkimiseni. Kui meie ahvide esivanematel poleks arenenud aju ja sellega seotud mõistus, võiks teadlase sõnul hõivata niši, milles inimene praegu on, mõni muu haru nagu varesed või delfiinid. Kuid Gould pole sellega nõus.
Mõlemad teadlased tõdevad, et juhuslikkus ja lähenemine (sõltumatu areng kuni sarnaste märkide ilmumiseni - u. Miks uus) toimuvad evolutsioonis. Selle asemel keskendub arutelu sellele, kui ainulaadsed või korratavad võtmekohandamised on nagu inimese mõistus. Vahepeal on teised bioloogid lahendanud mõistatuse ja näidanud, kuidas lähenemine ja juhuslikkus üksteist mõjutavad. Nende jõudude koostoimest aru saamine aitab meil välja mõelda, kas kõik elamine on 7 miljardi aasta pikkuste kokkusattumuste tulemus või on meie - nii inimeste kui ka salamandrite - osa paratamatusest, nagu surm või maksud.
Selle asemel, et proovida fossiilide abil taasluua ajalugu, otsustas Michigani ülikooli evolutsioonibioloog Richard Lenski jälgida labori kontrollitavas keskkonnas reaalajas lähenemise ja juhuse nähtusi. 1988. aastal jagas ta Escherichia coli bakterite populatsiooni ja paigutas need 12 eraldi vedelate söötmete reservuaaridesse, võimaldades neil seega üksteisest sõltumatult kasvada. Juba 26 aastat, iga paari kuu tagant, on tema või üks tema õpilastest külmutanud ühe partii baktereid. See külmutatud idukomplekt annab Richardile võimaluse E. coli elutsükli filmi "taaskäivitada" igast hetkest alates, kui ta soovib, ühe osa lihtsalt sulatades. Kogu protsessi vältel saab ta kontrollida,kuidas bakterid muutuvad - nii geneetika kui ka selle osas, mida saab näha ainult mikroskoobi all. Lenski selgitab: "Kogu eksperiment oli loodud selleks, et testida, kui korduv evolutsioon on."
11 Lenski veehoidlas kasvas E. coli suurus, kuid kaheteistkümnendas proovis olevad bakterid jagunesid kaheks iseseisvaks haruks - ühel olid suured rakud, teisel väikesed. Lenski ütleb: “Kutsume neid“suurteks”ja“väikesteks”. Nad on koos elanud juba 50 tuhat põlvkonda”. Seda pole ühegi teise elanikkonna puhul juhtunud; seega võime järeldada, et toimus evolutsiooniliselt juhuslik sündmus. Ja isegi 26 aastat hiljem pole ükski teine kohtuprotsess sellise haru ilmumist korranud. Seega näib, et selles olukorras on juhus lähenenud lähenemisele.
2003. aastal oli veel üks juhuslik episood. Varraste arv ühes reservuaaris on suurenenud sellisel määral, et tavaliselt keskmise läbipaistvusega sööde muutub häguseks. Alguses otsustas Lenski, et keskkond on tavapäraselt saastunud, kuid nagu selgus, arendas E. coli, kes tavaliselt söödas ainult vedelikku lahustatud glükoosi, võime tarbida paakides sisalduvat muud elementi: tsitraati. 15 aasta ja 31 500 põlvkonna järel suutis seda ainet töödelda ainult üks kolooniatest. Bakterite arv selles hakkas kasvama viis korda kiiremini kui teistes kolooniates.
Reklaamvideo:
See "ajalooline õnnetus" andis Richardile ja tema vilistlasele Zachary Blountile võimaluse proovida, kas selline sündmus kordub, kui nad "lindile kerivad". Blount valis laost välja 72 külmutatud pulgade proovi, mis olid katse eri etappides kogutud populatsioonist, mis suutis hiljem tsitraadi oma metabolismi sisse viia. Ta sulatas need ja stimuleeris nende paljunemist. Varsti tekkis 72 proovist 4 sama võime tsitraati tarbida. Huvitav on see, et need mutatsioonid ilmnesid populatsioonides alles pärast 30 500 põlvkonna tsüklit. Geneetiline analüüs näitas, et mitte kaua enne seda läbisid mitmed geenid muutusi, mis aitasid tsitraadi metabolismi käigus esile evolutsiooni. Teisisõnu, tsitraadi imendumise võime sõltus muude sellele eelnenud mutatsioonide esinemisest. See lõi kahvlivõimalike teede muutmine, mida tulevased põlvkonnad võivad minna.
Pikaajalise evolutsioonieksperimendina tuntud E. coli projekt on nüüdseks ületanud 60 000 põlvkonda, andes Richardile kindla andmestiku, millest saaks teha järeldusi juhuslikkuse ja evolutsiooni lähenemise koosmõjust. Peened muutused bakterite DNA-s, muutes need suuremaks või kiiremini paljunema on muutunud erinevates reservuaarides sagedaseks sündmuseks. Samal ajal oli Lenski tunnistajaks "jahmatavatele" juhuslikele sündmustele, kus ühes populatsioonis toimus midagi teistest täiesti erinevat. Kuid nagu lähenemise fenomenis, ei olnud sellised muundumised täiesti juhuslikud.
"Kõik pole võimalik," selgitab Wake ükskõik millist protsessi, "organismid arenevad päritud tunnuste taustal." Loomad ei saa edastada hävitavaid või paljunemist takistavaid mutatsioone. Hüdromantese salamandri puhul pidid selle esivanemad ületama olulise piirangu: laskmiskeelte saamiseks tuli ohverdada kopsud. Selle põhjuseks on asjaolu, et osa sellest mehhanismist arenes lihastest, mida nende eelkäijad kasutasid õhku kopsudesse pumpamiseks. Täna on see kunagi väike ja nõrk lihas muutunud palju suuremaks ja tugevamaks. See kerkib nagu vedru suuõõne tagaosas asuva koonusekujulise luu ümber ja kui lihas kokku tõmbab, tekitab luu pinget, mis laseb keele koos luuaparaadiga suust välja. Seega ei omandanud Hydromantese esivanemad lihtsalt mutatsiooni,mis kujunes välja "ballistiliseks keeleks". Selle asemel järgnes sellele kohanemisele rea muutusi, mis kõigepealt võimaldasid olendil ületada kopsu sõltuvus hapnikust ja hõljuda veepinnale. Iga muudatus sõltus eelmisest.
Kameleonid omakorda säilitasid kopse. Selle asemel, et tutvuda oma anatoomiaga, arendasid nad välja kollageeni, võimaldades keelel saaki tulistada. Esmapilgul on salamandrite ja kameeleonide keeled näide lähenemisest, kuid kui lähemalt uurida, saab selgeks, et see pole nii. Põlenguks kulub kameeleon 20 millisekundit, mis on tigude tempo võrreldes viie millisekundi salamandritega. Miks said kameeleonid nii aeglasi keeli? Vastus: Nad seisid takistava lähenemise teel. Kameleoni keel on nende ellujäämiseks piisavalt kiire, kuid salamandrite surmavama ballistilise anatoomia arendamiseks puudub neil "päritud iseloomujoon". Nagu bioloogid väidavad, on kameeleonid jõudnud adaptiivse haripunkti.
Katsetes viirustega, mis nakatavad baktereid - bakteriofaage - avastas Harvardi bioloog David Liu ka adaptiivsed piigid. Need piigid piiravad organismide võimet sulanduda ühte optimaalsesse struktuuri. Nad selgitavad, miks õnnetusi ei juhtu sageli.
Liu soovis teada, kas identsed bakteriofaagide rühmad suudavad iseseisvalt arendada sama ensüümi, kui neile rakendatakse sama evolutsioonilist survet. Ta kiirendas viiruste valkude arengut, kasutades süsteemi, mida ta kutsus PACE.
Katse ajal eemaldati katsest viirused, mis ei suutnud toota ensüümi, mida Liu vajas. Jäid ainult need, kes olid eesmärgini jõudnud. Mõnedel neist osutus ensüüm teistest paremaks. Sel juhul vajasid nad ensüümi polümeraasi, mis tuvastab teatud DNA järjestuse ja muudab selle RNA-ks ning mõned polümeraasid tundsid seda järjestust täpsemalt kui teised. Sarnaselt kameeleonide suhteliselt aeglase keelega on ka nendes viirustes välja töötatud adaptatsioonid, mis võimaldavad neil ellu jääda, kuid takistavad neil saada parimat polümeraasi. Mõned viirused takerdusid madalale tipule, mõned ronisid kõrgemale.
Et mõista, mida bioloogid tähendavad adaptiivsete piikide all, kujutlege ala, mille topograafia tähistab paljunemisvõime potentsiaali kõrget ja madalat taset. Liu bakteriofaagide puhul uurisid erinevad populatsioonid piirkonda, saades erinevaid mutatsioone. Mõni päädis väikeste küngastega, mõni Everesti suuruste mägedega. Ja nii nad hakkasidki tõusma tippu, mille nad said. Pärast madalale mäele ronimist ei saa viirused liikuda teisele, kõrgemale. Selleks peavad nad kõigepealt tagasi minema, vähendades iga sammuga nende ellujäämisvõimalusi. Seda on väga raske teha, sest ei tohi unustada kõige tugevama ellujäämist. Milline mutatsioon juhtub enne teisi - milline tipp jõuab kehasse - see on ajalooline õnnetus, mille ühtlane evolutsioon saab ületada ainult suurte raskustega,kui see üldse võimalik on.
Mutatsioonide ilmumise ajastus on oluline. “Varased juhuslikud sündmused, mis loovad erinevuse geenivaramus, võivad märkimisväärselt mõjutada seda, kas kasulik mutatsioon võib lõppkokkuvõttes mõjutada organismi ellujäämist,” selgitab Liu. "Need õnnetused vähendavad evolutsiooni korratavust." Selles katses ületas juhuslikkus lähenemise. Juhtunud sündmused takistasid kordumist.
Michigani osariigi ülikooli arvutibioloogid Chris Adami ja Charles Ofria uurisid digitaalorganismide uurimise käigus üht viisi, kuidas elu saab ületada adaptiivsete piikide piirangud. Nad lõid arvutiprogrammi Avida, milles eksperimenteerija seatud tingimustes arenevad digitaalsed organismid. Avidiaanlased muteeruvad, omandades ja kaotades juhuslikult koodiridu, mis võimaldavad neil lahendada matemaatilisi probleeme, mis suurendab nende paljunemisvõimet.
Ühes eksperimendis tehti avidiaanidele ülesandeks saada võime lahendada keerukas loogiline probleem "bittide identiteet". Ainult 4 digitaalsest populatsioonist 50-st on välja töötanud operatsiooni teostamiseks vajaliku koodi. Kõik edukad populatsioonid said algselt palju mutatsioone (juhuslikud koodiridad), mis raskendavad matemaatiliste probleemide lahendamist ja järelikult paljunemist. Paradoksaalne, nagu see kõlab, leidis Ophria, et varajastel halbadel mutatsioonidel on hilisemate põlvkondade tervisliku seisundi parandamisel võtmeroll. Võimalik, et need loovad geneetilise mitmekesisuse, millest võivad tekkida uued juhuslikud mutatsioonid.
Kas mõne sündmusejada haruldus kinnitab, et tõenäoliselt ei kordu evolutsiooni suured pöörded? Eksperimentaalselt on see tõsi, kuid Conway Morris ütleb kindlalt ei. “On rumal arvata, et õnnetusi ei juhtu üldse. Ainus küsimus on aeg. Ta usub, et mutatsioonide piisava aja ja genoomide korral viib looduslik valik elu vältimatute kohanemisteni, mis sobivad kõige paremini organismide ökoloogilise niši jaoks, sõltumata tekkivatest võimalustest. Ta usub, et ühel päeval hakkavad kõik Lenski katses olevad E.coli bakterid tsitraati imenduma ja kõik Liu viirused ronivad nende Mount Everesti. Pealegi viidi need katsed läbi väga lihtsas ja kontrollitud keskkonnas, erinevalt keerukatest ökosüsteemidest, mille jaoks elu väljaspool laborit kohaneb. Raske öelda,reaalmaailma mõju oleks eksperimente muutnud.
Praeguseks on suurim probleem kõigis eluküsimusele vastamise katsetes selles, et bioloogid saavad järeldusi teha ainult ühest biosfäärist - Maast. Kohtumine maavälise organismiga ütleks meile palju. Isegi kui võõrastel organismidel pole DNA-d, on neil tõenäoliselt sarnased evolutsioonimustrid. Nad vajavad mõnda materjali järeltulijatele edasiandmiseks, suunates organismide arengut ja muutudes aja jooksul. Nagu ütleb Lenski: "Mis tõsi on E. coli puhul, see kehtib ka kogu universumi mikroobide kohta."
Seetõttu võib sama lähenemist ja juhuse vahelist interaktsiooni täheldada ka teistel planeetidel. Ja kui maaväline maaelu kogeb evolutsioonilist survet keskkonnast, mida sarnaneb maise eluga, võivad tulevikuinimesed leida välismaalasi, kellel on ühtlaselt arenenud intelligentsus, mis sarnaneb meie omaga. Teisest küljest, kui juhuslikud sündmused kuhjuvad, juhtides elu ainulaadsetel radadel, nagu Gould soovitas, võib maaväline elu olla ebaharilikult kummaline.
Gould uskus, et inimesed on "äärmiselt ebatõenäoline evolutsiooniline sündmus". Tõendusmaterjalina tõi ta välja, et Maal elatud 2,5 miljardi aasta jooksul ilmus inimese intelligentsus vaid üks kord. Ta pidas kummituslikult väikest tõenäosust, et mõni teine liik meiega sarnane luure areneb. Sellest, et võime olla universumis ainus arukas liik, võime teha järeldusi, mis ulatuvad kaugemale bioloogiast. "Mõni peab seda võimalust depressiooni põhjuseks," kirjutas Gould ajakirjas The Wonderful Life. "Olen alati pidanud teda kosutavaks, nii vabaduse kui ka sellest tuleneva moraalse vastutuse allikaks."
Zach Zorich
Tõlke viis läbi projekt Uus
