Kaip at­si­tik­ti­nu­mai val­do pa­sau­lį: gy­vy­bės evo­liu­ci­jos žai­di­mai

Paimkime 100 naujai susiformavusių Žemės masės planetų. Įtaisykime kiekvieną jų gyvenamoje G tipo, pagrindinės sekos žvaigždės gyvenamoje zonoje. Luktelėkim 4 milijardus metų. Ką gavome? Šimtą planetų, knibždančių panašiomis gyvybės formomis, kaip Žemėje, gal net dominuojamas nuogų beždžionių? O gal evoliucija sukurtų kiekvienu atveju sukurtų visiškai kitokį rezultatą, – jei gyvybė išvis užsimegztų?

Kai kurie biologai teigia, kad evoliucija yra deterministinis procesas, kad panašiose aplinkose gaunamas panašus rezultatas. Tuo tarpu kiti, iš kurių žymiausias Stephen Jay Gouldas, mano, kad evoliucijos tėkmė daro nenuspėjamus posūkius ir vingius, ir kad ta pati pradžia kaskart gali pateikti labai skirtingus rezultatus.

Atsakymas į šį klausimą yra labai svarbus. Jei teisi Gouldo stovykla, evoliucijos tyrimas primena istorijos tyrinėjimą: tai kažkas, ką galime suprasti tik retrospektyviai. Tačiau, jei atsitiktinumo išdaigos vaidina tik mažą vaidmenį, tada biologai gali plačiu mastu prognozuoti evoliucijos raidą – o evoliucijos prognozavimas yra labai svarbus stabdant auglių atsparumo vaistams vystymąsi, ar bakterijų atsparumą antibiotikams, ar patalinių blakių atsparumą pesticidams, ar virusus nuo paskiepytų žmonių žudymo ir taip toliau.

Tad, kaip yra? Gal ir neturime 100 Žemių ir laiko mašinos, tačiau galime pažiūrėti, kaip evoliucija pasireiškė, tarkime, kaimyninėse salose, ar netgi vėl ir vėl išbandyti tai laboratorijose. Tokie tyrimai suteikia geresnį supratimą apie atsitiktinumų vaidmenį.

Pradėkime nuo pradžių. Evoliucija prasideda nuo atsitiktinių įvykių, – mutacijų. Bet tai nėra tas atvejis, kai tinka bet kokia mutacija; toli gražu. Kuri mutacija išgyvena ir paplinta, priklauso nuo natūralios atrankos – išlieka geriausiai prisitaikiusieji. Kitaip tariant, atsitiktinumas yra kūrybingasis partneris, pateikiantis visas idėjas – kai kurios jų nuostabios, kai kurios beviltiškos, – o natūralioji atranka yra praktiškasis, negailestingai renkantis tinkamas.

Tad, dauguma biologų, iš kurių žinomiausias Richardas Dawkinsas, tvirtina, kad, nors mutacijos gali būti atsitiktinės, evoliucija tokia nėra. Toks tvirtinimas gali būti tinkamas, aiškinant evoliuciją žmonėms, nesuprantantiems pamatinės koncepcijos. Bet ir evoliucijoje yra atsitiktinumo elementas, nors ją tvirtai vairuoja natūralioji atranka.

Pažvelkime į gripo virusų evoliuciją. Galime užtikrintai nuspėti, kad per kitus keletą metų, viruso paviršinio baltymo, vadinamojo hemoglutinino, struktūra evoliucionuos taip, kad žmogaus imuninė sistema jo nebepažins ir nebepuls. Be to, galime būti tikri, kad žmogaus imuninės sistemos išvengti leidžiančios mutacijos įvyks vienoje iš septynių svarbių hemoglutininą koduojančio geno vietų, sako Trevoras Bedfordas, evoliucijos biologas iš Fred Hutchinson Vėžio tyrimų centro Seattle'e. Šia prasme gripo evoliucija yra neatsitiktinė ir nuspėjama.

Bet kuri iš septynių vietų mutuos ir kaip, priklauso nuo atsitiktinumo. Nuspėti gripo evoliuciją ilgesniam, nei metų ar poros laikui, yra praktiškai neįmanoma, sako Bedfordas. Būtent todėl vakcinos gamintojai ne visada nuspėja teisingai ir todėl šio sezono vakcina buvo tokia neefektyvi.

Be to, kad ir kokia svarbi yra natūralioji atranka, jos galios yra ribotos. Ne visada išgyvena geriausiai prisitaikę; evoliucijos kryptį dažnai nulemia atsitiktiniai įvykiai. Pavyzdžiui, jei nebūtų buvę asteroido smūgio, mes, žinduoliai, galbūt tebešmirinėtume, mirtinai bijodami dinozaurų. O jei kitoks paukštis būtų nublokštas į tolimas Galapagų salas prieš keletą milijonų metų, galbūt kalbėtume apie Darwino varnas, o ne Darwino kikilius.

Šis „pradininko efektas“ žinomas jau seniai, bet nauji tyrimai rodo, kad jis gali būti svarbesnis, nei manyta. Pavyzdžiui, keletas paukštelių buvo kelių Bertheloto žvirblių populiacijų Selvagemo ir Madeira'os salų grandinėje Atlante, protėviai. Jų snapų, kojų, sparnų dydis ir forma smarkiai skiriasi.

Kai Lewisas Spurginas iš Rytų Anglijos universiteto Norwiche, JK, tyrė šias populiacijas, jis tikėjosi šią įvairovę galinčius paaiškinti aplinkos skirtumus, bet nerado. Tad, jis padarė išvadą, kad fiziniai skirtumai radosi ne dėl natūraliosios atrankos, o dėl mažo pradininkų skaičiaus: kitaip tariant, dėl istorijos nutikimų (Molecular Ecology, l. 23, p. 1028).

Atsitiktiniai procesai

Dėl pradininko efekto gali netgi atsirasti naujos rūšys be natūralios atrankos. Kai Danielis Matute, dabar dirbantis Š. Karolinos universitete Chapel Hille, paėmė didelę vaisinių muselių populiaciją ir sukūrė 1000 pradininkų populiacijų identiškuose induose laboratorijoje paleisdamas po patinėlį ir patelę, dauguma populiacijų paprasčiausiai išnyko dėl kraujomaišos. Bet trijose išlikusiose populiacijose, pirmtako palikuoniai skyrėsi pakankamai, kad menkiau gebėjo kryžmintis su didesne tėvine populiacija – pirmas žingsnis link naujos rūšies atsiradimo.

Tokie efektai gali paaiškinti, kodėl Havajų salose tokia didelė vaisinių muselių įvairovė. Tiesą sakant, kai kurie biologai mano, kad rūšių atsiradimas beveik visada būna atsitiktinis procesas, o ne sukeltas natūralios aplinkos (New Scientist, 2010 kovo 13 d. p 30).

Dar daugiau natūralios atrankos ribų įrodymų randama genomuose, kuriuose pilna atsitiktinumo produktų. Tarkime, nors daug kas teigia priešingai, didžiuma žmogaus genomo yra tiesiog šiukšlės. Šios šiukšlės susikaupė, nes natūrali atranka nebuvo pakankamai stipri, kad jas pašalintų, paaiškina Michaelas Lynchas, evobiologas iš Indiana'os universiteto Bloomingtone. Mažoje populiacijoje grynai atsitiktinai gali paplisti netgi šiek tiek kenksmingos mutacijos.

Ar toks genetinis dreifas išties svarbus? Bent jau kartais, taip. Joe Thorntonas iš Chicago'os universiteto suko laikrodį atgal ir leido evoliuciją iš naujo, siekdamas išsiaiškinti, ar ji galėjo pasukti kitu keliu. Panašiai, kaip Jurassic Park, gal tik išskyrus išnykusių gyvūnų atkūrimą, Thorntonas atkūrė senovinius baltymus. Jo komanda pradėjo nuo gyvenančių stuburinių gyvūnų rūšių, kurių kiekviena turi nuosavą streso hormoną kortizolį aptinkančių baltymų versiją. Lygindami versijas, galėjo išsiaiškinti, kaip jos vystėsi per šimtus milijonų metų, iš baltymo, galėjusio aptikti kitą hormoną.

Tada Thorntono komanda žengė daug toliau. Jie pagamino šiek tiek tų senovinių baltymų ir išbandė juos, kad išsiaiškintų, koks kiekvienos mutacijos poveikis. Persijungimui į kortizolį reikėjo penkių mutacijų: dviejų kortizolio atpažinimui ir trijų – ankstesnio hormono „pamiršimui“.

Bet kai komanda atliko tik tuos penkis pokyčius, baltymas destabilizavosi. Pasirodo, perėjimas prie kortizolio galėjo įvykti tik todėl, kad iš pradžių įvyko kitos dvi, baltymą stabilizuojančios, mutacijos. Bet šios „leidžiančios“ mutacijos pačios savaime poveikio neturi. Jos turėjo įvykti atsitiktinai, ne dėl natūralios atrankos (Science, l. 317, p. 1544).

„Šias leidžiančias mutacijas vertiname kaip durų atidarymą, kad evoliucija turėtų progą pasukti keliais, kurie būtų neprieinami be leidžiančių mutacijų,“ sako Thorntonas. Ir panašu, tėra vienas būdas, kaip galėjo atsiverti link kortizolio aptikimo pokyčių vedančios durys. Thorntonas išbandė tūkstančius kitų mutacijų, tačiau nė viena kita netiko. „Niekas kitas pradinio baltymo kaimynystėje šių durų negalėjo atverti,“ pažymi jis.

Thorntono požiūriu, evoliucijos kryptis dažnai – nors ir ne visada, – laikosi ant tokių atrodytų nereikšmingų atsitiktinių įvykių. Šiuo požiūriu evoliucija labai primena gyvenimą, pastebi jis: atsitiktinai nuėję į vieną vakarėlį, užuot nuėjus į kitą, galite sutikti būsimą partnerį ir taip pakeisti gyvenimo eigą.

Tačiau vėlgi, ką vakarėlyje pakabiname, retai pakeičia istorijos tėkmę. Nors šie visi tyrimai rodo, kad atsitiktinumas vaidina didesnį vaidmenį evoliucijoje, nei bendrai pripažįstama, didysis klausimas yra, kokia jo ilgalaikė įtaka. Nors tikslus populiacijos kelias gali stipriai priklausyti nuo atsitiktinumo, tačiau lemti panašų galutinį rezultatą. Pavyzdžiui, yra nedaug skraidymo ir plaukiojimo būdų, todėl sparnai ir pelekai daug kartų išsivystė nepriklausomai. Jei Thornton'o baltymui nebūtų išsivystęs gebėjimas sukibti su kortizoliu, tikriausiai būtų kitam baltymui.

Yra daug tokios konverguojančios evoliucijos pavyzdžių. Pavyzdžiui, Arkties ir Antarkties žuvims nepriklausomai išsivystė taip pat veikiantys neužšąlantys baltymai, o kelioms gyvačių rūšims atskirai išsivystė identiškas susitvarkymo su jų medžiojamų nuodingų driežų įkandimais, metodas.

Tuo tarpu Karibų Didžiuosiuose Antiluose, evoliucija iš esmės vyko iš naujo keturiose salose – ir pasuko tuo pačiu keliu. Kiekvienoje saloje gyvena ilgakojai Anolio driežai , bėgiojantys žeme, stiebais laipiojantys trumpakojai, ir prie lapų limpantys didžiapadžiai. Bet kiekvienos salos driežai kilo iš vienos pradininkų populiacijos, o tai reiškia, kad jie išsivystė nepriklausomai vienas nuo kito ir užpildė tas pačias nišas.

Ar tai reiškia, kad visgi Gouldas klydo ir atsitiktinumai ilgainiui pasidaro ne tokie svarbūs? Arčiausiai prie atsakymo, ko gero, yra Ilgas eksperimentinis evoliucijos projektas (Long-Term Experimental Evolution Project), vadovaujamas Richardo Lenski'o iš Michigano valstijos universiteto. 1988 vasario 24 d. Lenski'is paėmė vienos rūšies E. coli bakterijų pavyzdžius ir panaudojo juos 12 naujų populiacijų sukūrimui. Nuo tada kiekvieną dieną – savaitgaliais ir švenčių dienomis, nepaisant pūgų ir spaudžiančių grantų grafikų – kas nors juos augino, perkeldamas į naują maistingą terpę.

Evoliucijos pakartojimas

Per 27 prabėgusius metus, Lenski'o populiacijoje pasikeitė maždaug 60 000 kartų̃. Palyginimui, per visą Homo sapiens egzistavimą, pasikeitė apie 20 000 kartų̃. Visos 12 populiacijų pasikeitė panašiai, jų ląstelės padidėjo ir ėmė augti greičiau, kas rodo, jog kartais evoliucija išties vystosi nuspėjamai.

Bet netgi be tokių išorinių įvykių, kaip asteroidų smūgiai, jos kursas ne visada buvo numanomas. Viena populiacija išsivystė į dviejų linijų mišinį, išgyvenančių, nes laikosi šiek tiek skirtingų strategijų. Kitoms staiga, maždaug 31 500-oje kartoje, išsivystė gebėjimas misti citratu, auginimo terpės priedu, kuriuo paprastai E. coli negali misti. „Jos pradėjo toje pačioje vietoje ir jas veikė tiksliai tokios pačios sąlygos, tačiau skirtumai vis vien atsiranda,“ sako Zachary'is Blountas, kartu su Lenski'iu vykdantis šį projektą. „Skirtumai randasi grynai dėl atsitiktinumo, kuris yra įgimtas evoliucinio proceso dalyvis.“

Ar citrato naudojimo mutacija buvo sėkmingas proveržis, ar evoliucija galėtų atrasti jį vėl? Kadangi Lenski'io komanda kas 500 generacijų užšaldo bakterijų kultūrų pavyzdžius, Blountas galėjo nueiti į tos populiacijos archyvus ir tiesiogine prasme, paleisti evoliuciją iš naujo. Jam tai darant, vienintelį kartą citrato naudojimas išsivystė, kai jis pradėjo naudoti ląsteles iš 20 000-osios ar vėlesnių generacijų.

Aišku, kad maždaug 20 000-ojoje kartoje įvyko mutacija ar mutacijos, parengusios sceną daug vėlesniam citrato naudojimo išsivystymui, visai kaip Thornton'o hormonų receptoriaus atveju turėjo atsirasti leidžiančioji mutacija, dėl kurios baltymas galėjo persijungti į kito taikinio atpažinimą. „Vis dar neišsiaiškinome, kad kokia tai buvo mutacija, o tai išties glumina,“ sako Blountas. Kol neišsiaiškins, komanda nežinos, ar leidžiančioji mutacija bakterijoms suteikė dar kokį nors pranašumą. Tačiau net jei taip, atrodo aišku, kad mutacijos vaidmuo citrato naudojime buvo tiesiog sėkmingas šalutinis produktas.

Taigi, ką gautume, jei galėtume vėl ir vėl vykdyti evoliuciją planetos mastu? Viena galimybė yra didžiulė gausybė glitėsių. Nickas Lane'as iš UCL mano, kad sudėtingų ląstelių atsiradimas priklausė nuo menkai tikėtinų dviejų rūšių paprastų ląstelių susijungimo (New Scientist, 2012 birželio 23 d., p. 32). Jeigu jis teisus, bakterinės gyvybės formos kituose pasauliuose yra paplitusios, bet sudėtingesni organizmai retai iš jų išsivysto.

Jokių nuogų beždžionių

Bet tarus, kad gyvybė mūsų pasauliuose praėjo glitėsių stadiją, kokia jinai būtų? „Yra nemažas šansas, kad tokie kartojimai dažnai sukurtų pasaulius, bendrais bruožais panašius į mūsiškį ta prasme, kokios nišos būtų užpildytos, ir kokie būtų pagrindiniai bruožai,“ svarsto Blountas. Kitaip tariant, galima tikėtis išvysti fotosintetinančias formas ir plėšrūnus, parazitus ir skaidytojus. Bet vieno kartojimo detalės nuo kito tikriausiai skirtųsi smarkiai, sako jis. Net jei pakartotume evoliuciją šimtą kartų, labai mažai tikėtina, kad vėl išvystume planetą valdančius primatus didelėmis smegenimis.

Bet gal kiti protingi, socialūs gyvūnai galėtų užvaldyti planetą? Galbūt. „Proto reikalaujanti prisitaikymo zona yra daugumoje gyvenamų vietų,“ sako Davidas Jablonski'is, Chicago universiteto paleontologas. Dabar žinome, kad daugelį bruožų, kuriuos anksčiau laikėme grynai žmogiškais, nuo kalbos iki įrankių gamybos, turi ir daugelis kitų gyvūnų rūšių. Tad, nors nuogos beždžionės gal ir neatsirastų nė vienoje iš 100 planetų, kiti išmoningi įrankių gamintojai galėtų.

Tai klausimas, į kurį vieną dieną netgi galime sužinoti atsakymą. Atrasta tūkstančiai egzoplanetų ir nors dar neradome lygiai tokios, kaip mūsiškė, viskas rodo, kad turėtų būti pilna į Žemę panašių planetų pakankamai arti, kad galėtume ne tik nustatyti, ar jos palaiko gyvybę, bet šiek tiek apie jas sužinoti. Atsakymas gali slypėti žvaigždėse.