Ewolucja do poprawki

Czy podręczniki do biologii trzeba będzie pisać od nowa? Biolodzy coraz częściej mówią, że współczesna teoria ewolucji wymaga... ewolucji.

18.07.2017

Czyta się kilka minut

 / GETTY IMAGES
/ GETTY IMAGES

Teorię ewolucji już raz trzeba było przeformułować. Gdy Darwin zaproponował w 1859 r. swoją koncepcję powstawania gatunków drogą selekcji naturalnej, nie znano jeszcze mechanizmów dziedziczenia. Nowoczesna genetyka, która zdołała je wyjaśnić, narodziła się dopiero około 1900 r., gdy Hugo de Vries, Carl Correns i Erich Tschermak niezależnie od siebie doprowadzili do ponownego odkrycia sformułowanych przez Gregora Mendla w latach 60. XIX w. praw dziedziczenia.

Początkowo wydawało się, że ewolucjonizm i genetyka prowadzą do sprzecznych przewidywań i tych dwóch fundamentalnych dziedzin biologii nie da się pogodzić. Jednak na przestrzeni lat 20. i 40. XX w. takim badaczom jak Ronald Fisher, Sewall Wright, Theodosius Dobzhansky i Ernst Mayr udało się pogodzić klasyczny darwinizm z przewidywaniami genetyki populacyjnej: narodziła się Nowoczesna Synteza (ang. Modern Synthesis, MS). Był to darwinizm ubrany w nowoczesną, matematyczną szatę.

U podstaw Nowoczesnej Syntezy leży kilka podstawowych stwierdzeń. Zgodnie z nią ewolucja zachodzi dzięki zmianom częstości wariantów genetycznych w populacjach. Wymaga ona zmienności genetycznej, czyli istnienia różnych „wersji” genetycznych danej cechy (np. genów na długie, średnie i krótkie dzioby). Do ewolucji dochodzi, gdy określone wersje cechy są „lepsze” (mówimy, że mają większe dostosowanie) – np. osobniki o długich dziobach rozmnażają się szybciej lub żyją dłużej niż inne. Środowisko i jego ograniczenia przyjmują wtedy rolę „filtra” – wybierają (stąd: selekcja) osobniki mające te „lepsze” warianty cech (w przypadku dziobów „filtrem” może być ich zależna od długości zdolność zdobywania pożywienia). Sprawia to, że kodujące je geny rozprzestrzeniają się w populacji.

Nowoczesna Synteza koncentruje się zatem na genach: to one stanowią swego rodzaju „plan budowy” organizmu, zewnętrzne cechy są „tłumaczeniem” tego planu na określone właściwości organizmów, a środowisko mówi: sprawdzam! – rozstrzyga, które warianty radzą sobie lepiej, a które gorzej. Co ważne, plany budowy, czyli geny, są swego rodzaju czarną skrzynką: nie mają one kontaktu ze środowiskiem i często nawet nie interesuje nas, jak konkretnie działają. Zapisana w nich informacja jest odczytywana jednokierunkowo, tak aby wyprodukować danego osobnika – a jego najważniejszym celem jest przekazanie tych właśnie genów swojemu potomstwu (następnemu pokoleniu). Ostatecznie, dzięki selekcji działającej na osobniki, ewolucji podlegają całe populacje (w naszym przykładzie polega ona na stopniowym wydłużaniu się średniej długości dziobów w populacji).

Współczesne badania biologiczne wielokrotnie zweryfikowały te założenia Nowoczesnej Syntezy, potwierdzając centralną rolę genów w ewolucji organizmów żywych. Naukowcy opracowali precyzyjne modele opisujące zmiany proporcji różnych wariantów genetycznych w populacjach, a niezliczone eksperymenty laboratoryjne potwierdziły wszystkie kluczowe przewidywania teorii ewolucji. Oparła się ona nawet tak paradoksalnym obserwacjom, jak zachowania altruistyczne, ograniczające agresję czy rozwijanie struktur i narządów wyraźnie pogarszających kondycję i sprawność organizmów (takich jak pawi ogon). We wszystkich tych przypadkach teoria ewolucji dostarczała satysfakcjonujących, często spektakularnych wyjaśnień (dobór krewniaczy, strategie ewolucyjnie stabilne i altruizm odwzajemniony, selekcja płciowa) – wytrzymując wszelkie próby falsyfikacji. Czy tak udana i powszechnie akceptowana teoria mogłaby okazać się niepełna? Choć wydaje się to niemożliwe – biologia gromadzi coraz więcej dowodów na wiele luk w teorii ewolucji. Niektóre z nich czaiły się w biologii ewolucyjnej od dłuższego czasu, były jednak spychane na margines. Co takiego odkrywają wokół nas biolodzy, co mogłoby zatrząsnąć posadami współczesnego modelu ewolucji biologicznej?

Sabotażysta pierwszy: dziedziczenie niegenetyczne

Cechy kodowane są przez geny – na tym moglibyśmy poprzestać, opisując część MS dotyczącą dziedziczenia. Dodatkowe zastrzeżenie dotyczy większości organizmów wielokomórkowych: ponieważ ich komórki płciowe (te odpowiedzialne za produkowanie gamet i przekazywanie genów do kolejnych pokoleń) oddzielone są od reszty organizmu, cechy nabyte przez osobnika w czasie jego życia nie mogą być dziedziczone, po prostu nie mają jak trafić do genów linii płciowej (nawet jeśli ktoś straci w wypadku obie nogi, to jego przyszłe dzieci urodzą się z nogami normalnej długości – a nie bez nich lub z o połowę krótszymi). Czy jednak tak jest zawsze?

Lizanie młodych przez szczury trwale modyfikuje sposób, w jaki córki zachowują się w dorosłym życiu. Liżące matki produkują córki, w których również wzbudzają tego samego typu zachowanie, co pozwala na przekazywanie tej nabytej ­cechy z pokolenia na pokolenie. Za jej transmisję odpowiada jedynie behawior samicy oraz biochemiczna modyfikacja DNA szczura-córki.

Kolejny przykład: czynniki środowiskowe oraz hormony zmieniają sposób dziedziczenia zestawu cech zwanego agouti u myszy (cechy koloru sierści oraz predyspozycje do określonych chorób).

Jeszcze inny przykład: samice ssaków przekazują w mleku potomstwu nabyte w trakcie infekcji określonymi mikrobami cechy odporności na te mikroby – dziedziczenie odbywa się więc drogą całkowicie omijającą materiał genetyczny. Podobnie postępują samice ptaków, które za pomocą niegenetycznych czynników (hormonów, takich jak testosteron, kortykosteron czy tyroksyna) „kodują” informacje o aktualnym stanie środowiska w żółtku składanych przez siebie jaj. Odpowiednio wzbogacone żółtko istotnie pomaga potomstwu w życiowym starcie.

Wszystkie te przykłady dotyczą sytuacji wyłamujących się z klasycznego dziedziczenia cech. W wielu z nich bierze udział nie tyle informacja genetyczna, co epigenetyczna. Różnica w nazwie jest niewielka – ale mechanizm działania całkowicie inny. Informacja genetyczna – to, co potocznie określamy jako „geny” na kolor oczu, inteligencję itd. – to informacja o tych właśnie cechach zakodowana w „literach” składających się na nasze DNA. Informacja epigenetyczna to niejako dodatkowa warstwa modyfikująca odczyt samych genów. Bardzo często ma ona formę modyfikacji samego DNA – mogą to być np. przyłączane do niego w różnych miejscach określone grupy chemiczne (np. metylowe w przypadku opisanych cech lizania młodych czy cech agouti). Niezwykłą cechą informacji epigenetycznej jest to, że z jednej strony realnie wpływa ona na sposób dziedziczenia cech, a z drugiej – może być nabywana w czasie życia osobnika pod wpływem określonych bodźców lub substancji. Może więc stanowić nabytą przez osobnika informację, dziedziczoną następnie przez kolejne pokolenie – coś, czego same geny robić nie potrafią.

Społeczne przekazywanie wzorców określonych zachowań (np. „dziedziczenie” tendencji do wykorzystywania kamiennych bądź drewnianych narzędzi u małp) to również przykłady dziedziczenia niegenetycznego, potencjalnie mogącego mieć ogromny wpływ na kierunek ewolucji biologicznej. Weźmy np. powszechną w populacji europejskiej człowieka zdolność do trawienia cukru mlecznego – laktozy – przez dorosłych. Ewolucyjne ­pojawienie się tej zdolności nie byłoby możliwe bez wynalezienia i rozpowszechnienia się hodowli bydła. Ten użyteczny wynalazek spowodował powstanie presji selekcyjnej prowadzącej do faworyzowania osobników potrafiących trafić laktozę, co z kolei wzmocniło kulturowe tendencje do wykorzystywania bydła domowego i wzmocniło jego związek z człowiekiem.

Eva Jablonka, jedna z najzagorzalszych zwolenniczek rozszerzenia Nowoczesnej Syntezy, uważa niegenetyczne mechanizmy dziedziczenia za naturalne dopełnienie dziedziczenia genetycznego. Z jednej strony w wielu sytuacjach to one, a nie ewolucja genetyczna, odpowiadają za szybką adaptację populacji do nowych warunków. Z drugiej strony – całkowicie wymykają się one obowiązującemu opisowi, jakiego dostarcza genetyka ewolucyjna.

Sabotażysta drugi: rozwój

O ile niegenetyczne mechanizmy dziedziczenia można by uznać za egzotyczną wyspę na spokojnym morzu genetyki – tego, co z klasycznym darwinizmem robi tzw. evo-devo, ignorować nie można. Evo-devo to dziedzina biologii ewolucyjnej, mocno autonomiczna, która stanowi połączenie biologii ewolucyjnej i biologii rozwoju (development), czyli zbioru procesów prowadzących od zarodka do dorosłego osobnika. Badacze evo-devo twierdzą, że procesy rozwojowe mogą mieć ogromny wpływ na kierunek i tempo ewolucji. Ros­nące i rozwijające się organy czy części ciała to fizyczne obiekty, które pod wieloma względami wyłamują się z tradycyjnego modelu, w którym mamy gen oraz sterowaną przez niego cechę. Na kierunek wzrostu i rozwoju części ciała w równym – a może nawet w większym – stopniu co geny wpływają procesy fizykochemiczne działające w rosnącej masie komórek, ograniczenia mechaniczne wynikające z ich układu, uporządkowania czy sprężystości oraz regulatory wzrostu (hormony, neuroprzekaźniki).

Nowoczesna Synteza postrzega procesy rozwojowe jako konsekwencje zmienności genetycznej. Evo-devo rozszerza to spojrzenie: procesy rozwojowe to jednocześnie wynik ewolucji, ale zarazem również jej przyczyna, proces ukierunkowujący ewolucję i niejako wymuszający jej przebieg wzdłuż pewnych ustalonych ścieżek.

Zupełnie nowego znaczenia nabiera tutaj pojawianie się ewolucyjnych innowacji i nowych struktur: w MS byłyby one skutkiem kumulujących się genetycznych mutacji, zaś według nowej „rewolucji rozwojowej” mogą powstawać jako recykling i przetasowania istniejących procesów rozwojowych, ukierunkowywanych przez zmienne środowisko. Mogłyby w ten sposób ewoluować tak subtelne cechy jak wzory na skrzydłach motyli, a nawet tak doniosłe, jak czworonożność kręgowców.

Niezwykłą cechą tych mechanizmów jest ich znacznie luźniejsza zależność od zmian genetycznych (mutacji), które według Nowoczesnej Syntezy powinny poprzedzać zmiany fenotypowe. W interpretacji evo-devo istniejące mechanizmy i regulatory rozwoju mogą ulec niegenetycznej modyfikacji (poprzez wpływ środowiska czy interakcje fizyczne w tkance wymuszone przez środowisko), skutkując nowym rodzajem fenotypu, który torować będzie drogę zmienności genetycznej, utrwalonej w późniejszych etapach przez darwinowską selekcję.

Np. u owadów geny Distalless regulują rozwój powtarzalnych części ciała (segmentów). W wyniku zaburzeń rozwoju lub presji środowiska mogą one jednak zostać „wplątane” w sterowanie innymi cechami – np. koncentracjami określonych regulatorów wzrostu w skrzydłach owadów. Doprowadziło to u niektórych motyli do powstania na skrzydłach plam przypominających oczy, złożonych z koncentrycznych „segmentów”. Taka zmiana fenotypowa może zwiększać lub zmniejszać dostosowanie (np. poprawiać kamuflaż), co nie jest już bez znaczenia dla „zwyczajnej” darwinowskiej selekcji.

Po rozszerzeniu o evo-devo Nowoczesna Synteza to już nie tylko budowlany plan i jego wykonanie – to fizyczny budynek, z wszystkimi niuansami swojej materialnej struktury, które mogą wpływać na kształt samego pierwotnego planu.

Sabotażysta trzeci: architekci środowiska

Dżdżownica to klasyczny środowiskowy inżynier. Jej działalność zmienia własności gleby, warunki wzrostu roślin – ale przecież nie tylko. Dżdżownicom znacznie lepiej żyje się w tak przetworzonej glebie. Spulchnienie pozwala im lepiej oddychać i absorbować wodę, i dotyczy to nie tylko danej generacji dżdżownic, ale też ich kolejnych pokoleń – w końcu one również będą żyły w tym samym kawałku gleby. A co z termitami, które budują przeżywające dziesiątki lat termitiery – jedne z najbardziej spektakularnych struktur tworzonych przez organizmy żywe?

Jeśli po raz kolejny dostrzegasz tutaj wzorce przekazywania informacji między pokoleniami wymykające się standardom Nowoczesnej Syntezy – masz rację. Modyfikacje środowiska – czyli tzw. konstrukcja niszy ekologicznej – to kolejny brakujący element Nowoczesnej Syntezy, który może stanowić kluczowy czynnik sterujący ewolucją organizmów. Czym byłoby dziś życie, gdyby nie inżynieria środowiska na skalę planetarną, która setki milionów lat temu wypełniła ziemską atmosferę tlenem, gdy bakterie zaczęły wykorzystywać światło słoneczne w procesie fotosyntezy? Zresztą spójrz w lustro, jeśli szukasz najbardziej spektakularnego przykładu gatunku, który z konstrukcji swojej niszy uczynił sztukę (zresztą sam nazwał ją „technologią”). Gdzie bylibyśmy, gdyby nie procesy ewolucyjne oparte na wykorzystaniu pozostawianych przez poprzednie pokolenia struktur i modyfikacji naszego własnego środowiska? Nawet jednak bycie inżynierami naszego środowiska nie miało takiego znaczenia jak wkroczenie w nasz gatunek czwartego sabotażysty klasycznej teorii ewolucji.

Sabotażysta ostatni: wielopoziomowa selekcja

Biolodzy ewolucyjni nieco alergicznie podchodzą do określeń sugerujących różne poziomy selekcji. Kojarzy im się to często z tzw. selekcją grupową, zbiorem modeli postulujących, że selekcja dotyczy nie tyle osobników, co całych populacji. Takie modele są atrakcyjne, ponieważ doskonale radzą sobie z wyjaśnianiem „problematycznych” zachowań, takich jak altruizm, unikanie agresji czy powstawanie innych cech „dobrych dla gatunku”, umożliwiających przetrwanie konkretnych grup osobników. Z wielu powodów, na dyskusję nad którymi nie ma tutaj miejsca, dobór grupowy z reguły jednak nie działa, a wyjaśniane przez niego wzorce możemy wytłumaczyć za pomocą selekcji indywidualnej, czyli tej postulowanej przez Darwina.

Czy jednak ewolucja na wielu poziomach jest aż tak abstrakcyjna? Przyjrzyjmy się nowotworom – są one klasycznym przykładem selekcji działającej na poziomie tkanek i narządów, często napędzanej interesem zupełnie sprzecznym niż interes całego organizmu. Ewolucja na znacznie wyższych poziomach, napędzana przez skomplikowane sieci powiązań socjalnych i prawidłowości kulturowe, prawdopodobnie wymuszała rozwój i zmiany w populacjach ludzi, skazując niektóre z nich na wyginięcie, a inne wspierając. Np. społeczności, których członkowie skuteczniej ze sobą współpracowali, wypierały mniej zintegrowane grupy, rywalizujące o te same zasoby środowiska – sam Karol Darwin w podobny sposób wyjaśniał powstanie moralności. Selekcja wielopoziomowa nie jest więc całkowitą nowością w biologii ewolucyjnej, ale według badaczy proponujących rozszerzenie Nowoczesnej Syntezy przyszedł czas na znacznie większe docenienie jej roli.

Nie znaczy to oczywiście, że selekcja działająca na osobniki staje się mniej ważna – wciąż stanowi ona podstawowy motor ewolucji. Są jednak procesy, które trudno wyjaśnić bez odwoływania się do selekcji działającej na innych niż pojedynczy osobnik poziomach. Np. komórki eukariotyczne (czyli takie, z których zbudowane są ciała nas samych, roślin, zwierząt i grzybów) powstały dzięki zacieśnianej kooperacji między kilkoma rodzajami komórek bakteryjnych. Takie przejście od kooperacji komórek do samodzielnej komórki eukariotycznej mogło angażować selekcję na kilku poziomach. Podobnie powstanie organizmów wielokomórkowych mogło wiązać się z selekcją działającą na pojedyncze komórki oraz na ich zbiory tworzące prekursory tkanek organizmów wielokomórkowych.

Wiele hałasu o nic?

Wszyscy nasi „sabotażyści” mają dwie wspólne cechy: trudno zaprzeczyć ich znaczeniu w ewolucji biologicznej, trudno też nie zauważyć ich mniejszej lub większej sprzeczności z klasycznymi założeniami Nowoczesnej Syntezy. Nic więc dziwnego, że od przynajmniej dwóch dekad stanowią one trzon wciąż kontrowersyjnej, ale jednocześnie rosnącej w siłę rewolucji w naukach biologicznych. Odbywa się ona pod hasłem Rozszerzonej Syntezy Ewolucyjnej (ang. Extended Evolutionary Synthesis – EES) i wzbudza w środowisku biologów tyleż fascynacji, co irytacji. Przywiązani do klasycznej genetyki ewolucyjnej często deprecjonują doniosłość tych „dziwadeł”. Według nich nie jest potrzebny żaden gwałtowny ruch i przebudowanie teorii – patrzymy po prostu na procesy będące częścią obowiązującego modelu i próbujemy zrozumieć, jak w nim się mieszczą.

Jeden z najbardziej zagorzałych krytyków rozszerzenia, Jerry Coyne, zarzuca zwolennikom nowej wizji ewolucji nie tylko, że nie potrafią jeszcze wskazać zbyt wielu konsekwencji postulowanej zmiany paradygmatu, a ich teoretyczne rozważania są mętne, ale nawet że próbują tylnymi drzwiami wpuścić do biologii celowość (jako że w EES osobniki nie tylko podlegają ewolucji, ale w jakimś stopniu mają na nią wpływ) – co zapewne spodobałoby się kreacjonistom.

Trudno jednak nie zauważyć, że mamy również rosnące i coraz bardziej zdeterminowane środowisko badaczy przekonanych, że nadszedł moment na zmianę paradygmatu. Twierdzą oni, że Rozszerzona Synteza zmienia sposób, w jaki patrzmy na całą biologię. Choćby dziedziczenie niegenetyczne: nie ma o nim ani słowa w podręcznikach biologii, na studiach wyższych również przewija się ono jako marginalny czynnik. Widzieliśmy jednak, że może ono poważnie zmieniać kierunek procesów ewolucyjnych – bez trwałego umiejscowienia go w biologicznym „main­streamie” ciągle będzie ono traktowane jako pomijalny niuans.

Konsekwencje innych zmian forsowanych przez EES mogą być nawet donioślejsze. Selekcja wielopoziomowa może zmienić nasz sposób myślenia o osobniku – w istocie może zmienić samą definicję „osobnika” (np. czy nie byłoby łatwiej uznać za rodzaj osobnika wielkie mrowisko, podlegające selekcji działającej na całą kolonię?). A co z selekcją hodowlaną? Skoro rozwój osobniczy może kierować ewolucją w sposób niezależny od zmienności genetycznej – powinniśmy może zmienić sposoby selekcji pożądanych cech hodowanych organizmów, biorąc pod uwagę nie tylko ich genetykę, ale też to, jak rosną? Wreszcie – wzięcie pod uwagę selekcji wielopoziomowej może doprowadzić do zmiany naszych poglądów na czas zajścia wielkich ewolucyjnych przejść w historii życia (np. powstania wielokomórkowości czy ewolucji płci). Nie mówimy tu więc o kosmetycznych zmianach i kilku ważnych publikacjach: mówimy o całkowitej modyfikacji naszego sposobu patrzenia na życie, jego plastyczność, na definicje tak podstawowych pojęć jak osobnik, dziedziczenie czy gatunek.

Starć między przeciwnikami i zwolennikami EES będzie zapewne więcej, a Rozszerzona Synteza stanie się jednym z najgorętszych tematów naukowych w nadchodzących latach. ©

Autor jest doktorem biologii, ewolucjonistą i grafikiem. Zajmuje się ewolucją seksu, komunikacji opartej na kolorach i zachowań socjalnych. Pracuje na UJ i Uniwersytecie w Uppsali. Zwycięzca polskiej edycji konkursu FameLab oraz członek stowarzyszenia Rzecznicy Nauki.


Nie tylko kreacjoniści, forsujący pomysły niezgodne ze stanem współczesnej wiedzy, podważają teorię ewolucji. Robią to również – nieustannie! – sami biolodzy.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru Nr 30/2017