Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Ewolucja biologicznej złożoności

W każdym procesie ewolucyjnym tym, co ewoluuje,  to jest złożoność. Złożoność chemiczna ewoluowała aż część jej stała się nieodróżnialna od złożoności biologicznej. Ewolucję złożoności biologicznej determinują dwa główne czynniki: dobór naturalny (który zyskał sławę dzięki Charlesowi Darwinowi) i samoorganizacja. W tym artykule skupiam się na aspekcie doboru naturalnego ewolucji biologicznej.

13.1 Ewolucja darwinowska

Największego pojedynczego wkładu w przedmiot złożoności dokonał (być może bezwiednie) Charles Darwin. Rok 2009 był 200-leciem urodzin Darwina, a także 150-leciem publikacji jego słynnej książki O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego.

Żywe organizmy są układami otwartymi tj. nieustannie wymieniają materię i energię ze środowiskiem. Istnieje dynamiczna równowaga między żywym organizmem a jego otoczeniem. Organizm nie może przeżyć, jeśli ta równowaga zostaje zanadto lub na zbyt długo zakłócona. Fakt, że organizm przeżywa, implikuje, że w swojej obecnej postaci był w stanie zaadaptować się do środowiska. Jeśli środowisko zmienia się wystarczająco powoli, żywe organizmy mogą wyewoluować (przez wystarczająco długi okres czasu) nowy zestaw zdolności lub cech, które umożliwiają im przeżycie także w zmienionych warunkach. Po długich okresach takiej zmiany ewolucyjnej stworzenia mogą także rozwinąć się w nowe gatunki. Takie było przesłanie odważnej teorii ewolucji drogą kumulującego się doboru naturalnego Charlesa Darwina (1859). Wykazał on, że przystosowanie do środowiska było koniecznym wynikiem procesów wymiany między organizmem a jego otoczeniem. Wnioskiem tej teorii było to, że wszystkie żywe organizmy pochodzą od jednej lub kilku prostych przodków.

Darwin rozpoczął od obserwacji, że przy wystarczającej ilości czasu, pokarmu, przestrzeni i bezpieczeństwa przed drapieżnikami, chorobami etc. rozmiar populacji każdego gatunku wzrasta w każdym pokoleniu. W rzeczywistości jednak ten nieskończony (wykładniczy) wzrost nie zachodzi, tj. tak zwany „potencjał biotyczny" gatunku nigdy w rzeczywistości nie jest realizowany. Na ogół zaledwie bardzo mały ułamek potencjału biotycznego zostaje zrealizowany, co znaczy, że tylko niewielka mniejszość potomstwa osiąga dojrzałość, by stworzyć następne pokolenie; reszta umiera przedwcześnie.

Tak więc muszą tu działać czynniki ograniczające. Pod wpływem idei maltuzjańskich Darwin wyobrażał sobie, że jeśli, na przykład, ograniczona jest ilość dostępnego pokarmu, tylko ułamek populacji może przeżyć i rozmnożyć się. [Oczywiście wiadomo teraz, że ograniczone zasoby rzadko są głównym czynnikiem wpływającym na kierunek ewolucji.] Co decyduje o tym, kto przeżyje, a kto nie?

Odpowiedź Darwina brzmiała, że ponieważ nie wszystkie osobniki gatunku są dokładnie takie same (tj. w populacji istnieje zmienność), te, które są lepiej dostosowane do panujących warunków, mają większą szansę przeżycia (przetrwanie najlepiej przystosowanych). Najlepiej przystosowane osobniki nie tylko mają lepszą szansę przeżycia, ale także rozmnożenia. Tak więc cechy sprzyjające przeżyciu zostają „dobrane naturalnie" kosztem cech mniej sprzyjających. A skutki tego doboru naturalnego kumulują się z czasem. Jest to proces kumulatywnego doboru naturalnego odkrytego przez Darwina.

Obserwuje się także, że dzieci w znacznej mierze przypominają swoich rodziców. W każdym pokoleniu potomstwo lepiej przystosowanych osobników, które przeżyje i pozostawi więcej potomstwa niż inni, nabywa coraz więcej cech nadających się do dobrego przystosowania do zmieniającego się środowiska. Gatunek dokonali się lub dopasowuje się do środowiska, w którym musi przeżyć, poprzez procesy kumulatywnego doboru naturalnego i dziedziczenia.

Tak więc są cztery podstawowe cechy ewolucji darwinowskiej:

1. Zmienność i różnorodność członków populacji pod względem radzenia sobie ze środowiskiem.
2. Dziedziczenie tego zróżnicowania przez kolejne pokolenie z losowymi modyfikacjami.
3. Zróżnicowane przeżycie i sukces rozrodczy poszczególnych członków nowego pokolenia w danym środowisku.
4. Ustalenie się nowej populacji, lepiej dostosowanej do środowiska, posiadającej nowe zróżnicowania do przekazania następnemu pokoleniu.

13.2 Neodarwinizm

Głównym postulatem Darwina było, że gatunek ewoluuje, ponieważ dobór naturalny działa na małe dziedziczne różnice u członków gatunku. Jego oponenci twierdzili jednak, że ponieważ gatunek charakteryzuje się także krzyżowaniem się jego członków, takie małe różnice powinny zostać uśrednione. Darwin nie miał na to odpowiedzi, ponieważ w owym czasie nie znano mechanizmu dziedziczenia. W rzeczywistości odpowiedzi dostarczyły w 1865 r. (tj. za życia Darwina, ale najwyraźniej jej nie znał) prace Gregora Mendla, założyciela dziedziny genetyki. Wiemy teraz, że genotyp organizmu jest jego genetyczną receptą. Informacja genetyczna jest obecna w każdej komórce ciała organizmu. Fenotyp, z drugiej strony, jest końcowym produktem (organizmem), który pojawia się dzięki wykonywaniu instrukcji zawartych w genotypie. Fenotyp podlega walce o przetrwanie, ale to genotyp przenosi akumulowane korzyści ewolucyjne do następnych pokoleń. Fenotypy konkurują i najlepiej przystosowane między nimi mają największą szansę wymienienia się genami.

Prawa Mendla zostały odkryte na nowo niezależnie przez całkiem sporą liczbę badaczy. Jednym z nich był holenderski botanik Hugo de Vries, który nie tylko odkrył na nowo prawa Mendla o dziedziczeniu dominujących i recesywnych cech, ale odkrył także mutacje genetyczne. Były to nagłe (niewyjaśnione) zamiany formy, które potomstwo mogło dziedziczyć.

Obecnym, postdarwinowskim obrazem jest, że cechy odziedziczone przez potomstwo są spowodowane przez geny. W organizmach rozmnażających się płciowo każde z rodziców dostarcza jednego pełnego zestawu genów potomkowi. Geny są odcinkami DNA i ich specyficzność rządzona jest przez sekwencję uporządkowania ich czterech zasad (adeniny (A), tyminy (T), guaniny (G), cytozyny (C)). Struktura podwójnej helisy DNA wraz z restrykcjami parowania zasad do A-T i G-C dostarcza mechanizmu do dokładnej replikacji cząsteczek DNA. Sekwencja DNA w genie determinuje sekwencję aminokwasów w specyficznych białkach tworzonych przez żywe organizmy.

Geny programują embriony do rozwoju w dorosłe organizmy z pewnymi cechami i te cechy nie są zupełnie identyczne wśród osobników w populacji. Geny osobników o cechach, które umożliwiają im pomyślne rozmnożenie się, przeżywają na ogół w puli genów kosztem genów, którym się to na ogół nie udaje. Ta cecha doboru naturalnego na szczeblu genów ma konsekwencje, które stają się widoczne na szczeblu fenotypu. Kumulatywny dobór naturalny nie jest procesem przypadkowym.

Skoro podobne rodzi podobne (dzięki dziedziczeniu cech), to jaki mechanizm powoduje powstawanie małych różnic w puli genowej kolejnych pokoleń, powodujących, że gatunek ewoluuje w kierunku nowości ewolucyjnej? Poza crossover (gdzie to jest stosowane) takim mechanizmem są mutacje. Mutacje, spowodowane promieniowaniem, związkami chemicznymi w środowisku lub jakimkolwiek innym czynnikiem powodującym błędy replikacji, zmieniają sekwencje zasad w cząsteczkach DNA składających się na geny.

W organizmach, które przyjęły rozmnażanie płciowe jako sposób prokreacji, pojawianie się różnic u potomstwa jest częstsze, ponieważ materiał genetyczny pochodzi z dwóch źródeł zamiast z jednego (mianowicie od dwojga rodziców). Geny rodziców zostają przetasowane w każdym nowym pokoleniu. To podnosi plastyczność ewolucyjną gatunku. Nie wszystkie jednak różnice między jednostkami w populacji są spowodowane zestawem genów. Rolę odgrywają także takie czynniki jak odżywianie. Dające się obserwować cechy organizmu, tj. jego fenotyp jest zdeterminowany zarówno przez potencjał genów, jak przez środowisko.

Skoro wszystkie żywe istoty mają tego samego lub tylko kilku przodków, to jak powstały różne gatunki? Darwinowska odpowiedź leży w izolacji i odgałęzianiu wspomaganych przez ewolucję. Również migracje populacji odgrywają rolę w ewolucyjnym rozwoju gatunków. Jeśli istnieją bariery przeszkadzające krzyżowaniu się, geograficzne lub inne, jedna populacja może się odgałęzić i wyewoluować w odrębny gatunek po wystarczająco długim upływie czasu. Każde takie rozgałęzienie jest specjacją: populacja przypadkowo dzieli się na dwie populacje i ewoluują niezależnie. Kiedy odrębne ewolucje osiągnęły stadium, na którym nie jest możliwe krzyżowanie się, mimo że nie ma już dłużej żadnej bariery geograficznej lub innej, mówi się, że powstał nowy gatunek.

Określenie neodarwinizm zasadniczo oznacza modyfikację oryginalnych idei Darwina w świetle późniejszej wiedzy o mechanizmach przekazywania informacji genetycznej z jednego pokolenia do następnego. Margulis i Sagan (2003), którzy nie zgadzają się z tym neodarwinowskim poglądem na powstawanie gatunków, streścili neodarwinizm jak następuje (w swojej książce Acquiring Genomes: A Theory of the Origins of Species): „Wszystkie organizmy wywodzą się od wspólnych przodków przez dobór naturalny. Losowe mutacje (dziedziczne zmiany) pojawiają się w genach, w DNA organizmów, i najlepsze 'mutanty' (osobniki noszące mutacje) współzawodnicząc z innymi zostają naturalnie dobrane do przeżycia i trwania. Niedostosowane potomstwo wymiera — to określenie pochodzi od "dostosowania", technicznego terminu odnoszącego się do relatywnej liczby potomstwa pozostawionego przez jednostkę. Najlepiej dostosowani, z definicji, mają największą liczbę potomstwa. Odmiany zmutowane zostawiają więc więcej potomstwa i populacja ewoluuje, tj. zmienia się z upływem czasu. Kiedy liczba zmian u potomków kumuluje się do znacznych proporcji w geograficznie izolowanych populacjach, stopniowo wyłania się nowy gatunek. Kiedy kumuluje się wystarczająca liczba zmian w populacjach potomków, stopniowo wyłaniają się wyższe (rozszerzone) taksony. W geologicznych okresach czasu pojawiają się nowe gatunki i wyższe taksony (rodzaje, rodziny, rzędy, klasy, typy itd.), które dają się łatwo odróżnić od swoich przodków".

13.3 Lamarkizm

Genetyka jeszcze nie istniała, kiedy Darwin opublikował swoją teorię ewolucji biologicznej. Naturalnie Lamarck, którego prace o ewolucji biologicznej poprzedziły pracę Darwina, także był nieświadomy zasadniczej roli mechanizmów genetycznych w ewolucji gatunków. Obecnie mamy znajome pojęcia genotypu i fenotypu. Termin genotyp odnosi się do genetycznego składu organizmu. Jest to genetyczna recepta zakodowana w odcinkach nici DNA. Fenotyp, z drugiej strony, oznacza cechy wykazywane przez organizm; jest budowlą stworzoną przez organizm według instrukcji genotypu. Fenotyp jest samym organizmem. Genotypy odpowiadają „przestrzeni przeszukiwań", a fenotypy „przestrzeni rozwiązań".

Wyślij tekst mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word

Vinod K. Wadhawan Induski emerytowany fizyk atomowy, współwydawca portalu PHASE TRANSITIONS, publicysta, autor wielu książek.  Strona www autora  Liczba tekstów na portalu: 16  Pokaż inne teksty autora  Najnowszy tekst autora: Złożoność wyjaśniona. Część 15