Ewolucja może być przewidywalna

Wydawać by się mogło, że bazujące na przypadkowych zjawiskach procesy ewolucji są w stanie odnosić się jedynie ku przeszłości. Najnowsze badania umożliwiają jednak opracowanie innowacyjnych modeli matematycznych, które pozwalają przewidzieć kierunek ewolucyjnych zmian w organizmach. Rzuca to całkowicie nowe światło na nauki ewolucyjne, pozwalając w ten sposób spojrzeć człowiekowi w biologiczną przyszłość świata.

Człowiek ze wszystkimi swoimi szlachetnymi przymiotami, ze współczuciem, jakie odczuwa wobec najbardziej poniżonych, z życzliwością, jaką ogarnia nie tylko innych ludzi, ale też najniższe żyjące istoty, z całym swoim intelektem, który czyni go podobnym bogom i którym zdołał przeniknąć zasady ruchu i budowę Układu Słonecznego – będąc obdarzony całą tą wielką władzą – wciąż nosi w swojej cielesności niewymazywalne piętno swojego niskiego pochodzenia.” – tak Darwin komentował swoją dość kontrowersyjną jak na ówczesne czasy teorię ewolucji. Choć od publikacji “O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego” minęło przeszło 150 lat i przez ten długi, jak i burzliwy w dziejach nauki okres, dokonano wielu poważnych odkryć, prawdopodobnie żadne z nich nie wywołało takich kontrowersji jak myśl tego angielskiego przyrodnika. Okazuje się jednak, że to nie pierwszy tego typu precedens w świecie nauki. Darwin był swego rodzaju biologicznym Kopernikiem. O ile polski astronom umieścił ludzi we właściwym miejscu Wszechświata, o tyle Darwin pokusił się o coś dużo bardziej szalonego – postawił odpowiedź na pytanie kim tak naprawdę jesteśmy. Człowiek to swego rodzaju intelektualna małpa robiąca wokół siebie dużo więcej hałasu niż powinna. Tak przynajmniej w oczach wielu naukowców wyglądają przedstawiciele Homo sapiens. Bazując na obserwacjach świata Darwin zdołał zauważyć sposób, w jaki zmieniały się – ewoluowały poszczególne gatunki. Dostrzegł w tym pewną logikę i zdał sobie sprawę, w jaki sposób środowisko oddziałuje na żyjące w nim organizmy. W taki sposób powstała teoria ewolucji, która uzupełniona o dokonania przeszłych stuleci dzisiaj pozwala zrobić krok na przód – zobaczyć przyszłość. Do tego jednak konieczne jest zrozumienie mechanizmów napędzających toczące się koło, którym jest ewolucja.

W czasach Darwina nieznana była istota procesu dziedziczenia cech. Wprowadzenie do nauki zasad dziedziczenia sformułowanych przez czeskiego zakonnika Grzegorza Mendla, odkrycie zjawiska mutacji – spontanicznych zmian w DNA – przez Hugo de Vriesa oraz rozwój badań zmiennością rekombinacyjną (przetasowywanie genów niczym kart w talii w prekursorowych komórkach rozrodczych – gametach) przyczyniły się do wyjaśnienia mechanizmu zmienności. Współczesna, syntetyczna teoria ewolucji wyjaśnia w kategoriach mutacji i rekombinacji obserwowaną przez Darwina zmienność wśród gatunków. Kluczową rolę w tym procesie ma rearanżacja genów, która zachodzić może na dwa sposoby – drogą rekombinacji bądź mutacji. W ten sposób powstaje nowy zestaw genów, który ma określoną wartość przystosowawczą do życia w konkretnym środowisku. Mechanizmy te można porównać do cukiernika eksperymentującego w kuchni: jeżeli zaobserwuje on, że ciasto upieczone według nowego przepisu smakuje jego klientom, wówczas taki wypiek utrzyma się w ofercie jego cukierni. Jeżeli jednak okaże się, że ciasto nie smakuje ludziom, wówczas cukiernik porzuci taki przepis. Wedle tego modelu to człowiek jest czynnikiem decydującym o tym, jakie ciasta będzie sprzedawał nasz hipotetyczny cukiernik. W świetle ewolucji zjawisko to nazywane jest doborem naturalnym, które poprzez eliminację osobników (niedobre ciasta) zmienia częstość występowania genów w populacjach (cukierniach). Geny warunkujące wytworzenie cech korzystniejszych w danym środowisku (smaczne ciasta) zwiększają swoją frekwencję. Zróżnicowane działanie doboru naturalnego z czasem prowadzi do powstania różnic między różnymi populacjami. W ten sposób w środowisku powstają cukiernie zróżnicowane pod względem oferty cieszące się różną aprobatą ze strony klientów. Wiadomo jednak, że kulinarne propozycje prawdziwych cukierni są często bardzo podobne do siebie na skutek wymiany informacji między ludźmi. Okazuje się, że z punktu widzenia ewolucji ta wymiana informacji – genów ma kluczową rolę w powstawaniu nowych gatunków. Brak przepływu genów pomiędzy populacjami na skutek wystąpienia barier, np. geograficznych, prowadzi do pogłębienia różnic między populacjami i wytworzenia odrębnych gatunków.

Ewolucja zależy więc od doboru naturalnego działającego na zasadzie zmienności generowanej przez mutacje i rekombinacje. Dobór naturalny nadaje kierunek przypadkowej zmienności mutacyjnej i rekombinacyjnej. Naturalna presja środowiska – współzawodnictwo o zasoby środowiska – powoduje selekcję osobników. Efektem działania doboru naturalnego jest dostosowanie, czyli zdolność organizmu wynikająca z genotypu do skutecznego współzawodnictwa i przekazywania materiału genetycznego następnym pokoleniom. Jednym z najważniejszych opisanych przypadków działania doboru naturalnego był mechanizm przemysłowy. Wraz z rozwojem przemysłu zmutowane, ciemno zabarwione osobniki ćmy zwanej krępakiem brzozowym (Bistion betualria) zaczęły wypierać jasno ubarwione motyle, które za dnia przebywały na korze drzew porośniętych jasnymi porostami. Wzrost zanieczyszczenia powodując zagładę porostów sprawił, że owady o jasnym ubarwieniu będąc doskonale widoczne na ściemniałej korze drzew, były zjadane przez ptaki owadożerne. Obecnie w rejonach przemysłowych przeważa faworyzowana przez dobór odmiana ciemna, natomiast na terenach rolniczych przewagę ma forma jasna. Analogiczną sytuację zaobserwowano w medycynie w związku ze stosowaniem antybiotyków. Ich zbyt częste używanie spowodowało bardzo szybkie rozprzestrzenienie w populacjach bakterii genów oporności na te związki. W efekcie niektóre szczepy bakterii nie poddają się działaniu większości antybiotyków.

Zdając sobie sprawę z tego, w jaki sposób środowisko oddziałując na organizmy wyposaża je w nowe mechanizmy dostosowawcze, naukowcy na całym świecie starają się wykorzystać tę wiedzę by móc określić kierunek zmian w populacjach. O ile mechanizmy mutacji i rekombinacji są całkowicie losowe i niezależne od siebie, o tyle sposób, w jaki dobór naturalny preferuje określone cechy wydaje się możliwy do przewidzenia. Nowe badania Florida State University pozwalają badaczom zrozumieć, w jaki sposób organizmy ewoluują w odpowiedzi na gwałtowne zmiany środowiska.

Profesor Kimberly Hughes z FSU oraz zespół naukowców sprawdzili, w jaki sposób małe ryby tropikalne będą ewoluować, jeśli zostaną przeszczepione do strumieni pozbawionych drapieżników. Badacze odkryli, że aż 135 genów rozwijało się w odpowiedzi na nowe środowiska. Większość zmian w ekspresji genów miało charakter wewnętrzny i dotyczyło metabolizmu, funkcji układu immunologicznego i rozwoju. Jednak jak się okazało, natychmiastowa reakcja poziomu ekspresji genów  na zmianę w środowisku nie odzwierciedla potencjalnych zmian ewolucyjnych. Geny mogą zmienić poziom aktywności w bezpośredniej reakcji na środowisko – co biolodzy ewolucyjni nazywają plastycznością – lub w ewolucyjnej odpowiedzi, która ma miejsce od wielu pokoleń. Hughes i jej współpracownicy zauważyli, że geny, których aktywność została zmodyfikowana w odpowiedzi na drastyczne zmiany w środowisku, po kilku pokoleniach zmieniała się w przeciwnym kierunku. Te zaskakujące wyniki skłaniają ku pytaniu, w jaki sposób inne gatunki przystosowują się do nagłych zmian środowiska. Czy, patrząc dalekobieżnie, stosowanie chemio- i radioterapii w walce z nowotworami wpłynie na nie w jakiś konkretny sposób? Czy w obliczu ocieplającego się klimatu organizmy będą w stanie zaadaptować się do nowych warunków?

“Wiemy, że organizmy w bardzo szybkim tempie reagują na zmiany w swoim środowisku” – powiedziała Hughes. “Mogą się zaaklimatyzować. Obejmuje to organizmy, które są patogenami dla ludzi, a także rzeczy takie jak nowotwory, które dostosowują się do chemioterapii.  Możemy zmierzyć plastyczność odpowiednich genów w taki sam sposób, jak w przypadku wspomnianych tropikalnych ryb. Dzięki temu być może będziemy w stanie przewidzieć, w jaki sposób patogen bądź nowotwór reaguje na leczenie w dłuższych okresach czasu. Może to zapobiec rozwojowi zjawiska lekooporności u wirusów, bakterii i nowotworów.”

Zdobycze inżynierii molekularnej pozwoliły innej grupie naukowców zbadać, w jaki sposób gatunki są w stanie nabrać oporności na toksyczne substancje wytwarzane przez inne organizmy. Przykładami takich związków są glikozydy nasercowe, które można znaleźć zarówno u przedstawicieli roślin i zwierząt. Powodują one śmierć wskutek upośledzenia pracy transbłonowego białka – pompy jonowej sodowo – potasowej, która odpowiedzialna jest za podtrzymywanie potencjału błonowego warunkując w ten sposób pobudliwość komórki.  Rośliny wykorzystują je jako obronę przed roślinożercami, u zwierząt pozwalają na ochronę przed drapieżnikami. Istnieją jednak takie organizmy, które wykazują oporność na tego rodzaju trucizny. Badania wykazały, że niezależnie od miejsca na globie zmiany adaptacyjne u niespokrewnionych gatunków wyglądają bardzo podobnie bądź są wręcz identyczne. Próba odwzorowania tych zmian w rozwoju filogenetycznym poszczególnych gatunków uwydatniła, że w różnych miejscach “drzewa życia” doszło kilkakrotnie do wytworzenia oporności na glikozydy nasercowe. Obserwacja podobnych zmian u przedstawicieli różnych linii ewolucyjnych jest przekonującym dowodem tzw. adaptacyjnej konwergencji (zbieżnej ewolucji) molekularnej, wskutek czego doszło do upodobnienia się niespokrewnionych gatunków pod względem molekularnym. Analiza wspomnianego białka u osobników, które w naturalny sposób syntezują toksyczne glikozydy uwydatniły obecność takich samych zmian w składzie aminokwasowym peptydu jak u gatunków wykazujących oporność na toksyny. Badania te dostarczyły wglądu w przebieg tych zmian na przestrzeni dziejów oraz pozwoliły opracować dokładny model przebiegu tych modyfikacji. Obserwacje organizmów, u których w warunkach laboratoryjnych zaindukowano proces wytworzenia molekularnej oporności na toksyczne glikozydy uwydatniły, że przemiany postępowały według opracowanego wcześniej schematu. Okazuje się jednak, że ewolucja obserwowana na poziomie molekularnym jest bardzo przewidywalnym zjawiskiem, którego przebieg da się wykalkulować.

Pomimo faktu, że procesy ewolucji wydają się dość stochastyczne, istnieje grupa takich zjawisk, których przebieg jesteśmy w znacznym stopniu przewidzieć. Choć nie potrafimy powiedzieć, czy za milion lat wyrośnie nam dodatkowa para rąk, to mimo wszystko najnowsze zdobycze biologii ewolucyjnej dają nadzieję na bardziej efektywną walkę z nowotworami i patogenami. Znajomość mechanizmów rządzących tym niezwykle interesującym procesem stanowi nie tylko nadzieję dla medycyny, pozwala także spojrzeć globalnie na procesy rządzące całym biologicznym światem. “Ewolucja jest ślepa niczym bogini sprawiedliwości. Bardziej ceni sobie okoliczności przetrwania i ekspansji genów oraz szczęśliwy traf mutacji niż osiągnięcia jednostki. Ludzkość przeciwstawiła się tym jej preferencjom, ludzie nabrali świadomości siebie i teraz nie mamy już wyboru. Tylko od jednostki zależy jej klasa i przed nikim nie da się usprawiedliwić omyłki zaniechania bycia tym, kim można być.” “Jeśli tylko posiądziemy dostateczną wiedzę, sami będziemy kierować procesem ewolucji. (…) Nie będziemy już biernymi obserwatorami ograniczanymi prawami darwinizmu i dostaniemy szansę na rzeczywisty udział w ewolucji. W porównaniu z tym nasze przygody z rozszczepianiem atomu będą wyglądały jak dziecinna igraszka.” Czy w takim układzie darwinizm doprowadzi nas ku kreacjonizmowi?

Źródło: PNAS / Nature / Florida State University