Bland amfibier är Hydromantes salamander mästaren i tunghastighet. På mindre än fem millisekunder kan hon fånga ett olyckligt insekt under flykt - den här gången inkluderar arbetet med muskler, brosk och delar av skelettet. Om du jämför denna ballistiska anatomi med grodor och kameleoner, är de senare sloops. David Wake, en evolutionär biolog vid University of California, Berkeley, säger:”Jag har tillbringat ungefär 50 år på att studera utvecklingen av salamanderspråk. Detta är verkligen intressant, eftersom de i allmänhet inte skiljer sig i hög hastighet, men ändå kan de göra den snabbaste rörelsen av de som är tillgängliga för ryggradsdjur som är kända för mig. Under hela deras utveckling har evolutionen hittat ett mer effektivt sätt att säkerställa framgångsrik jakt med språk. Deras till synes unika anpassning verkar varaoberoende utvecklas i tre icke-relaterade salamanderarter. Detta är ett exempel på konvergent evolution när olika individer oberoende utvecklar liknande biologiska anpassningar under påverkan av samma miljöfaktorer. Salamanders är ett favoritexempel som Wake citerar när han ställdes den långvariga frågan om evolutionär biologi: Om du spolar tillbaka tejpen om evolution, kommer den att upprepa sig själv? Uppenbarligen är detta vad som hände i fallet med salamandrarna; med andra organismer kanske detta inte har hänt.om du spolar tillbaka bandets evolution, kommer det att upprepa sig själv? Uppenbarligen är detta vad som hände i fallet med salamandrarna; med andra organismer kanske detta inte har hänt.om du spolar tillbaka bandets evolution, kommer det att upprepa sig själv? Uppenbarligen är detta vad som hände i fallet med salamandrarna; med andra organismer kanske detta inte har hänt.
Denna fråga är känd för att ställas för första gången av den nyligen avliden evolutionsbiologen Stephen Jay Gould 1989 i sin bok Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, som publicerades i en tid då människor fortfarande lyssnade på musik på kassettband. Boken berättade om de fossiler som hittades i Burgessskiffer, kvar från ett mylder av konstiga djur som levde på vår planet för cirka 520 miljoner år sedan, under den kambria perioden. Nästan alla djur som finns idag har förfäder som bodde i Kambrium, men inte alla djur från den eran har ättlingar i vår era. Många kambriska individer utrotade sig för att de inte var tillräckligt lämpade för kampen för överlevnad, eller för att de var på fel plats vid fel tidpunkt då vulkaner bröt ut, meteoriter föll eller andra förödande händelser inträffade.
Gould såg den otroliga mångfalden av djurrester i Burgess och spekulerade i att vår flora och fauna skulle se annorlunda ut om historien hade vänt åt andra hållet. Han föreslog att kaotiska mutationer och utrotningar av arter, som han kallade "historiska olyckor", skulle bygga ovanpå varandra och flytta evolutionen i en eller annan riktning. Enligt Gould är att det finns ett djur, inklusive människor, ett sällsynt fenomen, vars upprepning, i fallet med "spolning och lansering" från den kambria perioden, är osannolik. I sin bok hänvisar Gould ofta till arbetet med Burgess-fossil av paleontologen Simon Conway Morris från University of Cambridge, men forskaren själv håller starkt med om Goulds synvinkel.
Conway Morris tror att naturligt urval över tid tvingar organismer att genomgå en serie anpassningar för att fylla jordens begränsade ekologiska nischer. Detta leder till det faktum att icke-relaterade arter konsekvent konvergerar i kroppsstruktur. "Djur måste bygga sig i enlighet med de fysiska, kemiska och biologiska kraven i denna värld," sade han. Conway är övertygad om att sådana begränsningar gör det nästan oundvikligt att vid "spolning av bandet" -utvecklingen förr eller senare skulle leda till uppkomsten av organismer som liknar dem som finns i vår värld. Om våra apa förfäder inte hade utvecklat en hjärna och sinnet fäst vid den, enligt forskaren, skulle en annan gren som kråkor eller delfiner kunna ockupera den nisch där människan befinner sig nu. Men Gould håller inte med.
Båda forskarna inser att slumpmässighet och konvergens (oberoende utveckling tills liknande tecken - ungefär nytt varför) uppträder i evolutionen. Istället fokuserar diskussionen på hur unika eller repeterbara viktiga anpassningar som det mänskliga sinnet är. Under tiden har andra biologer tagit pusslet och visat hur konvergens och slumpmässighet påverkar varandra. Att förstå krafternas interaktion kan hjälpa oss ta reda på om allt levande är resultatet av 7 miljarder år av slump eller om vi alla - människor och salamandrar - är en del av oundviklighet, som döden eller skatter.
I stället för att försöka återskapa historien med hjälp av fossil, beslutade Richard Lenski, en evolutionär biolog vid University of Michigan, att observera fenomenen konvergens och chans i realtid i den kontrollerade miljön i hans laboratorium. 1988 delade han upp populationen av Escherichia coli-bakterier och placerade dem i 12 separata reservoarer av flytande odlingsmedier, vilket tillät dem att växa oberoende av varandra. I 26 år nu, med några månader, har han eller en av sina studenter fryst en grupp bakterier. Detta frysta kimkit ger Richard möjligheten att "starta om filmen" i E. coli-livscykeln från vilket ögonblick han vill genom att helt enkelt avfrostning av en del. Under hela processen kan han kontrollera,hur bakterier förändras - både vad gäller genetik och vad som bara kan ses under ett mikroskop. Lenski förklarar: "Hela experimentet inrättades för att testa hur repeterbar utveckling är."
I 11 Lenskis reservoarer växte E. coli i storlek, men bakterierna i det tolfte provet delades upp i två oberoende grenar - en med stora celler, den andra med små. Lenski säger:”Vi kallar dem” stora”och” små”. De har samexisterat i 50 tusen generationer redan”. Detta har inte hänt i någon annan befolkning; Därför kan vi dra slutsatsen att en evolutionär slumpmässig händelse inträffade. Och till och med 26 år senare har ingen annan rättegång upprepat uppkomsten av en sådan gren. I denna situation verkar det alltså ha en chans att ha segrat över konvergens.
2003 kom det en annan oavsiktlig episod. Antalet stavar i ett av behållarna har ökat i sådan utsträckning att odlingsmediet, som normalt är transparent, blir grumligt. Först bestämde Lenski att det var en normal kontaminering av miljön, men som det visade sig utvecklade E. coli, som normalt åt bara glukos upplöst i vätska, förmågan att konsumera ett annat element i tankarna: citrat. Efter 15 år och 31 500 generationer kunde bara en av kolonierna behandla detta ämne. Antalet bakterier i det började växa fem gånger snabbare än i andra kolonier.
Kampanjvideo:
Denna "historiska olycka" gav Richard och hans examen Zachary Blount möjligheten att testa sannolikheten för att en sådan händelse skulle hända igen om de "spolar om bandet." Blount vald från lagring 72 prover av frysta pinnar samlade i olika stadier av experimentet från en population som senare kunde införa citrat i dess ämnesomsättning. Han tinade dem och stimulerade deras reproduktion. Snart utvecklade 4 av 72 prover samma förmåga att konsumera citrat. Intressant nog inträffade dessa mutationer endast i populationer frysta efter en 30 500-generationscykel. Genetisk analys visade att inte långt innan detta genomgick flera gener förändringar som bidrog till framväxten av evolutionen med metabolismen av citrat. Med andra ord, förmågan att absorbera citrat berodde på förekomsten av andra mutationer som föregick det. Det skapade en gaffeländra de möjliga vägar som kommande generationer kan ta.
Känt som det långa evolutionsförsöket har detta E. coli-projekt nu korsat 60 000 generationer, vilket ger Richard en solid datauppsättning för att dra slutsatser om samspel mellan chans och konvergens i evolutionen. Subtila förändringar i bakteriens DNA, vilket gör dem större eller mer kapabla att reproducera snabbt, har blivit frekventa händelser i olika reservoarer. Samtidigt bevittnade Lenski "häpnadsväckande" slumpmässiga händelser där något helt annat än de andra ägde rum i en av befolkningarna. Men som i konvergensfenomenet var sådana transformationer inte helt slumpmässiga.
"Inte allt är möjligt", oavsett process, förklarar Wake: "Organismer utvecklas i samband med ärvda egenskaper." Djur kan inte överföra mutationer som är destruktiva eller förhindra reproduktion. När det gäller Hydromantes salamander var dess förfäder tvungna att övervinna en betydande begränsning: för att få sina skjutande tungor var det nödvändigt att offra sina lungor. Detta beror på att en del av denna mekanism utvecklats från muskler som användes av sina föregångare för att pumpa luft in i lungorna. Idag har denna en gång lilla och svaga muskel blivit mycket större och starkare. Det slingrar sig som en fjäder runt det konformade benet på baksidan av munhålan, och när muskeln samverkar, skapar benet spänningar, som skjuter tungan tillsammans med benapparaten från munnen. Således fick förfäderna till Hydromantes inte bara en mutation,som utvecklades till ett "ballistiskt språk". Istället följde denna anpassning en serie förändringar som först tillät varelsen att övervinna sitt lungberoende av syre och flyta till ytan av vattnet. Varje förändring berodde på den föregående.
Kameleonerna bevarade i sin tur lungorna. I stället för att tippa med sin anatomi utvecklade de kollagen, vilket låter tungan skjuta på byten. Vid första anblicken är språken för salamandrar och kameleoner ett exempel på konvergens, men om man tittar noga blir det tydligt att det inte är så. Det tar en kameleont 20 millisekunder att avfyra, vilket är en snigel takt jämfört med de fem millisekunden salamandrar. Varför fick kameleoner så långsamma språk? Svar: De stod inför ett hinder i konvergent evolutionens väg. Kameleons tunga är tillräckligt snabb för att de ska kunna överleva, men de saknar den "ärvda dragstrukturen" för att utveckla den mer dödliga ballistiska anatomin hos salamandrar. Kameleoner har nått en "adaptiv topp", som biologer säger.
I experiment med virus som infekterar bakterier - bakteriofager - upptäckte Harvard-biolog David Liu också adaptiva toppar. Dessa toppar begränsar organismernas förmåga att konvergera i en optimal struktur. De förklarar varför olyckor inte inträffar ofta.
Liu ville veta om identiska grupper av bakteriofager oberoende skulle kunna utveckla samma enzym om samma evolutionära tryck applicerades på dem. Han påskyndade utvecklingen av proteiner i virus med ett system han kallade PACE.
Under experimentet avlägsnades virus som inte lyckades producera ett enzym som Liu behövde. Endast de som hade nått målet återstod. En del av dem visade sig att enzymet var "bättre" än andra. I detta fall krävde de enzymet polymeras, som detekterar en viss DNA-sekvens och förvandlar den till RNA, och vissa polymeraser känner igen sekvensen mer exakt än andra. Liksom kameleonernas relativt långsamma språk har dessa virus utvecklat anpassningar som gör att de kan överleva, men hindrar dem från att få det bästa polymeraset. Vissa virus fastnade på en låg topp, andra klättrade högre.
För att förstå vad biologer menar med adaptiva toppar, föreställ dig ett område vars topografi representerar höga och låga nivåer av reproduktionspotential. I fallet med Lius bakteriofager studerade olika populationer området och fick olika mutationer. Vissa hamnade på små kullar, andra på berg på Everest. Och så de började klättra upp till toppen. Efter att ha klättrat på ett lågt berg kan virus inte flytta till ett annat högre. För att göra detta måste de först gå tillbaka och minska sina chanser att överleva med varje steg. Det är väldigt svårt att göra detta, för man får inte glömma överlevnaden för de fittest. Vilken mutation som kommer att hända före andra - vilken topp kommer att gå till kroppen - detta är en historisk olycka, som konvergent evolution bara kan övervinna med stora svårigheter,om det alls kan.
Tidpunkten för uppkomsten av mutationer är viktig. "Tidiga slumpmässiga händelser som skapar en skillnad i genpoolen kan påverka huruvida en gynnsam mutation i slutändan kan påverka en organisms överlevnad," förklarar Liu. "Dessa olyckor minskar evolutionens repeterbarhet." I detta experiment övergick slumpmässigheten konvergens. Händelserna som inträffade förhindrade återfall.
Ett sätt på vilket livet kan övervinna begränsningarna för adaptiva toppar upptäcktes under studien av digitala organismer av datorbiologer vid Michigan State University Chris Adami och Charles Ofria. De skapade datorprogrammet Avida, där digitala organismer utvecklas under förutsättningar som experimenten gjorde. Avidianer muterar, slumpmässigt förvärvar och förlorar kodlinjer som gör att de kan lösa matematiska problem, vilket ökar deras förmåga att reproducera.
I ett experiment fick Avidianerna uppnå förmågan att lösa det komplexa logiska problemet med "bitvis identitet". Endast fyra av 50 digitala populationer har utvecklat den kod som behövs för att utföra operationen. Alla framgångsrika populationer fick initialt många mutationer (slumpmässiga kodrader) som komplicerar lösningen av matematiska problem och därför reproduktion. Paradoxalt som det låter fann Ophria att tidiga dåliga mutationer spelar en nyckelroll för att förbättra konditionen i senare generationer, möjligen för att de skapar genetisk mångfald som nya slumpmässiga mutationer kan uppstå från.
Bekräftar sällsyntheten i någon av sekvenserna av händelser att de stora utvecklingen i evolutionen troligen inte kommer att hända igen? Experimentellt är detta sant, men Conway Morris säger bestämt nej.”Det är dumt att tro att det inte finns några olyckor alls. Den enda frågan är tid. Han tror att med tillräckligt med tid och genom av mutationer, kommer naturligt urval att leda livet till oundvikliga anpassningar, bäst lämpade för organismernas ekologiska nisch, oavsett vilka chanser som uppstår. Han tror att alla E.coli-bakterierna i Lenskis experiment en dag börjar absorbera citrat och alla Liu-virus kommer att klättra på Mount Everest. Dessutom genomfördes dessa experiment i mycket enkla och kontrollerade miljöer, till skillnad från de komplexa ekosystemen som livet utanför laboratoriet anpassar sig till. Svårt att säga,påverkan av den verkliga världen skulle ha förändrat experimenten.
Hittills är den största bristen i alla försök att besvara frågan om livsfilmen att biologer kan dra slutsatser från endast en biosfär - jorden. Ett möte med en utomjordisk organisme skulle säga mycket. Även om främmande organismer inte har DNA kommer de sannolikt att visa liknande evolutionära mönster. De kommer att behöva lite material för att överlämnas till ättlingar, som leder utvecklingen av organismer och förändras över tid. Som Lenski säger: "Det som är sant för E. coli är sant för mikrober i hela universum."
Därför kan samma interaktion mellan konvergens och chans observeras på andra planeter. Och om utomjordiskt liv upplever evolutionärt tryck från en miljö som liknar den som det jordiska livet upplever, kan framtidens människor hitta utlänningar som har konvergerat utvecklat intelligens som liknar vår. Å andra sidan, om slumpmässiga händelser ackumuleras, vilket leder liv längs unika vägar, som Gould föreslog, kan utomjordiskt liv vara ovanligt konstigt.
Gould trodde att människor är "en extremt osannolik evolutionär händelse." Som bevis påpekade han att människans intelligens under de 2,5 miljarder åren av livet på jorden bara dykte upp en gång. Han ansåg sannolikheten för att en annan art skulle utveckla en intelligens som vår var spöklik liten. Från det faktum att vi kanske är den enda intelligenta arten i universum, kan vi dra slutsatser som går utöver biologin. "Vissa ser denna möjlighet som en anledning till depression," skrev Gould i The Wonderful Life. "Jag har alltid betraktat henne som förfriskande, en källa till både frihet och som en följd av ett moraliskt ansvar."
Zach Zorich
Översättningen genomfördes av projektet Nytt