Blandt amfibier er Hydromantes salamander mesteren i tunge fyrhastighed. På mindre end fem millisekunder kan hun fange et uheldigt insekt under flugt - denne gang inkluderer arbejde med muskler, brusk og dele af skelettet. Hvis du sammenligner denne ballistiske anatomi med frøer og kamæleoner, er sidstnævnte sloops. David Wake, en evolutionær biolog ved University of California, Berkeley, siger:”Jeg har brugt omkring 50 år på at studere udviklingen af salamander-sprog. Dette er virkelig interessant, fordi de generelt ikke adskiller sig i høj hastighed, men alligevel kan de gøre den hurtigste bevægelse af dem, der er tilgængelige for hvirveldyr, der er kendt af mig. Gennem deres udvikling har evolution fundet en mere effektiv måde at sikre succesfuld jagt med sprog. Deres tilsyneladende unikke tilpasning synes at væreuafhængigt udviklet i tre ikke-relaterede salamanderarter. Dette er et eksempel på konvergent evolution, når forskellige individer uafhængigt udvikler lignende biologiske tilpasninger under påvirkning af de samme miljøfaktorer. Salamandere er et yndlingseksempel, som Wake nævner, når det bliver stillet det langvarige spørgsmål om evolutionær biologi: Hvis du spoler evolutionsbåndet tilbage, vil det gentage sig selv? Det er tilsyneladende, hvad der skete i tilfælde af salamandere; med andre organismer er dette måske ikke sket.hvis du spoler evolutionsbåndet tilbage, vil det gentage sig selv? Det er tilsyneladende, hvad der skete i tilfælde af salamandere; med andre organismer er dette måske ikke sket.hvis du spoler evolutionsbåndet tilbage, vil det gentage sig selv? Det er tilsyneladende, hvad der skete i tilfælde af salamandere; med andre organismer er dette måske ikke sket.
Dette spørgsmål vides at være stillet for første gang af den for nylig afdøde evolutionsbiolog Stephen Jay Gould i 1989 i sin bog Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, som blev udgivet i en æra, hvor folk stadig lytter til musik på kassettebånd. Bogen fortalte om fossilerne, der blev fundet i Burgess-skiferen, tilbage fra et utal af mærkelige dyr, der levede på vores planet for ca. 520 millioner år siden, i den Cambrian periode. Næsten alle dyr, der findes i dag, har forfædre, der boede i det cambrium, men ikke alle dyr fra den æra har efterkommere i vores tidsalder. Mange kambriske individer blev udryddet, fordi de ikke var tilstrækkeligt velegnede til kampen for at overleve, eller fordi de var på det forkerte sted på det forkerte tidspunkt, da vulkaner brød ud, meteoritter faldt eller andre ødelæggende begivenheder opstod.
Gould så den utrolige mangfoldighed af dyrrester i Burgess og spekulerede i, at vores flora og fauna ville se anderledes ud, hvis historien var vendt den anden vej. Han foreslog, at kaotiske mutationer og udryddelser af arter, som han kaldte "historiske ulykker," ville bygge oven på hinanden og bevæge evolutionen i den ene eller den anden retning. Ifølge Gould er eksistensen af ethvert dyr, inklusive mennesker, et sjældent fænomen, hvis gentagelse i tilfælde af "spole tilbage og lancering" fra den cambiske periode er usandsynlig. I sin bog henviser Gould ofte til arbejdet med Burgess-fossil af paleontologen Simon Conway Morris fra University of Cambridge, men videnskabsmanden selv er stærkt uenig i Goulds synspunkt.
Conway Morris mener, at over tid tvinger den naturlige selektion organismer til at gennemgå en række tilpasninger for at fylde jordens begrænsede økologiske nicher. Dette fører til det faktum, at ikke-relaterede arter konsekvent konvergerer i kropsstruktur.”Dyr er nødt til at bygge sig selv i overensstemmelse med de fysiske, kemiske og biologiske krav i denne verden,” sagde han. Conway er overbevist om, at sådanne begrænsninger gør det næsten uundgåeligt, at i tilfælde af "tilbagespoling af båndet" vil evolution før eller senere føre til fremkomsten af organismer, der ligner dem, der findes i vores verden. Hvis vores abeforfædre ikke havde udviklet en hjerne og sindet knyttet til den, ifølge forskeren, kunne en anden gren som krager eller delfiner besætte den niche, som mennesket er i nu. Men Gould er uenig.
Begge forskere erkender, at tilfældighed og konvergens (uafhængig udvikling indtil udseendet af lignende tegn - ca. nyt hvorfor) finder sted i evolutionen. I stedet fokuserer diskussionen på, hvor unikke eller gentagne nøgletilpasninger som det menneskelige sind er. I mellemtiden har andre biologer taklet puslespillet og vist, hvordan konvergens og tilfældighed påvirker hinanden. At forstå disse kræfteres interaktion kan hjælpe os med at finde ud af, om alt levende er resultatet af 7 milliarder års sammenfald, eller om vi alle - mennesker og salamandere - er en del af uundgåelighed, som død eller skat.
I stedet for at prøve at genskabe historien ved hjælp af fossiler, besluttede Richard Lenski, en evolutionær biolog ved University of Michigan, at observere fænomenerne konvergens og tilfældighed i realtid i det kontrollerede miljø på hans laboratorium. I 1988 delte han befolkningen i Escherichia coli-bakterier og placerede dem i 12 separate reservoirer med flydende kulturmedier, hvorved han lod dem vokse uafhængigt af hinanden. I 26 år, hver par måneder, har han eller en af sine studerende fryset en batch bakterier. Dette frosne kimkit giver Richard muligheden for at "genstarte filmen" af E. coli-livscyklus fra ethvert øjeblik, han ønsker, ved blot at afrime en portion. Under hele processen kan han tjekke,hvordan bakterier ændrer sig - både med hensyn til genetik og med hensyn til hvad der kun kan ses under et mikroskop. Lenski forklarer: "Hele eksperimentet blev oprettet for at teste, hvordan gentagelig evolution er."
I 11 Lenskis reservoirer voksede E. coli i størrelse, men bakterier i den tolvte prøve delte sig i to uafhængige grene - den ene med store celler, den anden med små. Lenski siger:”Vi kalder dem 'store' og 'små'. De har allerede eksisteret i 50 tusinde generationer”. Dette er ikke sket i nogen anden befolkning; derfor kan vi konkludere, at der opstod en evolutionært tilfældig begivenhed. Og selv 26 år senere har ingen andre forsøg gentaget udseendet af en sådan gren. I denne situation ser det ud til, at der er en chance for at have sejret over konvergens.
I 2003 var der endnu en tilfældig episode. Antallet af stænger i et af reservoirerne er steget i en sådan grad, at kulturmediet, som normalt er gennemsigtigt, bliver uklar. Først besluttede Lenski, at der var en normal kontaminering af miljøet, men som det viste sig, udviklede E. coli, der normalt kun spiste glukose opløst i væske, evnen til at forbruge et andet element indeholdt i reservoirerne: citrat. Efter 15 år og 31.500 generationer var det kun en af kolonierne, der var i stand til at behandle dette stof. Antallet af bakterier i det begyndte at vokse 5 gange hurtigere end i andre kolonier.
Salgsfremmende video:
Denne "historiske ulykke" gav Richard og hans kandidat Zachary Blount muligheden for at teste sandsynligheden for, at en sådan begivenhed skulle ske igen, hvis de "spoler båndet tilbage." Blount valgt fra opbevaring af 72 prøver af frosne pinde indsamlet i forskellige stadier af eksperimentet fra en population, der senere var i stand til at inkorporere citrat i dets metabolisme. Han optøede dem og stimulerede deres reproduktion. Snart udviklede 4 ud af 72 prøver den samme evne til at konsumere citrat. Interessant nok forekom disse mutationer kun i populationer, der var frosset efter en 30.500 generationscyklus. Genetisk analyse viste, at ikke længe før dette gennemgik flere gener ændringer, der bidrog til fremkomsten af evolution med metabolismen af citrat. Med andre ord afhang evnen til at absorbere citrat af forekomsten af andre mutationer, der var forud for det. Det skabte en gaffelændre de mulige stier, som fremtidige generationer kan tage.
Dette E. coli-projekt, der er kendt som det langsigtede evolutionære eksperiment, har nu krydset 60.000 generationer, hvilket giver Richard et solidt datasæt, hvorfra man kan drage konklusioner om samspillet mellem chance og konvergens i evolutionen. Subtile ændringer i bakteriens DNA, hvilket gør dem større eller mere i stand til at reproducere hurtigt, er blevet hyppige begivenheder i forskellige reservoirer. På samme tid var Lenski bevidst om "forbløffende" tilfældige begivenheder, hvor noget helt andet end de andre fandt sted i en af befolkningen. Men som i konvergensfænomenet var sådanne transformationer ikke helt tilfældige.
"Ikke alt er muligt", uanset hvilken proces, forklarer Wake: "Organismer udvikler sig i sammenhæng med arvelige egenskaber." Dyr kan ikke overføre mutationer, der er destruktive eller forhindre reproduktion. For Hydromantes salamander måtte dens forfædre overvinde en betydelig begrænsning: For at få deres skudtunger var det nødvendigt at ofre deres lunger. Dette skyldes, at en del af denne mekanisme er udviklet fra de muskler, der blev brugt af deres forgængere til at pumpe luft ind i lungerne. I dag er denne engang lille og svage muskel blevet meget større og stærkere. Det snor sig som en fjeder omkring den kegleformede knogle bagpå mundhulen, og når musklerne sammentrækkes, skaber knoglen spænding, som skyder tungen sammen med dens knoglemaskine fra munden. Forfædrene til Hydromantes fik således ikke bare en mutation,der udviklede sig til et "ballistisk sprog". I stedet fulgte denne tilpasning en række ændringer, der først gjorde det muligt for væsen at overvinde sin lungeafhængighed af ilt og flyde til vandets overflade. Hver ændring var afhængig af den foregående.
Kameleoner fastholdt på sin side deres lunger. I stedet for at kløe med deres anatomi, udviklede de kollagen, hvilket gjorde det muligt for tungen at skyde på bytte. Ved første øjekast er sprogene til salamandere og kamæleoner et eksempel på konvergens, men hvis man ser nøje på, bliver det klart, at det ikke er tilfældet. Det tager en kamæleon 20 millisekunder at fyre, hvilket er en sneglens tempo sammenlignet med de fem millisekunder salamandere. Hvorfor fik kamæleoner så langsomme sprog? Svar: De stod over for en hindring i vejen for konvergent evolution. Kameleons tunge er hurtig nok til, at de kan overleve, men de mangler den "arvede trækstruktur" til at udvikle den mere dødbringende ballistiske anatomi hos salamandere. Kameleoner har nået et "adaptivt top", som biologer siger.
I eksperimenter med vira, der inficerer bakterier - bakteriofager, opdagede Harvard-biolog David Liu også adaptive toppe. Disse toppe begrænser organismenes evne til at konvergere på en optimal struktur. De forklarer, hvorfor ulykker ikke ofte sker.
Liu ville vide, om identiske grupper af bakteriofager uafhængigt kunne udvikle det samme enzym, hvis det samme evolutionære pres blev anvendt på dem. Han accelererede udviklingen af proteiner i vira ved hjælp af et system, han kaldte PACE.
Under eksperimentet blev vira, der ikke producerede et enzym, som Liu havde brug for, fjernet fra eksperimentet. Kun de, der havde nået målet, var tilbage. Nogle af dem viste enzymet "bedre" end andre. I dette tilfælde krævede de enzymet polymerase, som detekterer en bestemt DNA-sekvens og omdanner den til RNA, og nogle polymeraser genkendte sekvensen mere nøjagtigt end andre. Som det kameleoners relativt langsomme sprog har disse vira udviklet tilpasninger, der giver dem mulighed for at overleve, men forhindrer dem i at få den bedste polymerase. Nogle vira sad fast på et lavt niveau, nogle klatrede højere.
For at forstå, hvad biologer mener med adaptive toppe, forestil dig et område, hvis topografi repræsenterer høje og lave niveauer af reproduktionspotentiale. I tilfælde af Liu's bakteriofager studerede forskellige populationer området og opnåede forskellige mutationer. Nogle endte på små bakker, andre på bjerge på størrelse med Everest. Og så begyndte de at klatre til toppen, som de fik. Efter at have besteget et lavt bjerg, kan vira ikke flytte til en anden, højere. For at gøre dette bliver de først nødt til at gå ned igen og reducere deres chancer for at overleve med hvert trin. Det er meget vanskeligt at gøre dette, fordi man ikke må glemme overlevelsen af de dygtigste. Hvilken mutation der vil ske før andre - hvilken top vil gå til kroppen - dette er en historisk ulykke, som konvergent evolution kun kan overvinde med store vanskeligheder,hvis det overhovedet kan.
Tidspunktet for forekomsten af mutationer betyder noget.”Tidlige tilfældige begivenheder, der skaber en forskel i genpoolen, kan markant påvirke, om en gavnlig mutation i sidste ende kan påvirke en organisms overlevelse,” forklarer Liu. "Disse ulykker reducerer evolutions gentagelse." I dette eksperiment overvandte tilfældighed konvergens. Begivenhederne, der skete, forhindrede gentagelse.
En måde, hvorpå livet kan overvinde begrænsningerne i adaptive toppe, blev opdaget under studiet af digitale organismer af computerbiologer ved Michigan State University, Chris Adami og Charles Ofria. De skabte computerprogrammet Avida, hvor digitale organismer udvikler sig under betingelser, der er indstillet af eksperimentøren. Avidianere muterer, tilfældigt erhverver og mister kodelinjer, der giver dem mulighed for at løse matematiske problemer, hvilket øger deres evne til at gengive sig.
I et eksperiment fik Avidianerne til opgave at opnå evnen til at løse det komplekse logiske problem med "bitvis identitet". Kun 4 ud af 50 digitale populationer har udviklet den nødvendige kode til at udføre handlingen. Alle succesrige populationer modtog oprindeligt mange mutationer (tilfældige kodelinjer), som komplicerer løsningen af matematiske problemer og derfor reproduktion. Paradoksalt nok fandt Ophria, at tidlige dårlige mutationer spiller en nøglerolle i forbedring af senere generationers kondition, muligvis fordi de skaber genetisk mangfoldighed, hvorfra nye tilfældige mutationer kan opstå.
Bekræfter sjældenheden i nogen af sekvenserne af begivenheder, at de store udviklinger i udviklingen sandsynligvis ikke vil ske igen? Eksperimentelt er dette sandt, men Conway Morris siger bestemt nej.”Det er tåbeligt at tro, at der overhovedet ikke er nogen ulykker. Det eneste spørgsmål er tid. Han mener, at med tilstrækkelig tid og genomer til mutation, vil naturlig selektion føre til liv til uundgåelige tilpasninger, der bedst passer til den økologiske niche af organismer, uanset hvilke chancer der opstår. Han tror, at en dag vil alle E.coli-bakterierne i Lenskis eksperiment begynde at absorbere citrat, og alle Liu-vira vil klatre på Mount Everest. Desuden blev disse eksperimenter udført i meget enkle og kontrollerede miljøer, i modsætning til de komplekse økosystemer, som livet uden for laboratoriet tilpasser sig. Svært at sige,indflydelsen fra den virkelige verden ville have ændret eksperimenterne.
Hidtil er den største mangel ved alle forsøg på at besvare livets filmspørgsmål, at biologer kun kan drage konklusioner fra en biosfære - Jorden. Et møde med en udenjordisk organisme ville fortælle os meget. Selv hvis fremmede organismer ikke har DNA, vil de sandsynligvis udstille lignende evolutionære mønstre. De har brug for noget materiale, der skal videregives til efterkommere, som leder udviklingen af organismer og ændrer sig over tid. Som Lenski siger, "Hvad der er sandt for E. coli er sandt for mikrober i hele universet."
Derfor kan den samme interaktion mellem konvergens og chance ses på andre planeter. Og hvis udenjordisk liv oplever et evolutionært pres fra et miljø, der ligner det, der opleves af det jordiske liv, kan fremtidens mennesker finde udlændinge, der har konvergeret udviklet intelligens, der ligner vores. På den anden side, hvis tilfældige begivenheder akkumuleres, og som fører liv på unikke stier, som Gould antydede, kan udenjordisk liv være usædvanligt mærkeligt.
Gould mente, at mennesker er "en ekstremt usandsynlig evolutionær begivenhed." Som bevis påpegede han, at menneskets intelligens i de 2,5 milliarder år af liv på Jorden kun optrådte én gang. Han vurderede sandsynligheden for, at en anden art ville udvikle en intelligens som vores, var spøgelsesvis lille. Fra det faktum, at vi muligvis er den eneste intelligente art i universet, kan vi drage konklusioner, der går ud over biologien. "Nogle ser denne mulighed som en grund til depression," skrev Gould i Det vidunderlige liv. "Jeg har altid betragtet hende som forfriskende, en kilde til både frihed og som en konsekvens, et moralsk ansvar."
Zach Zorich
Oversættelsen blev udført af projektet Ny