Błędy ewolucji: nierozsądny projekt

Pomysł, że żywe istoty zmieniają się z czasem, został wyrażony przez wielu na długo przed Karolem Darwinem. Wśród wczesnych ewolucjonistów był nie tylko Lamarck, ale dziadek Darwina - Erasmus. Jednak idee te nie mogły stać się dominujące w nauce, ponieważ nie miały racjonalistycznego wyjaśnienia mechanizmu ewolucji. Lamarck postulował pewne dążenie do doskonałości osadzone we wszystkich żywych istotach - specjalną esencję, którą nazwał zasadą gradacji. Darwin znalazł mechaniczne wyjaśnienie procesu zmiany świata organicznego i okazało się ono bardzo proste i zrozumiałe dla wykształconej publiczności tamtych czasów - dobór naturalny.

Wielu współczesnych Darwinowi spośród bogatych dżentelmenów lubiło sztuczną hodowlę, tworzenie i ulepszanie ras koni, psów i gołębi. Powszechnie wiadomo, że pozwalając potomstwu o niezbędnych cechach rozmnażać się i zabijać osobniki, którym się nie powiodło, można bardzo szybko zmienić wygląd i niemal dowolne właściwości zwierzęcia lub rośliny. Darwin odgadł, że w naturze ten sam proces powinien przebiegać sam, podobnie jak dzieje się w hodowli lub gołębicy. Jeśli właściciel hodowli potrzebuje długonogich psów, które potrafią szybko biegać, wybierze długonogie szczenięta, a następnie skrzyżuje je i przez kilka pokoleń dostanie nową rasę, powiedzmy, ogara. Jeśli w pewnej populacji pojawią się takie warunki, gdy osobniki o długich nogach złapią więcej ofiar lub uciekną przed drapieżnikiem, wówczas będą miały szansę na pozostawienie większej liczby potomstwa.


Koszmar Jenkin

Jak przekazywane są informacje dziedziczne? W erze Darwina wierzono, że podczas rozmnażania płciowego dziedziczenie ojcowskie i matczyne łączy się z potomstwem w pewną nierozróżnialną masę. Ten pomysł był podstawą tak zwanego „koszmaru Jenkina”. Mówiąc w rasistowskim duchu wiktoriańskiej Anglii, inżynier Fleming Jenkin poprosił zwolenników Darwina, aby wyobraził sobie sytuację, w której biały człowiek przypadkowo ląduje na wyspie zamieszkałej przez czarnych dzikusów. Być może, jak przyznał Jenkin, biały człowiek z racji swojej wyższości zostanie królem na tej wyspie i zabierze sto żon miejscowym kobietom. Ale czy można założyć, że po wielu latach podróżnik przybywający na wyspę zobaczy ją zamieszkałą przez białych ludzi? Nie, „użyteczna” dziedziczność rozpuści się w miejscowej populacji. Reagowanie na krytykę Darwina stało się możliwe dopiero wraz z pojawieniem się genetyki. Okazało się, że dziedziczność jest w zasadzie dyskretna i jest całkiem możliwe, że na wyspie zamieszkałyby tylko białe (przy fantastycznym założeniu, że geny białej osoby dają przewagę podczas reprodukcji).

Era post-Darwina przyniosła nowe wybitne odkrycia w biologii. Odkryto strukturę DNA, rozszyfrowano kod genetyczny, wprowadzono pojęcie mutacji genetycznej, jednak selekcja naturalna jest nadal uznawana za główny mechanizm ewolucji. I rzadko zdarza się w nauce, że naukowcom udaje się intuicyjnie znaleźć mechanizm istniejący w rzeczywistości, którego nie można wytłumaczyć pewnym poziomem wiedzy naukowej. Darwin to zrobił.

Czy ewolucja wystarczy na czas?

Powstaje jednak pytanie: czy ewolucji było wystarczająco dużo czasu, aby wytworzyć tak wiele różnych organizmów poprzez wybór użytecznych mutacji, które powstały losowo? Współczesna nauka udziela twierdzącej odpowiedzi na to pytanie. W końcu, jeśli porównamy tempo ewolucji, które obserwujemy w zapisie kopalnym, z tempem ewolucji, którą naukowcy uzyskują teraz w warunkach laboratoryjnych, kiedy celowo zmuszają organizmy do ewolucji, okazuje się, że w laboratorium można osiągnąć prędkości, które są o wiele rzędów wielkości wyższe niż te co było w naturze. Innymi słowy, ewolucja mogłaby teoretycznie przebiegać znacznie szybciej niż na Ziemi.

Co więcej, różnice genetyczne między zwierzętami nie są tak duże. Im dalej czytamy genomy różnych zwierząt, tym bardziej wyraźne staje się to, jak podobne, jak pokrewne są wszystkie zwierzęta. Wydawałoby się, że to, co wspólne między nogami muchy, mackami anemonu, płetwami ryby i rękami człowieka? I okazuje się, że są one regulowane przez te same geny.

Tutaj musisz zrozumieć, że genom działa na poziomie komórki, a nie całego organizmu. Żywe stworzenie nie ma centralnego genomu. Kiedy zapłodnione jajo zaczyna się dzielić, każda komórka potomna otrzymuje kopię całego genomu. Oznacza to, że wszystkie komórki zarodka, najpierw dwie, potem cztery, a następnie osiem - to samo, wszystkie mają ten sam program genetyczny. I dlaczego mózg powstaje z niektórych komórek, z innych - skóry, z trzeciego serca? Wszystko to dzieje się z powodu samoorganizacji: komórki wymieniają sygnały i zmieniają między sobą warunki środowiskowe, na które ich program reaguje w określony sposób. I już na wczesnych etapach istnieje znacznik. Wszystko może zacząć się od tego, że jajko ma polaryzację. Więcej substancji koncentruje się na jednym biegunie niż na drugim. A gdy jajko zostanie podzielone, w niektórych komórkach będzie więcej substancji niż w innych. Wysokie stężenie tej substancji może być postrzegane jako sygnał włączenia określonego genu. Załóżmy, że ten gen koduje białko sygnałowe. Zacznie być wytwarzany z komórki i będzie postrzegany przez sąsiednie komórki jako sygnał, wzdłuż którego włączy się kolejne 20 genów. Zaczną wytwarzać 20 innych sygnałów. W wyniku takich procesów zarodek jest znakowany, a różne geny są zawarte w jego różnych częściach.


Jak i dlaczego występują mutacje genetyczne?

Jeden z najczęstszych rodzajów mutacji wynika z błędów kopiowania DNA. Ten system jest bardzo dokładny, ale biologia nie ma absolutnego charakteru i nie można stworzyć systemu kopiowania, który nigdy by się nie pomylił. Rzadko pojawia się w łańcuchu DNA zamiast prawidłowego nukleotydu innego. Nukleotyd można pominąć - nastąpi usunięcie, nastąpi utrata. Lub wstawiany jest dodatkowy. Czasami występują większe zmiany DNA z powodu pominięcia całych kawałków. Jest to bardzo prawdopodobne, gdy w DNA występują powtórzenia. Cząsteczki kwasu nukleinowego mają tendencję do zlepiania się w identyczne kawałki, dzięki czemu czasami tworzą się pętle. Enzym, który kopiuje DNA, może pominąć fragment zamknięty między dwoma powtórzeniami. Ponadto DNA jest zdolny do rekombinacji, wymiany części homologicznych i niehomologicznych. Dwie nici DNA mogą się złamać i skleić ze sobą na krzyż. Cóż, oczywiście, zachodzi stała wymiana między cząsteczkami DNA podczas rozmnażania płciowego - w każdym pokoleniu i absolutnie celowo. U bakterii, które nie rozmnażają się płciowo, dzieje się to rzadziej, ale zdarza się również. Bakterie wymieniają ze sobą fragmenty DNA. Kawałki DNA różnego pochodzenia mogą się łączyć, zmieniać fragmenty. Ta rekombinacja jest najważniejszym mechanizmem zmiany informacji dziedzicznej. I jest to prawdopodobnie ważniejsze dla ewolucji niż mutacja punktowa. Ze względu na kombinację blokową różnych fragmentów DNA prawdopodobieństwo uzyskania jakiejś złożonej cechy jest znacznie wyższe.

Interesujące eksperymenty poświęcone są temu zjawisku, na przykład na jednym z gatunków robaków. Pewna komórka zarodkowa ustawia program: będzie ogon, tutaj głowa. Jeśli oddzielisz tę komórkę od zarodka, nie otrzymasz robaka, ale bezkształtną grudkę. Wystarczy jednak dotknąć takiej komórki rozwijającego się zarodka, aby w miejscu, do którego się dotknęliśmy, powstał ogon, czyli biegunowość. Ale jak dotąd te mechanizmy embriogenezy nie są znane we wszystkich szczegółach. Rozszyfrowałem tylko podstawowe informacje, kluczowe regulatory. Nie możemy jeszcze wziąć genomu i komputera, aby obliczyć, który z tego genotypu okaże się fenotypem. Ale co najważniejsze, ustalono, że bardzo niewielkie zmiany w genomie mogą wystarczyć do radykalnych zmian w morfologii.

Przykładem są mutacje homeozy, czyli mutacje kluczowych regulatorów rozwoju, które mogą prowadzić do tak radykalnych zmian, jak na przykład pojawienie się dodatkowej pary skrzydeł lub tworzenie się nóg zamiast anten u muchy. Nawet u ludzi na szyi może pojawić się druga para małżowiny usznej, chociaż jest to częstsze u kóz. Taki „cud” wyjaśniono po prostu. W rozwoju zarodka wszystkie kręgowce mają etap, na którym układane są tak zwane łuki rozgałęzione. U kręgowców lądowych szczelina między pierwszym a drugim łukiem rozgałęzionym zamieniła się w kanał słuchowy (trąbka Eustachiusza, jama ucha środkowego). Następnie pojawia się kilka łuków skrzelowych i szczeliny między nimi. I tutaj mutacje homeozy mogą prowadzić do tego, że nawet na jednym z podstaw szczelin skrzelowych zadziała program kształtowania ucha. Wtedy ucho trafia w niewłaściwe miejsce. Podobny proces generuje na przykład gąsienice i motyle z łapami na wszystkich segmentach.

Każdy gen organizmu przeszedł długą historię ewolucyjną i przetestował go pod kątem działania, zawiera „znaczący tekst”. Dlatego przy kombinacji losowej o wysokim stopniu prawdopodobieństwa uzyskuje się kombinacje bez znaczenia.

Czy ewolucja wymaga złożoności

W momencie pojawienia się pierwszego żywego stworzenia, pierwszego biologicznego replikatora, pierwszego obiektu, który jest w stanie wytworzyć swoje kopie i na który darwinowski mechanizm ewolucyjny może już działać, różnorodność biologiczna może rozwijać się automatycznie. Kolejne pytanie dotyczy tego, czy wzrost złożoności ewolucji był konieczny? Zasadniczo można łatwo wyobrazić sobie, że pojawiły się tylko bakterie i na tym poziomie żywe stworzenia zatrzymały się. Jest to bardzo prawdopodobny scenariusz i nie wydaje się zaskakujące, że we Wszechświecie dla tysiąca planet, na których żyją tylko bakterie, istnieje tylko jedna, w której pojawiło się coś bardziej złożonego. Na poziomie bakterii ewolucja utknęła na długi czas. Wydawałoby się, że nic nie zwiastowało pojawienia się bardziej złożonych form życia. Niektórzy uważają, że nawet pojawienie się komórki eukariotycznej jest strasznie mało prawdopodobnym wydarzeniem porównywalnym z narodzinami życia. Ale nie można tego w żaden sposób zweryfikować. Hipoteza zerowa dotycząca komplikacji struktury organizmów jest następująca: nie ma szczególnego kierunku ewolucji w kierunku komplikacji - zachodzi proces czysto stochastyczny, wędrujący. Ewoluujące grupy organizmów rozgałęziają się (rozchodzą) i całkiem przypadkowo podczas rozgałęziania czasem pojawiają się bardziej skomplikowani potomkowie. Z powodu wędrówki w przestrzeni złożoności rośnie złożoność najbardziej złożonego organizmu.


Wzory bycia

Nauka nie potrafi jeszcze odpowiedzieć na pytanie, ile genów odróżnia dłoń człowieka od stopy muchy. Ponieważ nie wiadomo dokładnie, ile genów bierze udział w tworzeniu tych narządów. Wchodzimy tutaj w dziedzinę młodej i bardzo obiecującej dyscypliny zwanej ewolucyjną biologią rozwojową. Zaczęło się od odkrycia genów homeobox. Są to geny, które odgrywają kluczową rolę w znakowaniu rozwijającego się zarodka u zwierząt, określając, która część stanie się frontem, który grzbiet, gdzie będzie plecy, gdzie żołądek itp. A teraz złożone mechanizmy kontrolujące rozwój zarodka są odszyfrowywane dość szybko i skutecznie. . Kluczem do nich jest to, dlaczego jesteśmy zaaranżowani w ten sposób, a nie inaczej. Rzeczywiście, nie rozwijają się fenotypy dla dorosłych, ale programy rozwojowe. Faktem jest, że w genomie nie ma rysowania dorosłego organizmu. Nie można znaleźć zakodowanych opisów kształtu nosa lub instrukcji, że dłonie powinny być pięciopalczaste. Dlatego ontogeneza jest rodzajem procesu samoorganizacji, nieco podobnego do pojawiania się mroźnych wzorów na szkle. Czasami są bardzo piękne zdjęcia - kwiaty, ogrody, lasy ... Gdzie są kodowane? W jakiś sposób są one zakodowane we właściwościach cząsteczki wody i tekstury szkła, w trybie temperaturowym, czyli w środowisku. Ważną rolę odgrywają właściwości fizykochemiczne cząsteczki wody, które decydują o jej krystalizacji. Tak więc wzory mrozu są kodowane w cząsteczce wody, w taki sam sposób, jak fenotyp jest kodowany w DNA.

Jednak najwyraźniej nie wszystko jest takie proste. Widzimy, że te linie ewolucyjne, które podążyły ścieżką zwiększania złożoności, nadal podążają tą ścieżką. Oczywiście niektóre pozytywne informacje zwrotne zaczynają działać. Najbliższym przykładem jest rozwój inteligencji, złożone zachowanie. Pozytywne opinie pojawią się, jeśli w tej populacji najbardziej inteligentne osoby będą miały większe szanse na pomyślne rozmnażanie się i pozostawienie największej liczby potomstwa. Oznacza to, że geny wielkiego umysłu rozprzestrzeniają się i za kilka pokoleń wszyscy staną się równie inteligentni. Jeśli pojawi się jeszcze jeden inteligentny mutant, mutacja ta rozprzestrzeni się ponownie i wszyscy staną się tacy sami. Powstaje rodzaj „wyścigu zbrojeń”, który jest jednym z najważniejszych mechanizmów eskalacji złożoności. Zwykle prowadzi to do rozwoju długich nóg, dużych rogów, ostrego widzenia. Ale wyścig zbrojeń może iść tą samą drogą pod względem zdolności umysłowych.

Oko - szybki numerek, mózg - dobra robota

Jednak złożoność ciała nie zawsze oznacza jego poprawę. Gdyby w rzeczywistości istniał „racjonalny projektant”, który mógłby sobie pozwolić na stworzenie żywego organizmu od zera, aby wszystko było zrobione w najlepszy sposób, życie na Ziemi wyglądałoby zupełnie inaczej. W rzeczywistości każde żywe stworzenie jest kawałkiem kompromisów. Genomy są bardzo podobne do kodów programów opracowanych przez grupę głupich programistów hackujących, w których łatka znajduje się na łatce. Jest tu źle napisane, ale dodano tutaj blok, który naprawia ten błąd. W rezultacie program działa w większości przypadków, choć nie we wszystkich. Klasycznym przykładem takiej niedoskonałości jest oko u kręgowców. Kreacjoniści często wspominają to ciało jako dowód rozsądnego projektu. Już w XIX wieku niemiecki Helmholtz, wielki optyk i specjalista od oczu, dostrzegł wiele wad strukturalnych w strukturze oka. Oko jest wykonane wyjątkowo niedoskonale. Łaty, wady konstrukcyjne są kompensowane przez udoskonalenia i ulepszenia. Na początek nasze oczy są wywrócone na lewą stronę. U kręgowców fotoreceptory zaglądają do czaszki, sama komórka fotoreceptorowa znajduje się przed nią. Pomiędzy fotoreceptorem a światłem znajdują się również komórki pomocnicze i nerwy, które zbliżają się do fotoreceptorów nie z tyłu, co byłoby optymalne, ale z przodu. Ta konstrukcja oka rozciąga się od najwcześniejszych strun. W nich powstał centralny układ nerwowy poprzez szturchanie płytki nerwowej formacją rurki. W rezultacie fotoreceptory zamieniły się w wnętrze tej lampy. Dla pierwszych akordów ta pozycja fotoreceptorów absolutnie nie była wadą, ponieważ zwierzęta te nadal nie rozróżniały obrazów, a jedynie odróżniały ciemność od światła. Były małe i całkowicie przezroczyste, więc nie obchodziło ich, gdzie patrzą receptory. Później, gdy złożone oczy zaczęły formować się u kręgowców, powstały one jako wypukłości tej cewy nerwowej. Oko stało się bardziej skomplikowane, ale fotoreceptorów nie można już było obrócić we właściwym kierunku.

Teraz nerwy, które przekazują sygnały z fotoreceptorów do mózgu, muszą zbliżyć się do siatkówki z zewnątrz, a następnie wejść do środka. Aby to zrobić, musiałem zrobić dziurę w siatkówce, tzw. Martwy punkt. Generalnie otrzymujemy obraz siatkówki o bardzo niskiej jakości, ale mózg analizatora koryguje sytuację, tworząc zły obraz. To prawda, że ​​właśnie z tego powodu osoba podlega wszelkiego rodzaju złudzeniom optycznym. A jeśli o zmierzchu bierzemy zasłonę dla ukrywającej się postaci, dzieje się tak, ponieważ konstrukcja oka nie różniła się szczególną inteligencją.

Artykuł „Unreasonable Design” został opublikowany w czasopiśmie Popular Mechanics (nr 8, sierpień 2010 r.).

Zalecane

Naukowcy udowodnili poprawność Nietzschego
2019
Jak zmieni się technologia w XXIII wieku: Anno 2205
2019
Nowa generacja SUV-a Tiger: pierwsze szczegóły
2019