Nedávné vědecké objevy vedly některé vědce k závěru, že je nutné provést úpravy a doplnění syntetické teorie evoluce.
Kevin Lalande navštívil konferenční místnost, která shromáždila několik set lidí, aby diskutovali o budoucnosti evoluční biologie. Jeden z kolegů se posadil s ním a zeptal se, jak si myslí, že se v této oblasti děje.
"Zdá se, že všechno jde dobře," odpověděl Laland. "Zatím nedošlo k žádným vážným sporům."
Kevin Lalande je evoluční biolog na University of St Andrews ve Skotsku. Za chladného, zamračeného listopadového odpoledne odcestoval do Londýna, aby společně uspořádal setkání Královské vědecké společnosti o nových trendech v evoluční biologii. Hala byla plná biologů, antropologů, lékařů, počítačových vědců a samozvaných ideologů. Royal Society of Science sídlí v nádherné budově s výhledem na St James's Park. Jediná věc, kterou Lalande dnes viděla z výškových oken konferenční místnosti, byla lešení a fasádní síťovina pro renovační práce. Uvnitř, Lalande doufal, že dnes bude také modernizace, ale jiného typu.
V polovině 20. století biologové doplnili Darwinovu evoluční teorii novými poznatky z genetiky a dalších vědních oborů. Výsledkem byla tzv. „Syntetická teorie evoluce“, která určuje směr evoluční biologie 50 let. V té době se vědci dozvěděli mnoho faktů o tom, jak život funguje, a nyní mohou sekvencovat celé genomy, sledovat, jak se geny zapínají a vypínají ve vyvíjejících se embryích a jak zvířata a rostliny reagují na změny prostředí.
Výsledkem bylo, že Lalande a skupina biologů, kteří s ním sdílejí stejný názor, dospěli k závěru, že je třeba revidovat syntetickou teorii evoluce. Bylo nutné dát mu novou formu vize vývoje, kterou dabovali pojmu „rozšířená syntéza“. Jiní biologové vyjádřili svůj nesouhlas a tvrdili, že pro takový posun paradigmatu neexistuje dostatečný základ.
Toto setkání v Royal Society of Science bylo první veřejnou konferencí, na níž měl Lalande a jeho kolegové příležitost představit své názory na danou problematiku. Ale Lalande neměl náladu jen kázat své názory na lidi s podobnou myslí, takže na konferenci byli pozváni také prominentní evoluční biologové skeptičtí ohledně principů rozšířené syntézy.
Obě strany civilizovaně vyjádřily svá stanoviska a kritiku, ale někdy v publiku bylo napětí, vyjádřené řinčením, kolísavýma očima a skleslým potleskem.
Propagační video:
Ale nikdy se nedostal do bojů. Prozatím.
Evoluce jako obvykle
Pro každou vědu přichází doba transformace a doba, kdy se věci dějí jako obvykle. Poté, co Galileo a Newton vytáhli fyziku ze starých mylných představ v 16. století, začala se pohybovat od jednoho skromného úspěchu k dalšímu až do 20. století. Poté Einstein a další vědci položili základy kvantové fyziky, představili teorii relativity a další nové způsoby poznání vesmíru. Nikdo z nich netvrdil, že se Newton mýlí. Ukazuje se však, že vesmír není ve skutečnosti jen hmota v pohybu.
Evoluční biologie má své vlastní revoluce. První určitě začal v roce 1859 Charlesem Darwinem The Original of Species. Darwin kombinoval informace z oborů paleontologie, embryologie a dalších věd, aby ukázal společný původ všech živých organismů. Představil také koncept přirozeného výběru, mechanismus pro řízení těchto dlouhodobých změn. Každá generace druhu vykazovala velkou variabilitu. Někdy to pomohlo organismům přežít a rozmnožovat se a díky dědičnosti byl předán dalším generacím.
Darwin inspiroval biology z celého světa ke studiu zvířat a rostlin z nové perspektivy a interpretoval jejich biologii jako adaptace z předchozích generací. A uspěl v tom, přestože neměl o genech ponětí. Teprve ve 30. letech se genetici a biologové spojili se silami a přeformulovali evoluční teorii. Na dědičnost se pohlíží jako na přenos genů z generace na generaci. Změny byly způsobeny mutacemi, které bylo možné smíchat a vytvořit nové kombinace. Nové druhy se objevily, když se v populacích vytvořily mutace, které znemožňovaly křížení mezidruhů.
V roce 1942 popsal britský biolog Julian Huxley tento vznikající koncept ve své knize Evoluce: Moderní syntéza. Vědci stále používají toto jméno. (Oni někdy se odkazují na to jak neo-Darwinism, ačkoli termín je vlastně zavádějící. Termín neo-Darwinism byl vytvořen v 1800s a byl používán biology, kteří podporovali Darwin nápady během jeho celého života).
Syntetická teorie evoluce se ukázala jako mocný nástroj v oblasti otázek souvisejících s přírodou. Vědci jej využili k řadě objevů v historii života, jako je například důvod, proč jsou někteří lidé náchylní ke genetickým chorobám, jako je srpkovitá nemoc, nebo proč pesticidy dříve či později přestanou pracovat na škůdcích. Ale brzy po vytvoření konceptu moderní syntézy se různí biologové začali pravidelně stěžovat na jeho přílišnou kategorizaci. Lalande a další vědci však dokázali sjednotit a koordinovat úsilí o rozvoj principů rozšířené evoluční syntézy, která by ho mohla nahradit, pouze v posledních několika letech.
Vědci nepovažují syntetickou teorii evoluce za chybný koncept - jednoduše nedokáže odrážet veškeré evoluční bohatství. Organismy zdědí více než jen geny - mohou zdědit další buněčné molekuly, stejně jako chování, které se učí, a jejich rodová stanoviště. Lalande a jeho kolegové také popírají prvořadou roli přirozeného výběru při vysvětlování toho, jak vznikl život, jak ho známe dnes. Průběh evoluce může být ovlivněn jinými procesy, od pravidel, podle kterých se druh vyvíjí, až po vnější podmínky jejich bydlení.
"Nejedná se o šroubování stále více strojů k tomu, co již máme," řekla Lalande. "Musíme se podívat na příčinu z jiného úhlu."
Doplnění Darwin
Biologka Tel Avivské univerzity Eva Yablonka se ve svém projevu pokusila analyzovat důkazy, že formy dědičnosti mohou určovat nejen geny.
Naše buňky používají řadu molekul k rozpoznání, které geny vytvářejí proteiny. Například v procesu zvaném methylace buňky omezují svou DNA tak, aby určité geny zůstaly uzavřené. Když se buňky dělí, mohou použít stejný princip, a tak řídit novou DNA. Některé signály přijaté z prostředí mohou způsobit, že buňky změní to, čemu říkají „epigenetická“kontrola, což umožňuje organismům přizpůsobit se novým podmínkám.
Některé studie ukazují, že za určitých okolností mohou být epigenetické změny u rodičů přeneseny na potomky. A oni pak mohou předat tento změněný epigenetický kód svým dětem. Toto je druh dědičnosti mimo geny.
Tento princip dědičnosti je zvláště patrný u rostlin. V jedné studii byli vědci schopni sledovat změněný vzorec methylace až do 31 generací pomocí rostliny zvané Arabidopsis. Tento typ dědičnosti může výrazně změnit fungování těla. V jiné studii vědci zjistili, že zděděné methylační vzorce mohou změnit dobu květu Arabidopsis a ovlivnit velikost jejích kořenů. Variabilita způsobená těmito vzory byla větší než variabilita způsobená běžnými mutacemi.
Poté, co předložila důkazy, paní Yablonka tvrdila, že epigenetické rozdíly mohou určovat vyzrálost organismů pro reprodukci. "Přirozený výběr by mohl mít vliv na tento systém," řekla.
Protože přirozený výběr má významný dopad na průběh vývoje, účastníci konference předložili důkazy o tom, jak může být omezen nebo přemístěn jiným směrem. Biolog univerzity Vídně Gerd Müller citoval příklad ze svého vlastního výzkumu ještěrek. Některé druhy ještěrek během evoluce ztratily prsty na zadních nohách. Některé druhy měly pouze čtyři prsty, jiné pouze jeden a některé úplně ztratily končetiny.
Podle Muellera vede syntetická teorie evoluce vědce k tomu, aby na tyto mechanismy pohlíželi jednoduše jako na výsledek přirozeného výběru, který dává přednost jedné možnosti vzhledem k jeho výhodám v přežití. Tento přístup však nebude fungovat, pokud se divíte, jaká je výhoda pro určitý druh jedinců při ztrátě prvního a posledního prstu a nikoliv jiných.
"Odpověď na tuto otázku zní, že neexistuje žádná skutečná selektivní výhoda," řekl Mueller.
Klíčem k pochopení, proč ještěrky ztratí určité prsty, je především to, jak se ještěrky vyvíjejí v jejich embryonálním stavu. Procesy se nejprve objevují na stranách a poté z nich vyvine pět prstů, vždy ve stejném pořadí. A ztratí je v průběhu evoluce v obráceném pořadí. Müller navrhuje, že taková omezení jsou způsobena neschopností mutací reprodukovat všechny možné změny ve zvláštnosti. Některé kombinace prstů proto nejsou k dispozici a přirozený výběr je nemůže vybrat vůbec.
Vývoj může omezit evoluci a na druhé straně dává zvířatům a rostlinám vysokou plasticitu. Sonia Sultan, evoluční ekologka na Wesleyanské univerzitě, uvedla ve svém projevu zvědavý příklad, když hovořila o bylině rodiny pohanky, kterou studovala, máty máty.
V rámci moderní syntézy, řekl Sultan, se adaptace horolezce bude jevit jako vyladěný výsledek přirozeného výběru. Pokud roste za zhoršených světelných podmínek, zvýhodňuje přírodní výběr rostliny se změněnými vlastnostmi, které jim umožňují prosperovat v životním prostředí, například vyvíjením širších listů pro fotosyntézu. A ti, kteří rostou na jasném slunečním světle, si vytvářejí přizpůsobení pro úspěšný růst v různých podmínkách.
"To hovoří pro názor, že naše setkání je oddáno odporu," řekl Sultan.
Pokud pěstujete geneticky identické rostliny křídlatky za různých podmínek, skončíte s rostlinami, které zřejmě patří k různým druhům.
Pro začátek upravuje máta peprná velikost listů podle množství slunečního světla, které dostává. V jasném světle se jejich listy stávají úzkými a hustými a při slabém světle se stávají široké a tenké. V suché půdě tyto rostliny kořeny hluboko do země hledají vodu a v dobře zvlhčené půdě jsou kořeny krátké, chlupaté a mělké.
Vědci na setkání tvrdili, že taková plasticita může sama o sobě přispět k průběhu evoluce. Umožňuje rostlinám rozšířit se na různých stanovištích, například na které přirozený výběr přizpůsobí své geny. Mezi přednášejícími byla Susan Anton, paleoantropolog na newyorské univerzitě, který tvrdil, že plasticita může hrát významnou roli v dosud podceňovaném vývoji člověka. Je tomu tak proto, že v poslední polovině století jeho syntéza významně ovlivnila moderní syntéza.
Paleoanthropologists inklinoval k léčbě rysy nalezené ve fosiliích jako výsledek genetických rozdílů. To jim umožnilo znovu vytvořit evoluční strom člověka a zaniklé formy blízko něj. Příznivci tohoto přístupu dosáhli významných výsledků, připustil Anton. V 80. letech vědci zjistili, že asi před dvěma miliony let byli naši ranní příbuzní malí a měli malý mozek. Poté se zástupci jedné z řad dědičnosti stali vyššími a vyvinuli velký mozek. Tento přechod znamenal původ našeho druhu, Homo.
Ale někdy paleoantropologové našli varianty, které byly těžko pochopitelné. Zdá se, že tyto dvě fosílie v některých ohledech patří ke stejnému druhu, v jiných se však velmi liší. Vědci mají tendenci ignorovat takové environmentálně vyvolané rozdíly. "Chtěli jsme se toho všeho zbavit a dostat se k věci," řekl Anton.
Ale „všechno tohle“je příliš mnoho na to, aby se ignorovalo. Vědci našli ohromující množství humanoidních fosilií, které sahaly před 1,5 až 2,5 miliony let. Některé jsou vysoké a jiné ne, jiné mají velké mozky a jiné mají malé mozky. Všechny jejich kostry sdílejí rysy Homo, ale každá má matoucí kombinaci rozdílů.
Anton věří, že principy rozšířené syntézy mohou vědcům pomoci pochopit tento matoucí příběh. Zejména se domnívá, že její kolegové by měli plasticitu brát vážně jako vysvětlení podivné rozmanitosti časných lidských fosilií.
Na podporu této myšlenky Anthon poznamenal, že žijící lidé mají svůj druh plasticity. Kvalita jídla, které žena dostává během těhotenství, může ovlivnit růst a zdraví dítěte a jeho dopad lze sledovat až do dospělosti. Navíc velikost samotné ženy, která částečně závisí na stravě její matky, může ovlivnit její děti. Biologové například zjistili, že děti žen s dlouhýma nohama jsou obecně vyšší než jejich vrstevníci.
Anthon navrhl, že podivné změny z paleontologického archivu by mohly být ještě dramatičtějšími příklady plasticity. Všechny tyto fosílie pocházejí z doby, kdy africké klima procházelo extrémními výkyvy. Sucha a silné deště mohly změnit potravinové zdroje v různých částech světa, což způsobilo, že se časní lidé vyvíjeli jiným směrem.
Rozšířená teorie evoluční syntézy nám také může pomoci vypořádat se s další kapitolou naší historie - vznikem zemědělství. V Asii, Africe a Americe mají lidé domestikované plodiny a hospodářská zvířata. Smithsonianská archeologka Melinda Zederová hovořila o problematickém chápání toho, jak by k této transformaci mohlo dojít.
Než lidé začali hospodařit, museli si vzít vlastní jídlo a lov. Zeder vysvětlil, kolik vědců interpretuje chování sběratelů v souvislosti s moderní evoluční syntézou: jako něco, co je skvěle regulováno přirozeným výběrem, aby získalo lepší odměny za své úsilí najít jídlo.
Je těžké si představit, jak by tito sběratelé mohli vůbec přejít na zemědělství. "Nemáš okamžité potěšení z popadnutí jídla a jeho vložení do úst," řekl mi Zeder.
Někteří vědci navrhli, že k přechodu do zemědělství mohlo dojít během klimatických změn, kdy bylo hledání divokých rostlin mnohem obtížnější. Zeder a další však nenašli žádné důkazy o krizi, v níž by mohlo vzniknout zemědělství.
Zeder argumentuje, že v této věci existuje další pohled. Lidé nejsou poslušní zombie, kteří se snaží přežít v neustálém prostředí, ale tvořivě přemýšlí jednotlivci, kteří mohou změnit samotné prostředí a směrovat vývoj novým směrem.
Vědci nazývají tuto ekologickou nika budovu, proces, který zahrnuje mnoho druhů. Mezi klasickými případy stojí bobři za zmínku. Řezali stromy a stavěli přehradu, vytvářeli jezírko. V těchto nových podmínkách budou některé druhy rostlin a zvířat lepší než jiné. A novým způsobem se přizpůsobí svému prostředí. To platí nejen o rostlinách a zvířatech žijících kolem bobrového rybníka, ale také o samotných bobrech.
Podle Zederové bylo její první seznámení s konceptem budování ekologické mezery pro ni zjevením. "Bylo to jako malé výbuchy v mé hlavě," řekla mi. Archeologické nálezy, které shromáždila ona a další vědci, pomohou pochopit, jak se lidem podařilo změnit podmínky prostředí.
Zdá se, že časní sběratelé divoké rostliny přesunuli pryč ze svých přirozených stanovišť, takže je lze vždy najít. Zaléváním rostlin a jejich ochranou před býložravci jim lidé pomáhali přizpůsobit se novému prostředí. Druhy plevelů také změnily své stanoviště a staly se samostatnými zemědělskými plodinami. Některá zvířata se také přizpůsobili svému prostředí, stávají se psy, kočkami a jinými domácími druhy.
Postupně se z chaoticky rozptýlených oblastí půdy obývaných divokými rostlinami změnily podmínky prostředí na hustě umístěná orná pole. To přispělo nejen k vývoji rostlin, ale také k rozvoji kultury mezi rolníky. Místo putování po světě jako kočovníci se usadili ve vesnicích a dostali příležitost obdělávat půdu kolem. Společnost se stala stabilnější, protože děti dostávají ekologické dědictví od svých rodičů. Takto začala civilizace.
Budování ekologické mezery je jen jedním z mnoha pokročilých konceptů teorie evoluční syntézy, které mohou pomoci pochopit proces domestikace, řekl Zeder. Během svého projevu představila různé předpovědi, které se pohybovaly po snímku, od pohybů časných sběratelů až po tempo vývoje rostlin.
"Připadalo mi to jako reklama pro principy rozšířené evoluční syntézy," řekl mi později Zeder a smál se. - Ale to není všechno! Můžete získat sadu kuchyňských nožů! “
Návrat přirozeného výběru
Mezi těmi v místnosti byl biolog jménem David Schacker, výzkumník na University of St Andrews. Klidně naslouchal rozhovorům den a půl a nyní se rozhodl vystoupit sám a zvedl ruku.
Mluvčí před ním byl Denis Noble, fyziolog s šokem šedivých vlasů a modrou bundu. Noble, který strávil většinu své kariéry v Oxfordu, řekl, že začal jako tradiční biolog, který věřil, že geny jsou konečnou příčinou všeho v těle. V posledních letech však změnil názor a začal mluvit o genomu nikoli jako o základu života, ale jako o citlivém orgánu, který detekuje stres a je schopen obnovit, aby překonal problémy. "Trvalo mi dlouho, než jsem dospěl k tomuto závěru," řekl Noble.
Pro ilustraci tohoto nového pohledu Noble hovořil o řadě nedávných experimentů. Jeden z nich byl loni publikován týmem na University of Reading a jedná se o studium bakterií, které se pohybují v okolí pomocí dlouhých rotujících ocasů.
V první řadě vědci izolovali gen z DNA bakterií, který je zodpovědný za pěstování ocasu. Potom umístili výsledné tailless jednotlivce do Petriho misky s skromnou zásobou jídla, kterou brzy spotřebovali. Bez schopnosti se pohybovat, zemřeli. Za méně než čtyři dny za těchto zlých podmínek bakterie začaly znovu plavat. Při podrobné prohlídce bylo zjištěno, že pěstovali nové ocasy.
"Strategie je vytvořit rychlé evoluční změny v genomu v reakci na nepříznivé vnější vlivy," vysvětlil Noble publiku. "Je to soběstačný systém, který umožňuje, aby se určité vlastnosti projevovaly nezávisle na DNA."
Shaker to nepovažoval za přesvědčivé, a poté, co potlesk ustoupil, se rozhodl zahájit diskusi s Noble.
"Mohl byste se vyjádřit k mechanismu tohoto objevu?" - zeptal se Shaker.
Noble začal koktat. "Mechanismus obecně, mohu, ano …" řekl, a pak začal mluvit o sítích a pravidlech a horečnatém hledání cesty ven z krize. "Musíte se odvolat na původní text zprávy," řekl.
Když se Noble snažil odpovědět, Shaker pohlédl na přednášku otevřenou v jeho schránce. A začal jeden z odstavců číst nahlas.
"Naše zjištění ukazují, že přirozený výběr může rychle změnit regulační sítě," přečetl Shaker a položil svůj iPad. "Je to nádherný, prostě nádherný příklad rychlého neararwinovského vývoje," řekl.
Shaker získal samotnou podstatu pocitů značného počtu skeptiků, se kterými jsem mohl na konferenci hovořit. Ambiciózní rétorika o změně paradigmatu byla většinou neopodstatněná. Tito skeptici však nezůstali ve stínu. Někteří se rozhodli osobně se ujmout slova.
"Myslím, že bych měl mluvit o Jurassic evoluci," řekl Douglas Futuima a vzal pódium. Futuima je plynulým biologem na Stony Brook University v New Yorku a autor hlavní učebnice evoluce. Během setkání byl zaplaven stížnostmi, že učebnice věnovaly malou pozornost takovým věcem, jako je epigenetika a plasticita. Ve skutečnosti byla Futuima právě vyzvána, aby kolegům vysvětlila, proč byly tyto koncepty ignorovány.
"Musíme uznat, že základní principy syntetické teorie evoluce jsou silné a platné," řekl Futuima. Nejen to, dodal, ale rozmanitosti biologie diskutované v Královské společnosti nejsou opravdu tak nové. Tvůrci syntetické teorie evoluce je zmínili před více než 50 lety. Abychom jim porozuměli, bylo provedeno mnoho studií založených na moderní evoluční syntéze.
Vezměte plasticitu. Genetická variace u zvířat nebo rostlin reguluje rozsah forem, do kterých se organismus může vyvinout. Mutace mohou tento rozsah změnit. A matematické modely přirozeného výběru ukazují, jak může podporovat určité typy plasticity na úkor ostatních.
Pokud kdokoli nepotřebuje teorii rozšířené evoluční syntézy, jak je tomu věnováno celé setkání v Královské společnosti vědy? Futuima navrhl, že tento zájem byl spíše emotivní než vědecký. Díky jeho principům byl život hnací silou, nikoli spící zbraní mutace.
"Myslím, že věda nemůže být založena na tom, co považujeme za emocionálně nebo esteticky atraktivnější," řekl Futuima.
Přesto šel do velké míry, aby ukázal, že výzkum diskutovaný v této relaci může vést k některým zajímavým závěrům o evoluci. Tyto závěry však mohou vzniknout pouze v důsledku tvrdé práce, která vede ke vzniku spolehlivých údajů. "K tomuto tématu bylo napsáno dost esejí a zpráv," řekl.
Někteří členové publika začali s Futuimou hašteřit. Ostatní skeptičtí řečníci byli vyděšeni argumenty, které považovali za bezvýznamné. Setkání však bylo třetího dne ukončeno bez bojů.
"Toto je pravděpodobně první z mnoha setkání," řekla mi Lalande. V září získalo konsorcium vědců v Evropě a ve Spojených státech finanční prostředky ve výši 11 milionů USD (z toho 8 milionů USD od John Templeton Foundation) na provedení 22 studií o zásadách pokročilé evoluční syntézy.
Mnoho z těchto studií bude testovat předpovědi, které vyplynuly ze syntetické teorie evoluce v posledních několika letech. Zjistí například, zda druhy, které si vytvářejí vlastní stanoviště - pavučiny, sršňová hnízda atd. - mohou vyrůstat na více druhů, než na ty, které tomu tak není. Rovněž zváží, zda vysoká plasticita umožňuje rychlejší přizpůsobení novým podmínkám.
"Tento výzkum žádají naši kritici," řekl Lalande. "Jděte a najděte důkazy."