Strona główna / Popularnonaukowe / Największe wynalazki ewolucji

Aktualności

18.05.2022

Spotkanie online z Pauliną Młynarską

W piątek 3 czerwca o godz. 19:00 zapraszamy na wirtualne spotkanie z Pauliną Młynarską, autorką książki "Okrutna jak Polka".

Wywiady

25.08.2021

"Tajemnica Wzgórza Trzech Dębów". Wywiad z Piotrem Borlikiem

Zapraszamy do przeczytania wyjątkowego wywiadu z Piotrem Borlikiem. Z autorem książki "Tajemnica Wzgórza Trzech Dębów" rozmawiał Marcin Waincetel z Lubimyczytac.pl.

Posłuchaj i zobacz

23.05.2022

Rozmowa z Tanyą Valko

Nowy odcinek naszego podcastu to rozmowa Justyny Dżbik-Kluge z Tanyą Valko, autorką książki "Arabska zdrajczyni".

Bestsellery

TOP 20

  1. Arabska zdrajczyni Tanya Valko
  2. Viktoria. Miłość zza żelaznej kurtyny Wioletta Sawicka
  3. A koń w galopie nie śpiewa Artur Andrus, Wojciech Zimiński

Największe wynalazki ewolucji

Nick Lane

WPROWADZENIE

Dziesięć Największych wynalazków ewolucji

Zielono-niebieska kula ziemska na tle obezwładniającej czerni przestrzeni kosmicznej urzeka swoim pięknem. Zaledwie dwa tuziny ludzi miało okazję ujrzeć naszą planetę z Księżyca lub też z wokółksiężycowej orbity; jednak kruche piękno uchwycone na wykonanych przez nich zdjęciach na zawsze wryło się w pamięć całego pokolenia. Nic nie może z nim się równać. Małostkowe ludzkie spory o granice, ropę naftową czy wyznawane wartości stają się nieistotne wobec prostego spostrzeżenia, że ta ożywiona kulka otoczona nieskończoną pustką to nasz wspólny dom; dom, który zawdzięczamy inwencji życia i dzielimy z jego najwspanialszymi formami.
To życie przemieniło naszą planetę ze znękanego i gorejącego kawałka skały krążącego wokół młodej gwiazdy w źródło inspiracji, któremu możemy przyglądać się z kosmosu. To życie pomalowało nasz świat na niebiesko i zielono dzięki niewielkim fotosyntetyzującym bakteriom, które oczyściły niebo i ziemię i wypełniły je tlenem. Korzystając z tego nowego i potężnego źródła energii, życie po prostu wybuchło. Kwiaty kwitną zapraszająco, złożone ciała koralowców skrywają ławice złotych rybek, w czarnych morskich głębinach czają się fantastyczne stworzenia, drzewa zwracają się ku niebu, zwierzęta hałasują, rozglądają się i człapią. A w środku tego wszystkiego jesteśmy my, zafascynowani niewysłowioną tajemnicą stworzenia, kosmiczne zbiory molekuł, czujące, myślące, dziwiące się, a wreszcie dociekające, skąd właściwie tu się wzięliśmy.
Po raz pierwszy w historii naszej planety wiemy. Może nie wszystko i nie ostatecznie, jednak największe z dotychczasowych ludzkich przedsięwzięć – próba poznania i zrozumienia nas samych i otaczającego nas ożywionego świata – wreszcie daje owoce. Pierwszy szkic otrzymaliśmy 150 lat temu, gdy Karol Darwin opublikował O powstawaniu gatunków. Od tamtych czasów odnalezienie nowych skamieniałości przyczyniło się do uzupełnienia luk w naszej wiedzy, a poznanie szczegółowej budowy genów umożliwiło rozpoznanie dowolnego ze ściegów bogatego gobelinu życia. Niedawno zaś, bo zaledwie w ostatnich dziesięcioleciach, przeszliśmy od teorii i abstrakcyjnej wiedzy do tworzenia intensywnego i szczegółowego obrazu życia; jego opis, sporządzony w językach, które dopiero zaczynamy tłumaczyć, jest kluczem do zrozumienia otaczającej nas rzeczywistości i nawet najbardziej odległej przeszłości.
Historia, której jesteśmy świadkami jest bardziej dramatyczna, wciągająca i złożona niż którykolwiek z mitów o stworzeniu świata. Podobnie jednak jak one opowiada o przeobrażeniach, gwałtownych i widowiskowych zmianach, erupcjach innowacyjności przemodelowujących naszą planetę i nadpisujących skutki poprzednich rewolucji nowymi warstwami złożoności. Zniewalające piękno Ziemi oglądanej z kosmosu przeczy jej historii, pełnej waśni, zmian i pomysłowości. Na ironię zakrawa, iż nasze spory są echem burzliwej przeszłości naszej planety i że my sami, rabusie jej zasobów, możemy wznieść się ponad nią, by zobaczyć, jak jest piękna.
Dużą część tego planetarnego zamieszania spowodowało kilka ewolucyjnych innowacji; wynalazków, które zmieniły świat, a w końcu umożliwiły pojawienie się nas samych. Tu muszę wyjaśnić, co rozumiem pod pojęciem wynalazku, albowiem używam tego terminu bez chęci zasugerowania istnienia jakiegokolwiek wynalazcy. Słownikowa definicja wynalazku brzmi: nowe rozwiązanie o charakterze technicznym, środek lub metoda produkcji, wcześniej nieistniejąca. Ewolucja nie przewiduje, nie planuje z wyprzedzeniem. Nie ma żadnego wynalazcy, żadnego inteligentnego projektu. Niemniej dobór naturalny testuje każdą nową cechę i przystosowanie; zawsze wygrywa najlepsze z nich. Przyroda to wielkie naturalne laboratorium, przy którym nasz ludzki teatr wydaje się maleńki; w laboratorium tym testowane są naraz miliardy niewielkich różnic, pokolenie po pokoleniu. Otaczają nas ślady projektu – produktów procesów „ślepych”, lecz ocierających się o genialność. Ewolucjoniści często używają nieformalnie słowa „wynalazek” i nie ma chyba lepszego określenia oddającego niezwyk­łą kreatywność przyrody. Ustalenie, jak to wszystko się zaczęło, to wspólny cel naukowców, bez względu na wyznawaną przez nich religię, a także wszystkich, których zastanawia, skąd się wzięliśmy.
Niniejsza książka dotyczy najważniejszych wynalazków ewolucji, opowiada, jak każdy z nich wpłynął na świat ożywiony oraz jak ludzie nauczyli się odczytywać zapis przeszłości, wykazując się pomysłowością godną przyrody. To hołd złożony niezwykłej inwencji natury i nas samych; długi zapis historii naszego pojawiania się tutaj, rejestr kamieni milowych z podróży rozpoczynającej się u zarania wszelkiego życia, a kończącej na naszym życiu i śmierci. To również książka traktująca wszystkie te tematy bardzo szeroko. Powinniśmy bowiem objąć wszystkie postacie życia, od jego wczesnych początków w głębinowych kominach hydrotermalnych do ludzkiej świadomości; od najdrobniejszych bakterii do największych dinozaurów. Powinniśmy ogarniać różne dziedziny naukowe, od geologii i chemii do neuroobrazowania; od mechaniki kwantowej do planetologii. I powinniśmy też potrafić dostrzec pełne spektrum ludzkich osiągnięć: od odkryć najsłynniejszych naukowców aż po pracę tych wciąż jeszcze mało znanych, ale mogących któregoś dnia przejść do historii.
Mój przegląd wynalazków ewolucji z pewnością jest subiektywny; dosyć łatwo można by pewnie ułożyć inną listę. Zastosowałem jednak klucz – wyodrębniłem cztery ważne kryteria – który umożliwił mi ograniczenie końcowego wyboru do kilku najważniejszych założeń.
Na początek przyjąłem, że dany wynalazek zrewolucjonizował świat ożywiony i wpłynął na losy samej planety. Wspominałem już o fotosyntezie, która przeobraziła i natleniła Ziemię (bez tlenu zwierzęta nigdy by się nie pojawiły). Inne przykłady są może mniej oczywiste, choć równie ważne i wszechobecne. Dwa kolejne wynalazki to zdolność do poruszania się, umożliwiająca zwierzętom chociażby poszukiwanie pożywienia, a także wzrok – który doprowadził do kompletnego przeobrażenia cech fizycznych i zachowania właściwie wszystkich żywych stworzeń. Niewykluczone, że to właśnie szybka ewolucja oczu – około 540 milionów lat temu – doprowadziła do pojawienia się śladów licznych nowych gatunków w zapisie kopalnym w okresie nazywanym z tej racji eksplozją kambryjską. Konsekwencje każdego z tych wynalazków omawiam we wprowadzeniach do poszczególnych rozdziałów.
Moje drugie kryterium dotyczyło skutków ewolucyjnego wynalazku z dawnych czasów, które powinny mieć olbrzymie znaczenie także dzisiaj. Najlepszymi przykładami są rozmnażanie płciowe i śmierć. Seks opisywany jest czasem jako największy z absurdów egzystencji, i to pomijając nawet udziwnione opisy stanów psychicznych przedstawionych w Kamasutrze, począwszy od lęków egzystencjalnych, a na ekstazie skończywszy. Wystarczy skupić się na osobliwej mechanice seksu. Zagadka, dlaczego u tak wielu organizmów, nawet roślin, występują różne formy płciowości i seksu, skoro wystarczyłoby zadbać jedynie o sklonowanie samych siebie, została już niemal rozwiązana. Ale jeśli seks (i płeć) to największe z absurdów egzystencji, to śmierć jest największym z absurdów nie-egzystencji. Czemu starzejemy się, a w końcu umieramy, często w ciągu naszego życia zapadając na wiele przysparzających cierpienia i przerażających chorób? Śmierć, współczesna obsesja ludzkości, nie jest konsekwencją działania praw termodynamiki lub chaosu; nie wszystkie żywe istoty się starzeją, niektóre potrafią nawet – niczym za naciśnięciem guzika – zatrzymać ten proces. Przekonamy się, że ewolucja potrafiła wydłużyć życie pewnych zwierząt nawet o rząd wielkości i zdarzyło się to nie raz i nie dwa. Nie powinniśmy traktować „pigułki młodości” jedynie jako przenośni.
Trzecie kryterium dotyczyło pochodzenia danego wynalazku; musiał on być skutkiem działania doboru naturalnego, a nie na przykład rozwoju kultury. Jestem biochemikiem i nie mam nic odkrywczego do powiedzenia na tematy społeczne czy dotyczące języka. Wiem tylko, że wszystko, co osiągnęliśmy, co uważamy za specyficznie ludzkie, zawdzięczamy świadomości. Niełatwo opisywać społeczeństwo czy jakikolwiek z języków, którymi posługują się ludzie, bez uwzględnienia łączących ich wartości, poglądów czy uczuć; często uczuć trudnych do opisania, takich jak miłość, zadowolenie, smutek, strach, tęsknota, nadzieja, wiara. Skoro ludzki umysł jest produktem ewolucji, musimy wyjaśnić, w jaki sposób aktywność neuronów w mózgu prowadzi do wytworzenia się przekonania o istnieniu niematerialnego ducha, w jaki sposób powstają nasze uczucia. W mojej ocenie to problem biologiczny, choć wyjątkowo trudny. Tę opinię próbuję uzasadnić w rozdziale 9. Podsumowując: świadomość wpada do worka z innymi wynalazkami, zaś język, organizacja społeczna oraz inne produkty rozwoju kulturalnego ludzkości pozostają na zewnątrz.
Ostatnim z przyjętych przeze mnie kryteriów była siła oddziaływania danego wynalazku na wyobraźnię; spektakularność. Domniemana doskonałość ludzkiego wzroku to narzucający się i chyba najczęściej – od czasów Darwina, a nawet wcześniej – przytaczany przykład. W późniejszych czasach okiem zajmowano się wiele razy i na wiele sposobów. Jednak w ostatnim dziesięcioleciu liczne odkrycia, poczynione dzięki rozwojowi genetyki, doprowadziły do ujawnienia nowych i zaskakujących faktów z historii jego ewolucji. Dalej, spirale podwójnej helisy DNA, chyba najsłynniejszy symbol współczesnej ery informacyjnej. Równie intrygujące jest zagadnienie pochodzenia komórek złożonych (eukariotycznych), nawet pomimo tego, że bardziej fascynuje ono naukowców niż resztę ludzi. Różne poglądy ewolucjonistów na ten temat ścierają się ze sobą od ponad czterdziestu lat; a wyjaśnienie tego problemu jest kluczowe dla rozstrzygnięcia kwestii, jakie jest prawdopodobieństwo napotkania w kosmosie złożonych form życia. W każdym rozdziale tej książki omawiam właśnie tego rodzaju spektakularność. Zanim zabrałem się do pisania, omówiłem moją listę najbardziej przemawiających do wyobraźni wynalazków z przyjacielem, który zaproponował, żebym zastąpił zdolność do ruchu układem pokarmowym. Jednak układ pokarmowy nie spełnia warunku spektakularności; w mojej ocenie już szybciej na przykład siła mięśni – pomyślmy choćby o lataniu. Ale flaki, które same nie są zdolne się poruszyć? To zaledwie worki trawienne. Nie, to niezbyt imponujące.
Poza wymienionymi wyżej formalnymi kryteriami każdy z wynalazków musiał jeszcze działać na moją wyobraźnię. To te z nich, które u mnie – człowieka z pasją obserwującego otaczający go świat – wzbudziły najsilniejszą chęć ich zrozumienia. O niektórych pisałem już w przeszłości, a teraz chciałem potraktować je nieco szerzej. Inne, jak choćby DNA, mogą niebezpiecznie zafascynować chyba każdy dociekliwy umysł. Odkrywanie najdrobniejszych szczegółów w budowie DNA to jedna z najlepszych naukowych historii detektywistycznych minionego półwiecza. Jednak jej znajomość – o dziwo – nie jest wcale tak powszechna, jak można by się spodziewać; nawet wśród naukowców. Mogę mieć tylko nadzieję, że udało mi się przelać na papier trochę własnych emocji jej dotyczących. Stałocieplność – oto kolejny przykład kwestii budzącej wśród naukowców gorące emocje, bo nie mogą się zgodzić, czy dinozaury były aktywnymi, ciepłokrwistymi zabójcami, czy też ociężałymi, gigantycznymi jaszczurkami. Lub czy ciepłokrwiste ptaki wywodzą się od bliskich kuzynów tyranozaura, czy w ogóle nie mają z dinozaurami nic wspólnego. Lepszej okazji do wyrobienia sobie własnej opinii na podstawie przeglądu argumentów za i przeciw nie będzie!
Mamy więc listę. Zaczniemy od początków życia, a zakończymy rozważaniami nad śmiercią i widokami na nieśmiertelność, po drodze zastanawiając się nad takimi osiągnięciami, jak DNA, fotosynteza, komórki eukariotyczne, rozmnażanie płciowe, ruch, wzrok, ciepłokrwistość i świadomość.
Zanim jednak zaczniemy, muszę jeszcze odnieść się do lejtmotywu tego wprowadzenia: nowych „języków”, których znajomość umożliwia wgląd w głębiny historii ewolucji. Do niedawna w przeszłość wiodły nas tylko dwa szerokie trakty: skamieniałości i geny. Jedne i drugie mają potężną moc ożywiania przeszłości, jednak mają też swoje ograniczenia. Domniemane „brakujące ogniwa” w zapisie kopalnym nie są aż tak brakujące, jak może się to wydawać; wiele z nich zostało zresztą zidentyfikowanych w trakcie ostatnich 150 lat, czyli od czasu, gdy martwił się o nie Darwin. Jednak problem ze skamieniałościami polega na tym, że już choćby ze względu na warunki, jakie sprzyjały ich powstaniu, nie możemy jedynie na ich podstawie stworzyć wiernego obrazu przeszłości. To i tak niezwykłe, ile dzięki nim się dowiedzieliśmy. Podobnie jest z genami: porównywanie ich sekwencji pozwala nam budować drzewa filogenetyczne, dzięki którym możemy określić nasze pokrewieństwo z innymi organizmami. Niestety, w trakcie ewolucji w sekwencjach DNA pojawia się tyle zmian, że dalsze porównania stają się niemożliwe. Od pewnego momentu to, co nastąpiło w przeszłości, odczytywane na podstawie genów, staje się niejasne i rozmyte. Są jednak metody wykraczające poza geny i skamieniałości, sięgające głęboko w przeszłość i wyostrzające obraz. Ta książka to także po części sposób na ich docenienie.
Dam przykład, jeden z moich ulubionych, który nigdy jakoś nie doczekał się należnej wzmianki w książce. Dotyczy białka (katalizatora, enzymu o nazwie syntaza cytrynianowa), kluczowego dla życia i obecnego we wszystkich żywych organizmach, począwszy od bakterii, a na człowieku skończywszy. Porównywano dwie jego odmiany, występujące u dwóch szczepów bakterii – jeden pochodził z gorących, głębinowych kominów hydrotermalnych, a drugi z mroźnej Antarktyki. Sekwencje genów kodujących enzym u każdego szczepu są inne; z upływem czasu uległy silnemu zróżnicowaniu. Wiemy jednak, że sekwencje obu tych genów wywodzą się od wspólnego przodka. Znamy bowiem wiele „pośrednich” wersji genu syntazy cytrynianowej występujących u bakterii żyjących w bardziej umiarkowanych warunkach. I to właściwie wszystko, czego możemy dowiedzieć się na podstawie różnic w sekwencji poszczególnych genów. Pojawiły się, ponieważ warunki, w których występują różne szczepy bakterii, są inne – abstrakcyjna, teoretyczna i dwuwymiarowa to wiedza.
Lecz spójrzmy teraz na przestrzenną budowę tych dwóch enzymów, przekłutych na wylot wiązką promieni rentgenowskich i odcyfrowaną dzięki niezwykłemu postępowi w krystalografii. Obie struktury są tak podobne, że można by je na siebie nałożyć; każda fałda i bruzda, każdy występ i wgłębienie ma swoje odzwierciedlenie we wszystkich trzech wymiarach. Niewprawne oko mogłoby ich nie odróżnić. Innymi słowy, pomimo wymiany wielkiej liczby cegiełek, kształt i struktura molekuły – a tym samym jej funkcja – została zachowana w toku ewolucji, niczym katedra wyciosana z kamienia, przebudowana od środka tak, że kamienne bloki sukcesywnie zastąpiono cegłami, ale wspaniała bryła konstrukcji nie uległa zmianie. I tu kolejne objawienie. Które z cegiełek zostały zastąpione, i dlaczego właśnie te? W przypadku bakterii z supergorących kominów głębinowych, enzym jest tak sztywny, jak to tylko możliwe. Jego składowe są połączone bardzo ściśle poprzez wewnętrzne wiązania odgrywające rolę cementu i utrzymujące strukturę w stanie nienaruszonym nawet podczas turbulencji wywołanych napływem dużej ilości energii z gorących źródeł. Oto katedra zbudowana tak, by przetrwać niekończące się trzęsienia ziemi. Jednak gdy wokół jest lód, sytuacja się odwraca. Teraz budulec jest elastyczny, umożliwia ruch nawet w czasie mrozu. W ściany katedry wbudowano wszędzie łożyska kulkowe. Rzućmy okiem na efektywność działania – kiedy temperatura otoczenia to 6°C, „zimna” wersja enzymu działa 29 razy szybciej niż „ciepła”; podkręćmy jednak temperaturę do 100°C, a rozpadnie się on na kawałeczki.
Dopiero teraz widzimy w kolorach i trzech wymiarach. Zmiany w sekwencji genów nagle nabrały sensu: służą zachowaniu funkcji enzymu w skrajnie różnych warunkach. Dostrzegamy, co naprawdę wydarzyło się podczas ewolucji, i dlaczego. To już nie podejrzenie, ale rzeczywiste rozumienie przyczyn i skutków.
Podobnie jasne wnioski o tym, co się właściwie wydarzyło, możemy wyciągnąć dzięki rozmaitym wyspecjalizowanym gałęziom wiedzy. Genomika komparatywna umożliwia nam porównywanie nie tylko poszczególnych genów, lecz całych genomów, tysięcy genów równocześnie u setek różnych gatunków. I znowu, wszystko to stało się nam dostępne w ciągu kilku ostatnich lat, gdy znacząco wzrosła liczba zsekwencjonowanych genomów. Proteomika daje nam możliwość uchwycenia aktywności wszystkich białek w komórce w wybranym przez nas momencie i zrozumienia, w jaki sposób zarządza nimi niewielka liczba genów regulatorowych, zachowanych przez eony ewolucji. Biologia obliczeniowa umożliwia nam identyfikację określonych kształtów i struktur; motywów białkowych, zakonserwowanych mimo różnic w sekwencji kodujących je genów. Izotopowe analizy skał oraz skamieniałości ułatwiają nam zrekonstruowanie przebiegu zmian w atmosferze i klimacie. Techniki obrazowania ukazują nam pracę neuronów w żywym, myślącym mózgu, a także trójwymiarową strukturę mikroskopijnych skamieniałości wciąż zamkniętych wewnątrz skał. I tak dalej.
Żadna z tych technik nie jest nowa. Zupełnie nowe jest jednak ich wyrafinowanie, szybkość działania i dostępność. Tak jak to było w przypadku „Projektu poznania ludzkiego genomu”, który osiągnął swoje crescendo znacznie wcześniej, niż było to planowane, prędkość, z jaką powiększa się nasz zasób danych, może przyprawić o zawrót głowy. Duża część tych informacji nie jest spisana w klasycznych językach genetyki populacyjnej i paleontologii, lecz raczej w języku kształtów cząsteczek, czyli na poziomie, gdzie w przyrodzie tak naprawdę następują zmiany. Wraz z pojawieniem się tych odnowionych technik narodził się nowy typ naukowca ewolucjonisty – zdolnego obserwować działanie ewolucji „na żywo”. Obraz, który dzięki nim się wyłania, zapiera dech w piersi bogactwem szczegółów i perspektywą: od szczegółów na poziomie atomowym do wielkości wyrażanych w skali planetarnej. Oto dlaczego napisałem wcześniej, że po raz pierwszy w historii wiemy. Oczywiście, znacząca część tej stale przyrastającej wiedzy jest tymczasowa; wciąż jednak ważna i intrygująca. Wspaniale jest żyć w czasach, gdy wiemy już tak dużo – a przecież możemy się spodziewać, że wkrótce dowiemy się jeszcze więcej.
(…)