Na straży biologicznego porządku

W „Samolubnym genie” Richard Dawkins pisze, że darwinowska teoria ewolucji „pokazuje sposób, w jaki prostota może się zmienić w złożoność, jak nieuporządkowane atomy mogą grupować się w coraz to bardziej skomplikowane twory, by doprowadzić w końcu do powstania człowieka”. Wzrost złożoności, tak doskonale widoczny w historii ewolucyjnej naszego gatunku, nie jest jednak zawsze konsekwencją procesu ewolucji. W przyrodzie występuje wiele organizmów – takich jak np. łodziki – zachowujących swoją relatywnie prostą formę od bardzo długiego okresu. Współczesne gatunki tego morskiego głowonoga nie różnią się spektakularnie od własnych przodków sprzed ponad stu milionów lat (podczas gdy nasi przodkowie 80 mln lat temu przypominali szczury, które nieśmiało zaczęły wdrapywać się na drzewa). Łodziki mogły pozwolić sobie na konserwatywne trwanie w swojej dostosowanej formie, ponieważ ich środowisko życia – dość głębokie wody mórz i oceanów – jest znacznie bardziej stabilne niż choćby środowisko życia istot lądowych. Zabrakło wystarczająco silnych presji selekcyjnych, które wymusiłyby na łodzikach ewolucyjną zmianę (albo doprowadziły do ich całkowitego wyginięcia).
Od replikatora do komórki
Przetrwanie dostosowanych organizmów to szczególny przypadek bardziej ogólnej prawidłowości, którą określić można jako „przetrwanie stabilnych”. Zgodnie z nią atomy nie trwają w chaosie, ale układają się w stabilne struktury. Taką strukturą jest np. cząsteczka białka obecna w naszej krwi, czyli złożona z 574 cząsteczek aminokwasów hemoglobina. Gdy spojrzymy na przestrzenny model cząsteczki hemoglobiny, zobaczymy złożoną z czterech łańcuchów strukturę przypominającą krzew, kopiowaną z ogromną wiernością miliardy razy w naszych ciałach. Nie ma tu miejsca na dowolność. Aby mogła pełnić swoją funkcję, hemoglobina musi być odpowiednio uporządkowana. Jak jednak powstały takie stabilne, powielające się struktury biologiczne? Nie mamy pewności, ale prawdopodobnie rzeczywisty bieg wypadków przypomina następujący scenariusz.
Zacznijmy od mitologicznego stwierdzenia, że „na początku był chaos”, albo popularnonaukowego, że „na początku był pierwotny bulion”. Jeśli atomy na drodze przypadkowych zmian konfiguracji stworzyły stabilne struktury, przejawiały tendencje do trwania w niezmienionym kształcie. Jeśli struktury nie były wystarczająco stabilne, nie utrzymywały się. Proces taki ma jednak swoje ograniczenia – może doprowadzić do powstania cząsteczek złożonych z dziesiątek atomów, tymczasem komórki i złożone z nich organizmy, takie jak my sami, zawierają wręcz niewyobrażalną liczbę atomów. Jak możliwe jest ich odpowiednie uporządkowanie?
Jednym z możliwych rozwiązań tej zagadki jest przypadkowe powstanie cząsteczki o szczególnej własności – zdolności do tworzenia własnych kopii (dzięki przyłączaniu w odpowiednich konfiguracji atomów pływających w pierwotnym bulionie). Takie cząsteczki – Dawkins nazywa je „replikatorami” – mogły tworzyć całe populacje swoich kopii. Nie musiały wcale kopiować się ze stuprocentową dokładnością. W tym procesie mogły pojawiać się błędy, podobnie jak w przypadku kserowania dokumentu na przestarzałej kopiarce albo staroświeckiej metody ręcznego przepisywania ksiąg. Niektóre błędy mogły prowadzić do powstawania kopii, które nie mogły replikować się dalej – takie cząsteczki odpadały z wyścigu reprodukcyjnego na starcie. Ale inne błędy mogły zrodzić ulepszone replikatory, częściej pozostawiające swoje wierne, lub niemal wierne, kopie. W konsekwencji w królestwie replikatorów narodziła się różnorodność i pojawiła konkurencja, a więc uruchomione zostały darwinowskie mechanizmy. Ostatni etap wyścigu pierwotnych replikatorów mogły wygrać te cząstki, którym udało się „wynaleźć” białkową powłokę ochronną, rozpoczynając budowę swoich „maszyn przetrwania” – stabilnych struktur, które ułatwiały poruszanie się w pierwotnym bulionie i zostawianie własnych kopii. Nie wiemy, czy właśnie tak wyglądały narodziny życia i pierwszych komórek, ale na współczesne komórki – a także na całe złożone organizmy – można patrzeć jako na „maszyny przetrwania” współczesnych replikatorów, czyli genów.
Siła czy konsekwencja?
Intuicja Karola Darwina przedstawiona w 1859 r. w jego opus magnum „O powstawaniu gatunków” była niezwykle prosta, a zarazem – choć nie znał on genetyki – niezwykle celna. Jego zdaniem pewne cechy sprawiają, że posiadające je osobniki (niezależnie od tego, czy są to ludzie, sosny, grzyby czy pierwotne replikatory) z większym prawdopodobieństwem przeżyją dłużej i wydadzą większą liczbę potomstwa niż osobniki nieposiadające tych cech. Niektóre cechy dostosowują więc organizmy do środowiska w tym sensie, że wyposażone w nie osobniki lepiej radzą sobie ze zdobywaniem pokarmu, unikaniem naturalnych rywali czy pozyskiwaniem partnerów reprodukcyjnych. Choć interpretacja darwinizmu, zgodnie z którą dobór naturalny działa na poziomie osobników, wciąż przekazywana jest w szkołach i literaturze popularnej, we współczesnej – uwzględniającej genetykę – teorii ewolucji dobór naturalny definiowany jest jako zróżnicowane przeżywanie alternatywnych alleli (fragmentów DNA). Oznacza to, że allele, które tworzą większą liczbę własnych kopii, zastąpią swoich konkurentów w populacji. Kiedy to się dzieje?
Po pierwsze, by dobór mógł zachodzić, musi istnieć fenotypowa zmienność osobników tworzących populację. Nie chodzi tu tylko o cechy fizyczne, ale również predyspozycje do określonych zachowań i cechy psychiczne. Przykładowo ludzie różnią się nie tylko budową ciała, ale również zaradnością, skłonnością do pomagania innym, inteligencją, poziomem empatii czy samokontroli. Po drugie istnieć musi zróżnicowana reprodukcja, w tym sensie, że osobniki o pewnych cechach będą mieć rzeczywiste szanse na sukces reprodukcyjny. Wreszcie po trzecie, wspomniana zmienność fenotypowa musi być dziedziczna. O doborze naturalnym często myślimy jako o kosmicznej „sile” porządkującej przyrodę; niektórzy nawet mają skłonność do jego personifikowania. Ważne jest jednak, by uzmysłowić sobie, że jeśli spełnione są trzy powyższe warunki, dobór naturalny w świecie biologicznym zachodzi z konieczności. Nie jest on więc siłą, ale konsekwencją.
O ile dobór naturalny możemy sobie wyobrażać jako „silnik” ewolucji, o tyle „paliwem” dla ewolucyjnych zmian są mutacje genetyczne, czyli przypadkowe (losowe), niekierunkowe i nieprzewidywalne błędy w replikacji DNA. Co do zasady większość mutacji wpływa na organizm negatywnie (znajduje to swoje odzwierciedlenie w języku – „mutanty” nie kojarzą się nam dobrze) albo jest neutralna przystosowawczo. W tym miejscu wkracza jednak dobór naturalny, selekcjonujący mutacje ze względu na dostosowanie organizmu do środowiska. O ile mutacje nie mają żadnego „kierunku”, można powiedzieć, że są „chaotyczne”, o tyle dobór naturalny jest kierunkowy, gdyż promuje mutacje korzystne i wypiera bądź tłumi mutacje niekorzystne. „Silnik” ewolucji nie działa jednak w próżni: nie istnieje coś takiego jak „korzyść absolutna”. Korzyść zrelatywizowana jest zawsze do niszy środowiskowej, w której zamieszkuje organizm. Stąd też mówi się czasem, że dobór naturalny jest krótkowzroczny – selekcja mutacji zachodzi tylko ze względu na bieżące warunki, bo dobór nie potrafi „przewidzieć” zmian, jakie mogą zajść w środowisku.
Czy małpa może napisać „Hamleta”?
Przeciwnicy darwinizmu głoszą często pogląd, że samorzutny, a więc niekierowany nadprzyrodzoną siłą dobór naturalny nie może „wyprodukować” tak złożonych i uporządkowanych struktur jak ludzki mózg. Prawdopodobieństwo powstania ludzkiego mózgu przyrównują oni do prawdopodobieństwa napisania „Hamleta” albo „O powstawaniu gatunków” przez grupę szympansów wciskających losowo klawisze komputera. Oczywiście prawdopodobieństwo to oceniają oni – w jednym i drugim przypadku – jako bliskie zera.
Dobór naturalny, dzięki któremu z chaosu wyłania się porządek, działa jednak inaczej. Aby to zobrazować, Francisco Ayala w książce „Dar Karola Darwina dla nauki i religii” przeformułowuje powyższą antydarwinowską metaforę. Załóżmy, że istnieje promująca uporządkowanie procedura, która w trakcie przypadkowego stukania w klawiaturę wybiera sensowne ciągi znaków, takie jak „gatunek”, „mutacja” czy „organizm” (prawdopodobieństwo, że takie słowa pojawią się, gdy szympans będzie wystarczająco długo wciskał klawisze, jest większe niż prawdopodobieństwo pojawienia się całego „O powstawaniu gatunków”). Wyobraźmy sobie, że każde takie sensowne słowo zostaje następnie przypisane do jakiegoś klawisza innej maszyny. W ten sposób przy wystarczająco długim stukaniu w klawisze mogą powstać sensowne ciągi słów, a może nawet i zdania. Następnie te ostatnie zostają przypisane do kolejnej maszyny, na której czasami powstaną całe sensowne akapity, a te z kolei przypisujemy do klawiszy innej maszyny – i tak dalej. Ta metafora przekonuje, że jeśli istnieje procedura wyboru tego, co sensowne, możliwe jest pojawienie się uporządkowanych form, nawet gdy „dane na wejściu” są zupełnie chaotyczne.
O ile zasada „przetrwania stabilnych” jest wręcz tautologiczna, o tyle darwinowska zasada „przetrwania dostosowanych” nie jest jej prostym przeniesieniem do świata organicznego. Nisze środowiskowe, w których żyją organizmy, nie są „pierwotnym bulionem”, ale złożonymi strukturami, które zazwyczaj ulegają zmianom. Organizmy muszą za nimi nadążyć. I to pod presją czasu. Pewne mutacje okazują się szkodliwe, inne neutralne, a jeszcze inne lepiej dostosowują fenotyp do środowiska. Dobór naturalny wprowadza więc do przyrody nową jakość i nieustannie stoi na straży porządku, odsiewając zaburzające go niekorzystne mutacje. ©

KINGA WOŁOSZYN jest psychologiem, doktorantką w Zakładzie Psychofizjologii w Instytucie Psychologii UJ, współpracuje z Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych.
Dr MATEUSZ HOHOL jest kognitywistą, adiunktem w Zakładzie Logiki i Kognitywistyki IFiS PAN i członkiem Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych.