Zaskakujące podejście do złożoności biologicznej i niedarwinowskie ujęcie ewolucji w książce Jamesa Shapiro “Evolution: A View from the 21st Century” [Teoria ewolucji z perspektywy XXI wieku]Czas czytania: 17 min

James A. Shapiro, biolog molekularny z University of Chicago, nie jest zwolennikiem teorii inteligentnego projektu (ID). Jest ewolucjonistą. Jednak jego nowa książka Evolution: A View from the 21st Century [Teoria ewolucji z perspektywy XXI wieku] to pozycja obowiązkowa dla tych sympatyków teorii ID, którzy interesują się zagadnieniem złożoności biologicznej.

Shapiro nie popiera klasycznego już neodarwinowskiego modelu ewolucji. Jego zdaniem organizmy biologiczne są w pewnym sensie zaprogramowane do zmiany, a sam proces programowania powstał zasadniczo wskutek działania mechanizmów darwinowskich – nieukierunkowanych mutacji utrwalanych na drodze doboru naturalnego. Jednocześnie uważa, że funkcjonujące już programowanie miałoby napędzać kolejne zmiany ewolucyjne zarówno u prokariotów, jak i eukariotów.

Pora na zmianę

Mimo że Sheryl Crow nie jest ekspertką w sprawach nauki (ktoś pamięta wypowiedź artystki na temat papieru toaletowego?¹), to tytułowe hasło jej piosenki A Change Would Do You Good [Pora na zmianę] trafnie ujmuje model ewolucyjny Jamesa Shapiro. Na pytanie zadane na wstępie książki: „Jak powstają nowe cechy na drodze ewolucji?” biolog odpowiada, że „Innowacja, a nie selekcja, jest kluczowym czynnikiem ewolucyjnej zmiany. Bez zmienności i nowości, dobór jest bezrobotny”². Ale jak wyglądają początki tych zmian?

Według Shapiro, argumentacja ewolucjonistów o „niezliczonych, losowych i drobnych zmianach zachodzących w dłuższym czasie”, które są „niezamierzone i losowe wobec biologicznej funkcji lub potrzeby”, pojawiła się w reakcji na „nieodpartą potrzebę odrzucenia idei nadprzyrodzonej interwencji”³. Biolog uważa, że pogląd o tym, że „mutacje są niezamierzone i stochastyczne”, jest wciąż dominujący i powszechnie akceptowany⁴.

Shapiro chce jednak wskrzesić ideę ewolucji celowej, gdzie nowość i zmienność nie są generowane losowo w stosunku do potrzeb biologicznych, ale organizmy same uruchamiają mechanizmy powodujące zmiany genetyczne i epigenetyczne w czasie, gdy „pora na zmianę”. Przyjmuje takie stanowisko, ponieważ (1) współczesna biologia odkryła różne mechanizmy, dzięki którym organizmy mogą „modyfikować” swoje genomy, zwłaszcza w odpowiedzi na stres środowiskowy, oraz dlatego że (2) informacje na temat wielu biologicznych szlaków i struktur wydają się stać w sprzeczności z ideą stopniowo zachodzącej ewolucji, o czym pisał Darwin. Shapiro wyjaśnia – po pierwsze:

Niestety, nieodparta potrzeba odrzucenia idei nadprzyrodzonej interwencji doprowadziła do tego, że pionierzy ewolucjonistyczni wprowadzili a priori rozróżnienie filozoficzne między „ślepymi” procesami dziedzicznej zmienności a innymi funkcjami adaptacyjnymi. Zdolność do zmiany jest sama w sobie adaptacyjna. Z czasem warunki nieuchronnie się zmieniają, a organizmy, które najskuteczniej uzyskują nowe, dziedziczne cechy, mają największą szansę na przetrwanie. Zdolność organizmów żywych do modyfikowania własnego genomu i sposobu dziedziczenia jest niezaprzeczalna. Nasze obecne wyobrażenia o ewolucji muszą uwzględniać tę podstawową prawdę o życiu⁵.

Po drugie:

Czy sekwencje dzisiejszych genomów odpowiadają przewidywanym zmianom, które miały zajść wskutek „licznych, następujących po sobie, niewielkich modyfikacji”, jak stwierdził Darwin, czy też dostarczają świadectw na rzecz istnienia innych, gwałtowniejszych procesów, jak zapewnia wielu badaczy? Dane zdecydowanie przemawiają na korzyść szkoły saltacjonistycznej, która postulowała większe zmiany genomowe w kluczowych momentach ewolucji. […] Niewiele danych empirycznych jednoznacznie przemawia za teorią, że ewolucja zachodzi poprzez stopniowe nagromadzenie „licznych, następujących po sobie, niewielkich modyfikacji”⁶.

W swojej książce Shapiro przejrzyście (choć momentami w sposób nazbyt specjalistyczny) objaśnia najnowsze odkrycia z zakresu złożoności komórkowej – która w opinii wielu naukowców popierających teorię ID przeciwstawia się klasycznemu darwinowskiemu wyjaśnieniu. Niezależnie od tego, czy Shapiro zrobił to umyślnie (a jestem pewien, że nie), to jego zaskakujące opisy biochemicznej złożoności i skomplikowanych szlaków regulacji komórkowej dostarczają przekonujących argumentów na rzecz biologicznego precyzyjnego dostrojenia, które wskazuje na inteligentny projekt. Na przykład:

Jednym z największych paradoksów naukowych ubiegłego wieku było to, jak biologia molekularna, której pionierzy oczekiwali, że zapewni solidną chemiczną i fizyczną podstawę do zrozumienia życia, zamiast tego ujawniła rozbudowane sieci sensoryczne i komunikacyjne niezbędne do wszystkich procesów życiowych, takich jak metabolizm, wzrost, cykl komórkowy, różnicowanie komórek i wielokomórkowa morfogeneza. […] Badacze nauk o życiu współpracowali z przedstawicielami innych dyscyplin, aby stawić czoło zagadnieniom pozyskiwania, przetwarzania i przekazywania informacji, które warunkują prawidłowe działanie złożonych systemów biologicznych⁷.

Genomy są kluczowymi, skomplikowanymi strukturami, które przechowują informację genetyczną i stanowią integralną część komórkowych i wielokomórkowych cyklów życiowych każdego odrębnego organizmu. Patrząc na genomy z perspektywy informatycznej, inżynieria systemów wydaje się lepszą metaforą procesu ewolucyjnego niż klasyczne jego ujęcie, gdzie ewolucję postrzega się jako selekcyjnie uwarunkowany bezładny marsz przez bezgraniczną przestrzeń możliwych konfiguracji DNA⁸.

Im dłużej badamy interakcje procesów komórkowych, tym bardziej zdajemy sobie sprawę, że są to procesy bardzo złożone i obejmujące wiele cząsteczek. Większość biologów przyznaje, że w zakresie biologii systemów wciąż jesteśmy w fazie badań. Chociaż termin biologia systemów jest różnie interpretowany, powszechnie uważa się, że kryje się za nim nauka o tym, jak grupy cząsteczek działają w sposób skoordynowany (jako system), aby w zależności od warunków spełnić jakąś użyteczną funkcję. Do przeszłości należy już atomistyczny pogląd, że molekuły działają niezależnie i automatycznie⁹.

Podjęto wiele prób, aby za pomocą semiotyki czy lingwistyki opisać komórkowe przetwarzanie informacji¹⁰.

Rozważania biologa nad biochemicznymi mechanizmami regulującymi poprawność replikacji DNA demonstrują złożoność podstawowych systemów biologicznych, którą neodarwiniści często biorą za pewnik.

Możemy zobrazować ten dwupoziomowy system naprawy jako odpowiednik procesu kontroli jakości produkcji w fabrykach postawionych przez człowieka. W jednym i drugim przypadku mamy do czynienia z procesem, gdzie główną rolę odgrywają raczej nadzór i korekta (procesy poznawcze) aniżeli mechaniczna precyzja. Wielostopniowy charakter naprawy jest typowy dla wielu procesów kontrolnych w komórkach, gdzie ostateczna precyzja jest osiągana przy sekwencji dwóch lub więcej interakcji, z których każda z osobna jest mniej precyzyjna. W tym kontekście najbliższymi modelami cybernetycznymi są systemy regulacji w logice rozmytej. W systemach tego rodzaju właściwa regulacja zachodzi poprzez nakładanie na siebie wielu nieprecyzyjnych („rozmytych”) sprzężeń zwrotnych zorganizowanych tak, aby każde kolejne działanie przekładało się na większą precyzję¹¹.

Dobór naturalny zastąpiony przez „sieci kognitywne” i „samomodyfikację”

Shapiro w swoim modelu ewolucji zamiast „stopniowej selekcji miejscowo występujących losowych zmian” proponuje twierdzenie o „nagłej restrukturyzacji genomu przez systemy komórkowe, które podlegają wpływowi sieci sensorycznej […]. Pozwala to na zastąpienie »niewidzialnych rąk« czasu geologicznego i selekcji naturalnej sieciami kognitywnymi i komórkowymi funkcjami samomodyfikacji”¹².

Shapiro uważa, że spora część biologicznej złożoności powstaje nie przez nagromadzenie „losowych” mutacji, ale ukierunkowaną mutagenezę genomu, często w odpowiedzi na środowiskowe źródła stresu. Biolog podaje wiele przykładów na to, jak organizmy posługują się tym, co nazywa „komórkową regulacją naturalnej inżynierii genetycznej”¹³, aby zreorganizować genom w obliczu stresu. Na przykład:

W wywołanych głodem przekształceniach genomu, które badałem w latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych, liczba zmian za pośrednictwem transpozonów zwiększyła się o co najmniej pięć rzędów wielkości (to znaczy ponad 100 000 razy). Nastąpiła zmiana od stanu niewykrywalności rearanżacji genomu u 1010 komórek bakterii rosnących w normalnych warunkach do więcej niż jednej na 105 komórek bakteryjnych hodowanych na podłożach ubogich¹⁴.

Według biologa takie procesy świadczą o tym, że „komórka modyfikuje swój genom”¹⁵, gdy jest to konieczne.

Ale jak powstało to, co Shapiro uznaje za zdolności „naturalnej inżynierii genetycznej”? Nasuwają się trzy pytania, z którymi biolog musi się zmierzyć:

1) Czy model Jamesa Shapiro naprawdę odrzuca darwinowską teorię ewolucji i ideę losowej zmienności?

2) Czy możemy wyjaśnić pochodzenie mechanizmów „samomodyfikacji”?

3) Czy mechanizmy „samomodyfikacji” mogą wyjaśnić wyraźną złożoność biologiczną?

Przyjrzyjmy się pokrótce tym pytaniom.

Pytanie 1. Czy model Shapiro całkowicie odrzuca darwinowską teorię ewolucji i ideę losowej zmienności?

Według biologa to, że pewne środowiskowe czynniki stresogenne mogą wywoływać mutacje w organizmach, świadczy o tym, że mutacje nie są „losowe”. Przez zwrot „nie są losowe” wyraża on stanowisko, że nie zgadza się z klasycznym darwinowskim ujęciem, iż zmienność powstaje „ślepo”, bez względu na potrzeby organizmu. Dostrzegam tu dwa problemy.

Po pierwsze, w ścisłym znaczeniu, nawet w modelu Jamesa Shapiro niektóre z tych mechanizmów zmienności wciąż zawierają element losowy. W niektórych przykładach opisuje on mutacje, które zachodzą nieprzypadkowo. Podczas gdy te mutacje nie są całkowicie losowe, to ich efekty mogą wciąż być w ścisłym znaczeniu „przypadkowe” w stosunku do potrzeb organizmu. Chociażby w powyższym przykładzie z transpozonami, kiedy bakterie w odpowiedzi na stres zwiększają częstotliwość zmian za pośrednictwem transpozonów. Jak zauważa Shapiro, niektóre z transpozonów mają zastosowanie „praktycznie wszechobecne w całym genomie”¹⁶. Innym razem zwraca on uwagę na to, co nazywa „ogólną integracją liniową”¹⁷. Nadzieja w tym, że niektóre ze zmian skutkują korzystnymi rezultatami i zostaną utrwalone i przekazane następnym pokoleniom. Ale w ścisłym znaczeniu przypomina to proces selekcji darwinowskiej, działający przy użyciu metody prób i błędów, gdzie nie wszystkie zmiany są adaptacyjne. Widać to bardzo wyraźnie, gdy biolog wyjaśnia, że w jego modelu „rolą selekcji jest wyeliminowanie ewolucyjnych nowości, które są niefunkcjonalne i nie odpowiadają potrzebom adaptacyjnym”¹⁸.

Choć na 130 stronie swego dzieła Shapiro zaznacza, że wiele z omawianych przez niego mechanizmów daje większe „prawdopodobieństwo sukcesu” niż zwykłe mutacje punktowe, to wciąż mamy do czynienia z procesem prób i błędów, gdzie zmienność powstaje losowo i bez względu na potrzeby organizmu. Nadzieja w tym, że niektóre ze zmian zostaną utrwalone.

Część mechanizmów przytoczonych przez biologa działa analogicznie do małp posadzonych przed maszynami do pisania – nie muszą pisać cały czas, ale są gotowe, by zacząć w dowolnym momencie. Owe piszące małpy mogą nieprzypadkowo otrzymać „zielone światło do działania”, kiedy nadejdzie odpowiedni moment i pojawi się potrzeba wystukiwania liter. Nie ma jednak gwarancji, że wynikiem ich losowych uderzeń będzie sensowny list.

Po drugie, choć Shapiro nie zapewnia konkretnej odpowiedzi na pytanie pierwsze, to wydaje się, że jego model nadal wymaga klasycznie rozumianej losowej mutacji i selekcji naturalnej, aby wyjaśnić, jak w ogóle powstała sama „zdolność do zmiany”.

Shapiro przekonująco argumentuje, że „zdolność do zmiany jest sama w sobie adaptacyjna”, a zatem jest cechą podlegającą selekcji. Ale jego argumentacja pokazuje, że na pewnym etapie należy się odwołać do darwinowskiej ewolucji i koncepcji losowej zmiany, aby wyjaśnić pochodzenie zdolności do zmiany. Bądź co bądź Shapiro nie może wyjaśnić pochodzenia mechanizmów ukierunkowanej zmiany, odwołując się właśnie do tych mechanizmów, które mają być przedmiotem wyjaśnienia; mechanizmy te nie mogły wytworzyć się samoistnie, musiały mieć jakieś źródło. Zgodnie z modelem Shapiro, w różnych okolicznościach zdolność do zmiany musiała pojawiać się przypadkowo, aby następnie zachować się poprzez działanie doboru naturalnego. W niezaprojektowanym świecie Shapiro nie ma sposobu, by ostatecznie oddzielić proces ewolucyjny od losowości, ponieważ w pewnym momencie zdolność do zmiany pojawiła się przypadkowo i na oślep, bez względu na potrzeby organizmu.

Tutaj Shapiro wydaje się natrafiać na problem. Nie chce on polegać na ślepych i losowych mechanizmach ewolucji, ponieważ systemy biologiczne wydają się po prostu zbyt złożone, by mogły powstać w taki sposób. A jeżeli biolog odrzuca taką możliwość, to zostaje on zmuszony do przyjęcia teorii inteligentnego projektu – czyli dokładnie tego, czego nie chce przyjąć. W pewnym sensie teza Shapiro nie różni się od propozycji neodarwinistów, ponieważ rozważa on wyselekcjonowaną cechę w kategoriach „zdolności do zmiany”, a nie „samej zmiany”.

Pytanie 2. Czy możemy wyjaśnić pochodzenie mechanizmów „samomodyfikacji”?

Jeśli finalna wersja złożonych „celowych” systemów wymaga do ich wytworzenia nielosowych procesów „inżynierii genetycznej”, to czy jest sens utrzymywać, że procesy, które doprowadziły do powstania tych systemów, mają całkowicie losowe i nieukierunkowane pochodzenie?

Shapiro jest w pełni świadomy tego problemu, skoro pisze:

Zwrot „naturalna inżynieria genetyczna” stał się problematyczny dla wielu naukowców, bo według nich jest on zgodny z teorią inteligentnego projektu. Jak ujął to jeden z laureatów Nagrody Nobla po odbytym seminarium: „Jeśli istnieje naturalna inżynieria genetyczna, oznacza to, że istnieje też inżynier”. Ta mająca empiryczne podłoże koncepcja wydaje się według wielu naukowców naruszać zasady naturalizmu, które wykluczają jakąkolwiek wiodącą rolę inteligencji pochodzącej spoza świata przyrody¹⁹.

Ewidentnie widmo teorii inteligentnego projektu prześladuje biologa, gdy zwraca się on do innych naukowców. Ale wyjaśnienie Jamesa Shapiro, dlaczego teoria ID jest zbędna dla jego argumentacji, sprowadza się do stwierdzenia, że naturalne zasady inżynierii genetycznej zapewniłyby „wyraźną przewagę ewolucyjną”²⁰. Tutaj Shapiro ignoruje własną radę.

Chociaż zdolność do zmiany może być korzystna i „podlegać selekcji” – jak zaznacza na wstępie swojej książki Shapiro – to jest to zbyt mało, aby wyjaśnić jej pochodzenie. Dlatego, jak widzieliśmy wcześniej, biolog podkreśla, że selekcja może jedynie zachować nowość uzyskaną na drodze mutacji. Shapiro jednak nawet nie próbuje wyjaśnić, w jaki sposób złożone zdolności do zmiany – według niego składające się na system „sieci kognitywnych i funkcje komórkowe do samomodyfikacji” – miałyby zostać wytworzone przez losowe mutacje, które selekcja mogłaby następnie utrwalić.

Truizmem jest stwierdzenie, że nie było żadnych mechanizmów „naturalnej inżynierii genetycznej” przed tym, jak zdołały one wyewoluować. Zatem Shapiro musi bazować na bardziej prymitywnych i mniej radykalnych mechanizmach darwinowskiej teorii ewolucji, aby wyjaśnić, jak mechanizmy te zyskały zdolność do działań typu „wstawianie elementów cis regulacyjnych transkrypcję białek i zamiana sekwencji kodujących […] jednocześnie w więcej niż jednym miejscu genu w chromosomie kodującym funkcjonalnie powiązane białka”²¹. Oczywiście, precyzja tych procesów może w pewnych przypadkach zapewnić przewagę selekcyjną, ale Shapiro nie pokazał, jak zdolność do realizacji tak złożonej naturalnej inżynierii genetycznej mogłaby wyewoluować poprzez stopniową, ślepą i niekierowaną ewolucję.

Zgodnie z modelem Shapiro systemy biologiczne do pewnego stopnia działają w sposób „celowy”²², a nawet można powiedzieć „teleologiczny”²³. Ostatecznie jednak biologowi nie uda się uciec od jednego zasadniczego problemu: procesy celowe nie mogą powstać z procesów losowych; celowo zorientowane systemy biologiczne od samego początku wymagałyby celowej przyczyny.

Pytanie 3. Czy mechanizmy „samomodyfikacji” mogą wyjaśnić wyraźną złożoność biologiczną?

Shapiro zapewnił doskonały opis mechanizmów nielosowych genetycznych i epigenetycznych zmian biologicznych, które są w pełni zgodne z teorią ID. Dla przykładu rozważmy następujące twierdzenie biologa:

Zwykle do uzyskania określonej cechy fenotypowej konieczna jest skoordynowana integracja ekspresji różnych części genomu. Ta integracja regulacyjna jest często osiągana poprzez ponowne wykorzystywanie tych samych centrów aktywnych w różnych miejscach genomu²⁴.

Ale jak te miejsca wiązania mogą być ponownie wykorzystane w różnych lokalizacjach?

W materialistycznym ujęciu Shapiro samo istnienie tych skoordynowanych systemów jest traktowane jako świadectwo tego, że transkrypcyjne obwody regulujące „mogą być łatwo wytwarzane i rozkładane”. Gdy wiele różnych elementów genomu musi być skoordynowanych, aby wytworzyć takie nowe cechy, czy nie jest to jednoznaczne z tym, że formowanie tych cech jest w rzeczywistości bardzo skomplikowane? Czy mechanizmy „samomodyfikacji”, które przywołuje Shapiro, zawsze są w stanie sprostać zadaniom, które im przypisuje, czy też traktuje on samo ich istnienie jako świadectwo tego, że muszą być zdolne do skonstruowania obserwowanych cech?

Zapytam inaczej: czy fakt, że Shapiro woli opisywać proces ewolucji raczej jako „inżynierię” niż „majsterkowanie”, wynika z jego obserwacji i opisu fizycznych mechanizmów, które rzeczywiście mogą „zaprojektować” genom, czy dlatego, że zaobserwował w przyrodzie cechy, których powstanie wymaga inżynierii?

W końcu wiele z „rearanżacji spowodowanych naturalną inżynierią genetyczną”, które on przytacza, obejmuje takie obserwacje jak na przykład „powiązanie fragmentów LINE1 z delecjami w ludzkim genomie lub „połączenie inwersji z powtórzeniami L1”²⁵. Bez wątpienia są to trafne obserwacje, ale czy jest to świadectwo tego, że jakiś złożony mechanizm mutacyjny może wytworzyć (i wytworzył) nowe cechy poprzez koordynację wielu części genomu?

Pomysły Jamesa Shapiro są z pewnością interesujące, ale jego twierdzenie, że złożone mechanizmy mutacyjne – takie jak „horyzontalny transfer genów, przemieszczenie transpozonów na skutek rearanżacji chromosomu, duplikacja całego genomu i fuzja komórek” – mogą spontanicznie wywołać bardzo złożone cechy, nie jest wystarczająco uzasadnione. Wiele jest tutaj spekulacji, czy też nieadekwatnych interpretacji, jak na przykład ta, że „zmiana domeny białka”²⁶ nie może wyjaśnić pochodzenia samej domeny.

Nieszablonowe poglądy

Jestem pewien, że Shapiro nie zgodziłby się z dużą częścią tego, co tutaj napisałem. Ostatecznie należy pochwalić biologa za wykraczające poza schemat poglądy. Rozumie on, z czym wiąże się stawianie śmiałych tez, które zaburzają ustalony porządek.

Powszechny odruch zwolenników danego ujęcia polega na tym, aby uznać za „niemożliwe” to, co niezgodne z założeniami przyjętej teorii lub z uprzedzeniami uczonych przyjmujących określony pogląd. Ponieważ w interesie nauki leży to, aby rozważać idee uważane wcześniej za niemożliwe, należy wystrzegać się nadmiernych uogólnień, bo tylko w ten sposób możemy sprawić, że nasze poglądy pozostaną świeże, kreatywne i otwarte, a nie sztywne i zamknięte²⁷.

Z tymi słowami zwolennicy teorii ID z pewnością mogą się zgodzić.

Casey Luskin

Oryginał: James Shapiro’s “Evolution: A View from the 21st Century” Offers a Stunning Look at Biological Complexity and Non-Darwinian Evolution, „Evolution News & Science Today” 2011, August 29 [dostęp 19 X 2021].

Przekład z języka angielskiego: Szymon Flis

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 19.10.2021