Dziesięć największych problemów naukowych teorii ewolucji biologicznej i chemicznej. Problem 4: dobór naturalny słabo radzi sobie z utrwalaniem korzystnych cech w populacjachCzas czytania: 11 min

Casey Luskin

2023-03-08
Dziesięć największych problemów naukowych teorii ewolucji biologicznej i chemicznej. Problem 4: dobór naturalny słabo radzi sobie z utrwalaniem korzystnych cech w populacjach<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">11</span> min </span>

Od redakcji Evolution News: jest to czwarty tekst w liczącej 10 tekstów serii opartej na artykule Caseya Luskina, zatytułowanym The Top Ten Scientific Problems with Biological and Chemical Evolution [Dziesięć największych problemów naukowych teorii ewolucji biologicznej i chemicznej] i opublikowanym w tomie More than Myth? [Więcej niż mit?], którego redaktorami są Paul Brown i Robert Stackpole (Chartwell Press, 2014).

 

W 2008 roku 16 biologów z całego świata zgromadziło się w austriackim Altenbergu, aby przedyskutować problemy współczesnego neodarwinowskiego modelu ewolucji. O tej konferencji, nazwanej Altenberg 16, napisano w czasopiśmie „Nature”, gdzie przytoczono między innymi następujące wypowiedzi czołowych naukowców:

  • „Powstanie skrzydeł i wyjście na ląd […] to zagadnienia, o których teoria ewolucji mówi nam niewiele”.
  • „Nie da się zaprzeczyć sile selekcji w ewolucji genetycznej […], ale według mnie za stabilizowanie i dostrajanie form odpowiadają inne procesy”.
  • „Nowoczesna synteza jest zdumiewająco dobra pod względem modelowania zjawiska przeżywania najlepiej przystosowanych, ale nie sposób za jej pomocą dobrze modelować procesu powstawania najlepiej przystosowanych”1.

W tekście omawiającym problem 3 dowiedzieliśmy się, że mutacje nie są w stanie tworzyć wielu złożonych cech organizmów żywych w realistycznej skali czasu ewolucyjnego2. Mutacje stanowią tylko część standardowego mechanizmu ewolucji – jego składową jest również dobór naturalny. Darwinowska teoria ewolucji nie tylko zwykle nie potrafi wyjaśnić „powstania najlepiej przystosowanych”, ale często słabo radzi sobie z wyjaśnieniem „przeżywania najlepiej przystosowanych” wskutek oddziaływania doboru naturalnego.

Biologowie ewolucyjni często zakładają, że kiedy już mutacje wytworzą nadającą przewagę funkcjonalną cechę, to łatwo się ona rozpowszechni (utrwali) w całej populacji dzięki oddziaływaniu doboru naturalnego. Wyobraźmy sobie na przykład populację lisów o rudym futrze żyjących w śnieżnym regionie. Jeden z lisów rodzi się z mutacją nadającą jego futru biały kolor. Ten osobnik ma teraz przewagę nad innymi – łatwiej może polować na zwierzynę i uciekać przed drapieżnikami, ponieważ białe futro zapewnia mu kamuflaż w śnieżnym środowisku. Biały lis przeżywa i przekazuje geny potomstwu, które również dobrze radzi sobie w walce o byt i pozostawienie potomstwa. Z upływem czasu ta cecha, czyli biały kolor futra, rozprzestrzenia się w całej populacji.

Tak to powinno się odbywać – przynajmniej w teorii. W rzeczywistym świecie samo powstanie cechy dającej przewagę funkcjonalną nie gwarantuje, że ona się utrzyma, czyli zostanie utrwalona. Lis o białym futrze mógłby na przykład potknąć się, złamać nogę i zostać pożarty przez drapieżnika, a więc nie przekazałby swoich genów. Losowe siły lub zdarzenia mogą stanąć na przeszkodzie rozprzestrzenieniu się cechy w populacji, nawet jeśli zapewnia ona przewagę. Te losowe siły określa się zbiorczo mianem dryfu genetycznego. Kiedy biologowie tworzą matematyczne modele doboru naturalnego, odkrywają, że jeżeli cecha nie nadaje skrajnie dużej przewagi selekcyjnej, to dryf genetyczny zwykle będzie przeważać nad siłą doboru naturalnego i uniemożliwi adaptacjom utrzymanie się w populacji.

Ten niedoceniany problem dostrzegli niektórzy biologowie ewolucyjni, sceptyczni wobec zdolności doboru naturalnego do napędzania procesu ewolucji. Jednym z tych naukowców jest Michael Lynch, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Indiany, który pisze, że „losowy dryf genetyczny może stanowić wielką przeszkodę na drodze do powstawania molekularnych ulepszeń wskutek działania procesów adaptacyjnych”3. Zauważył, że konsekwencją dryfu jest „skłonność do utrwalania łagodnie szkodliwych mutacji i niefaworyzowania mutacji korzystnych”4. Również Eugene Koonin, czołowy naukowiec w amerykańskich Narodowych Instytutach Zdrowia, wyjaśnia, że dryf genetyczny „skutkuje losowym utrwalaniem neutralnych lub nawet szkodliwych zmian”5.

 

Złożona redundancja

Lynch uważa, że istnieje wiele układów komórkowych, które pomagają organizmowi przetrwać, ale są redundantne. W związku z tym służą jako mechanizmy zapasowe używane jedynie wtedy, gdy zawiodą wysoce efektywne układy podstawowe. Ponieważ te układy są rzadko używane, więc tylko okazjonalnie przechodzą przez sito selekcji. Mogą być jednak skrajnie złożone i efektywne. Jak układ tak rzadko używany czy potrzebny wyłącznie okazjonalnie mógł wykształcić ewolucyjnie tak duży i efektywny stopień złożoności? Po opisaniu licznych „warstw” złożonych mechanizmów komórkowych, które biorą udział w takich procesach jak replikacja DNA, Lynch zaczął się zastanawiać:

Mimo że te wielopoziomowe linie obrony są ewidentnie korzystne i w wielu przypadkach istotne dla prawidłowego funkcjonowania komórki, to z racji małego prawdopodobieństwa jednoczesnego powstania wszystkich składników układu momentalnie nasuwa się kilka pytań. Jak selekcja może faworyzować tworzenie się dodatkowych warstw mechanizmów zwiększających stopień przystosowania, jeśli uprzednio istniejące podstawowe linie obrony są już dostatecznie dobre?6

Lynch nie uważa, że odpowiada za to dobór naturalny. W artykule opublikowanym w 2007 roku na łamach czasopisma „Proceedings of the National Academy of Sciences”, zatytułowanym The Frailty of Adaptive Hypotheses for the Origins of Organismal Complexity [Wątłość adaptacjonistycznych hipotez dotyczących powstania złożoności organizmów]7, wyjaśnia, że biologowie ewolucyjni „zastanawiają się, czy dobór naturalny jest siłą konieczną, czy tylko wystarczającą do wyjaśnienia powstania cech genomowych i komórkowych kluczowych do tworzenia złożonych organizmów”8. Podobna wypowiedź znajduje się w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Theoretical Biology and Medical Modelling”: „biologowie powinni realistycznie ocenić to, co w różnych okolicznościach jest możliwe wskutek działania doboru naturalnego. Selekcja może nie być ani konieczna, ani wystarczająca do wyjaśnienia licznych genomowych lub komórkowych cech złożonych organizmów”9. Lynch stawia sprawę jasno: „nie ma przekonujących świadectw empirycznych lub teoretycznych przemawiających za tym, że złożoność, modułowość, redundancja bądź inne cechy szlaków genetycznych są faworyzowane przez dobór naturalny”10.

 

Przeklęci zarówno ci, którzy powołują się na selekcję, jak i ci, którzy tego nie robią

W miejsce doboru naturalnego tacy biologowie ewolucyjni jak Lynch proponują jednak losowy dryf genetyczny, który ma wyjaśnić powstawanie złożonych cech biologicznych. Według Lyncha „wiele aspektów złożoności na poziomach genomowym, molekularnym i komórkowym u gatunków wielokomórkowych najprawdopodobniej zawdzięcza swoje powstanie tym nieadaptacyjnym siłom i stanowią one niewiele więcej niż bierne skutki […]”11. Przyznaje on jednak, że te „nieadaptacyjne siły ewolucji mają naturę stochastyczną”12.

Stochastyczny to – inaczej mówiąc – losowy. Czy jakaś czysto losowa siła – która nie ma żadnego powodu do zachowywania cech mogących zapewniać pewną przewagę – może wyjaśnić takie bardzo złożone cechy biologiczne jak replikacja DNA lub bioluminescencja, które wydają się precyzyjnie dostrojone do pełnienia użytecznych funkcji biologicznych? Biolożka Ann Gauger podchodzi do wyjaśnienia Lyncha sceptycznie, ponieważ według niej Lynch „w żaden sposób nie wyjaśnia, jak siły nieadaptacyjne są w stanie wytworzyć funkcjonalną złożoność genomową i organizmalną, jaką obserwujemy w przypadku współczesnych gatunków”13. Również Jerry Coyne wskazuje na podstawową słabość hipotez powołujących się na dryf genetyczny:

Zarówno dryf, jak i dobór naturalny prowadzą do zmian genetycznych, które uznajemy za ewolucyjne. Jest jednak między nimi zasadnicza różnica. Dryf to proces losowy, natomiast dobór jest zaprzeczeniem losowości. […] Jako proces czysto losowy, dryf genetyczny nie może prowadzić do powstania adaptacji drogą ewolucyjną. Nie jest zdolny do wytworzenia skrzydła czy oka. Tego dokonuje nielosowy dobór naturalny. Dryf może natomiast spowodować wyewoluowanie cech, które nie są dla organizmu ani korzystne, ani szkodliwe14.

Coyne zauważył ponadto: „Znaczenie tego czynnika w ewolucji jest jednak zapewne znikome, gdyż nie może on konkurować z doborem w kształtowaniu korzystnych cech organizmów. Dobór naturalny pozostaje więc jedynym procesem odpowiedzialnym za adaptacje”15. Zgadzając się jednak w pewnym sensie z Lynchem, uznaje on nawet, że „dryf jest nie tylko bezsilny, gdy chodzi o tworzenie adaptacji, lecz może wręcz przeważać nad doborem naturalnym”16.

Debata na temat tego, czy to dobór naturalny, czy jednak dryf genetyczny stanowi ważniejszy czynnik w ewolucji, niewątpliwie będzie trwała nadal. Niemniej nie ma zbyt wielu powodów, by sądzić, że niezależnie od tego, która strona zwycięży w tym sporze, uda się zaoferować jakieś przekonujące materialistyczne rozwiązanie. Biologia ewolucyjna znajduje się obecnie w sytuacji bez wyjścia:

  • Dobór naturalny jest zbyt mało wydajnym mechanizmem, by przeważyć nad siłami losowymi i utrwalić tego rodzaju złożone adaptacje, jakie obserwujemy w populacjach, ponieważ łatwo przeważają nad nim takie losowe siły jak dryf genetyczny.
  • Świat ożywiony jest pełny bardzo złożonych i efektywnych adaptacji, ale losowy dryf genetyczny nie oferuje żadnego zasadnego powodu, by sądzić, że cokolwiek będzie faworyzowało powstanie takich cech.

W gruncie rzeczy powoływanie się na dryf genetyczny przypomina odwoływanie się do mechanizmu „mutacji i selekcji”, tyle że z całkowitym pominięciem selekcji. W związku z tym dryf napotyka takie same trudności jak te omówione w tekście na temat problemu 3, gdzie wykazałem, że losowe mutacje nie są w stanie tworzyć takich cech biochemicznych jak funkcjonalne białka bądź proste interakcje między białkami, ponieważ wytworzenie tych cech wymaga nastąpienia wielu skoordynowanych mutacji17. Przy braku selekcji nie ma żadnego powodu, by same losowe mutacje – czy dryf genetyczny – tworzyły cokolwiek użytecznego.

Niestety, społeczeństwo rzadko jest informowane o tych problemach bądź o tej debacie. Według Lyncha dobór naturalny zwykle przedstawia się jako „wszechpotężny (choć nie przemawiają za tym żadne dane empiryczne)”18 mechanizm, który potrafi tworzyć złożone cechy biologiczne. Biolog ostrzega, że „mit, zgodnie z którym całą ewolucję można wyjaśnić przez odwołanie do adaptacji, nadal utrwala literatura popularna, w której bezustannie składa się wyrazy uznania dla dzieła Darwina”19. W rzeczywistości ani takie nielosowe siły jak dobór naturalny, ani takie siły losowe jak dryf genetyczny nie są w stanie wyjaśnić powstania wielu złożonych cech biologicznych.

Casey Luskin

Oryginał: Problem 4: Natural Selection Struggles to Fix Advantageous Traits in Populations, „Evolution News & Science Today” 2015, January 16 [dostęp 8 III 2023].

 

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 8.3.2023

Przypisy

  1. Są to – odpowiednio – wypowiedzi Grahama Budda, Stuarta Newmana i Scotta Gilberta cytowane w: J. Whitfield, Biological Theory: Postmodern Evolution?, „Nature” 2008, Vol. 455, s. 282–283 [281–284], https://doi.org/10.1038/455281a.
  2. Por. C. Luskin, Dziesięć największych problemów naukowych teorii ewolucji biologicznej i chemicznej. Problem 3: stopniowo zachodzące losowe mutacje nie są w stanie wytworzyć informacji genetycznej niezbędnej dla układów nieredukowanie złożonych, tłum. D. Sagan, „W Poszukiwaniu Projektu” 2023, 1 marca [dostęp 7 III 2023].
  3. M. Lynch, Evolutionary Layering and the Limits to Cellular Perfection, „Proceedings of the National Academy of Sciences USA” 2012, Vol. 109, No. 46, s. 18851 [18851–18856], https://doi.org/10.1073/pnas.1216130109.
  4. Tenże, The Frailty of Adaptive Hypotheses for the Origins of Organismal Complexity, „Proceedings of the National Academy of Sciences USA” 2007, Vol. 104, suppl. 1, s. 8598 [8597–8604], https://doi.org/10.1073/pnas.0702207104.
  5. E.V. Koonin, Ewolucjonizm darwinowski w świetle genomiki, tłum. D. Sagan, „Filozoficzne Aspekty Genezy” 2018, t. 15, s. 286 [283–370], https://doi.org/10.53763/fag.2018.15.154.
  6. M. Lynch, Evolutionary Layering and the Limits to Cellular Perfection, s. 18851.
  7. Tenże, The Frailty of Adaptive Hypotheses for the Origins of Organismal Complexity.
  8. Tamże, s. 8597.
  9. C.W. Nelson, J.C. Sanford, The Effects of Low-Impact Mutations in Digital Organisms, „Theoretical Biology and Medical Modelling” 2011, Vol. 8, numer artykułu: 9, https://doi.org/10.1186/1742-4682-8-9.
  10. M. Lynch, The Evolution of Genetic Networks by Non-Adaptive Processes, „Nature Reviews Genetics” 2007, Vol. 8, s. 810 [803–813], https://doi.org/10.1038/nrg2192.
  11. Tamże, s. 812.
  12. Tenże, The Frailty of Adaptive Hypotheses for the Origins of Organismal Complexity, s. 8597.
  13. A. Gauger, The Frailty of the Darwinian Hypothesis, Part 2, „Evolution News & Science Today” 2009, July 14, [dostęp: 19 XII 2022].
  14. J.A. Coyne, Ewolucja jest faktem, tłum. M. Ryszkiewicz, W. Studencki, „Na Ścieżkach Nauki”, Prószyński i S-ka, Warszawa 2009, s. 155.
  15. Tamże, s. 34.
  16. Tamże, s. 155.
  17. Por. C. Luskin, Dziesięć największych problemów naukowych teorii ewolucji biologicznej i chemicznej. Problem 3.
  18. M. Lynch, The Frailty of Adaptive Hypotheses for the Origins of Organismal Complexity, s. 8600.
  19. Tamże, s. 8597.

Literatura:

  1. Coyne J.A., Ewolucja jest faktem, tłum. M. Ryszkiewicz, W. Studencki, „Na Ścieżkach Nauki”, Prószyński i S-ka, Warszawa 2009.
  2. Gauger A., The Frailty of the Darwinian Hypothesis, Part 2, Evolution News & Science Today” 2009, July 14 [dostęp: 19 XII 2022].
  3. Koonin E.V., Ewolucjonizm darwinowski w świetle genomiki, tłum. D. Sagan, „Filozoficzne Aspekty Genezy” 2018, t. 15, s. 283–370, https://doi.org/10.53763/fag.2018.15.154.
  4. Luskin C., Dziesięć największych problemów naukowych teorii ewolucji biologicznej i chemicznej. Problem 3: stopniowo zachodzące losowe mutacje nie są w stanie wytworzyć informacji genetycznej niezbędnej dla układów nieredukowanie złożonych, tłum. D. Sagan, „W Poszukiwaniu Projektu” 2023, 1 marca [dostęp 7 III 2023].
  5. Lynch M., Evolutionary Layering and the Limits to Cellular Perfection, „Proceedings of the National Academy of Sciences USA” 2012, Vol. 109, No. 46, s. 18851–18856, https://doi.org/10.1073/pnas.1216130109.
  6. Lynch M., The Evolution of Genetic Networks by Non-Adaptive Processes, „Nature Reviews Genetics” 2007, Vol. 8, s. 803–813, https://doi.org/10.1038/nrg2192.
  7. Lynch M., The Frailty of Adaptive Hypotheses for the Origins of Organismal Complexity, „Proceedings of the National Academy of Sciences USA” 2007, Vol. 104, suppl. 1, s. 8597–8604, https://doi.org/10.1073/pnas.0702207104.
  8. Nelson C.W., Sanford J.C., The Effects of Low-Impact Mutations in Digital Organisms, „Theoretical Biology and Medical Modelling” 2011, Vol. 8, numer artykułu: 9, https://doi.org/10.1186/1742-4682-8-9.
  9. Whitfield J., Biological Theory: Postmodern Evolution?, „Nature” 2008, Vol. 455, s. 281–284, https://doi.org/10.1038/455281a.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi