Πέμπτη, 19 Ιανουαρίου 2012

Εξέλιξη, ένα παιχνίδι τύχης...

Του Christie Wilcox

Μια από τις πιο δύσκολες έννοιες προς κατανόηση της εξέλιξης είναι η έλλειψη κατεύθυνσης. Πάρτε την κλασική εικόνα της εξέλιξης του ανθρώπου, από πίθηκο που περπατάει χρησιμοποιόντας και τα χέρια, σε δυνατό, έξυπνο κυνηγό:
Θεωρούμε ότι αυτό είναι η φυσική εξέλιξη της ζωής. Η αλήθεια είναι, δεν υπήρχε καμία εγγύηση ότι κάποιο πρωτεύον θηλαστικό με μεγάλο εγκέφαλο στην Αφρική, θα κατέληγε όπως είμαστε τώρα. Δεν ήταν αναπόφευκτο να γίνουμε ψηλότεροι, λιγότερο τριχωτοί και πιο έξυπνοι από τους συγγενείς μας. Και σίγουρα δεν ήταν εγγυημένο ότι μονοκύτταροι αρχέγονοι οργανισμοί κατέληξαν να ενώσουν τις δυνάμεις τους σε πολυκύτταρους οργανισμούς, οδηγώντας τελικά σε πρωτεύοντα θηλαστικά  με μεγάλο εγκέφαλο!




Η εξέλιξη δεν είναι προβλέψιμη, και τυχαιότητα είναι το κλειδί για τον προσδιορισμό του πώς αλλάζουν τα πράγματα. Δεν είναι όμως το ίδιο με το να λέμε ότι η ζωή εξελίσσεται από τύχη. Κι αυτό γιατί, ενώ η αιτία της εξέλιξης είναι τυχαία (μεταλλάξεις στα γονίδια μας) οι διαδικασίες της εξέλιξης (επιλογή) δεν είναι. Είναι σαν να παίζεις πόκερ – τα φύλλα που μοιράζονται είναι τυχαία, αλλά οι πιθανότητες να κερδίσετε με αυτά τα φύλλα δεν είναι. Και όπως στο πόκερ, εμπλέκονται και άλλοι παράγοντες. Εξωτερικοί παράγοντες όπως η ικανότητα των αντιπάλων σας να μπλοφάρουν ή η αλλαγή των περιβαλλοντικών συνθηκών στο παιχνίδι της ζωής. Έτσι, ενώ η εξέλιξη δεν είναι τυχαία, είναι ένα παιχνίδι τύχης, και με δεδομένο πως πολλά είδη εξαφανιστεί, είναι παιχνίδι στο οποίο «η μάνα» σχεδόν πάντα κερδίζει.

Φυσικά η τύχη είναι σημαντική στην εξέλιξη. Η εξέλιξη συμβαίνει επειδή τίποτα δεν είναι τέλειο, ούτε καν τα ένζυμα τα οποία αναπαράγουν το DNA μας. Όλα τα κύτταρα πολλαπλασιάζονται και διαιρούνται, και για να το πετύχουν αυτό, πρέπει να διπλασιάζουν το γενετικό τους υλικό. Τα ένζυμα που το κάνουν αυτό, έχουν ως ρόλο την πιστή αντιγραφή της γενετικής πληροφορίας, όμως κάνουν και λάθη. Η προσθήκη μιας γουανίνης αντί για αδενίνη ή θυμίνη, οδηγεί ξαφνικά, σε αλλαγή του γονιδίου. Οι περισσότερες από αυτές τις αλλαγές είναι σιωπηλές, και δεν επηρεάζουν την τελική πρωτεΐνη που κωδικοποιεί το κάθε γονίδιο. Όμως που και που οι αλλαγές αυτές έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο, αντικαθιστώντας αμινοξέα των οποίων οι χημικές ιδιότητες μεταβάλλουν την πρωτεΐνη (συνήθως προς το χειρότερο, αλλά όχι πάντα). Σε κυτταρικό επίπεδο μπορεί να γίνουν ακόμα μεγαλύτερα λάθη όπως επιπλέον αντίγραφα του συνόλου γονιδίων ή χρωμοσωμάτων, κλπ.

Αυτές οι γενετικές αλλαγές σε καμία περίπτωση δεν προβλέπουν τις ανάγκες ενός ατόμου. Οι καμηλοπαρδάλεις δεν «εξέλιξαν» μεγαλύτερο  λαιμό επειδή ήθελαν να φτάνουν τα φύλλα που βρίσκονται υψηλότερα. Ούτε εμείς  «εξελίξαμε» μεγαλύτερους εγκεφάλους για να λύνουμε ευκολότερα τα προβλήματα, να γίνουμε κοινωνικά πλάσματα ή επιτυχημένοι κυνηγοί. Οι αλλαγές είναι τυχαίες, οι μηχανισμοί όμως που επηρεάζουν τη συχνότητα εμφάνισής τους σε έναν πληθυσμό, δεν είναι. Όταν μια αλλαγή επιτρέπει (σ’ ένα μεταλλαγμένο οργανισμό) να επιβιώσει και να αναπαραχθεί περισσότερο από τα άλλα άτομα του πληθυσμού, είναι πιθανό (η αλλαγή αυτή) να μείνει και να εξαπλωθεί στον πληθυσμό. Αυτή είναι η επιλογή, ο μηχανισμός που οδηγεί την εξέλιξη. Αυτή μπορεί να είναι είτε η φυσική επιλογή (επειδή δίνει δυνατότητα για γρηγορότερο τρέξιμο ή να προσαρμοστεί καλύτερα στο περιβάλλον) είτε η σεξουαλική επιλογή (για κάποιο λόγο γίνεται ελκυστικότερος από το άλλο φύλο ο φέρων την αλλαγή). Όπως και να’ χει η επιλογή δεν είναι τυχαία: υπάρχει κάποιος λόγος που ένας οργανισμός αναπαράχθηκε περισσότερο (έδωσε περισσότερους απογόνους) από κάποιον άλλο. Η μετάλλαξη που συνέβη όμως αρχικά ήταν τυχαία.

Λάθη που γίνονται από τη γενετική μηχανή μπορεί να οδηγήσουν σε τεράστιες διαφορές ανάμεσα στους οργανισμούς. Ας δούμε τα ανθοφόρα φυτά, για παράδειγμα. Αυτά τα φυτά έχουν ένα και μόνο γονίδιο υπεύθυνο για την δημιουργία των  αρσενικών και θηλυκών τμημάτων του λουλουδιού. Σε πολλά είδη όμως, το γονίδιο αυτό λανθασμένα διπλασιάστηκε πριν από περίπου 120 εκατομμύρια χρόνια. Αυτό το γονίδιο μεταλλάχθηκε και υπέστη επιλογή, καταλήγοντας τροποποιημένο στα διάφορα είδη με πολύ διαφορετικούς τρόπους. Στο γένος Arabidopsis π.χ., το επιπλέον αντίγραφο προκαλεί τώρα τα σπέρματα του φυτού να ανοίγουν διάπλατα. Στο γένος Antirrhinum όμως βλέπουμε πως μικρές αλλαγές μπορεί να έχουν μεγάλες συνέπειες. Κι αυτό το γένος έχει δύο αντίγραφα από το ίδιο γονίδιο για να «φτιάχνει» τα αναπαραγωγικά του όργανα. Αλλά σε αυτά τα λουλούδια, κάθε αντίγραφο σχεδόν αποκλειστικά φτιάχνει είτε αρσενικά είτε θηλυκά όργανα. Αυτός ο τύπος αρσενικού και θηλυκού διαχωρισμού είναι το πρώτο βήμα προς την διαχωρισμό των φύλων σε οργανισμούς, όπως εμείς. Γιατί; Φαίνεται πως μεταλλάξεις που προκαλούν την προσθήκη ενός μόνο αμινοξέος στην τελική πρωτεΐνη, έχει ως αποτέλεσμα το συγκεκριμένο γονίδιο να κωδικοποιεί πληροφορίες μόνο για αρσενικά όργανα αναπαραγωγής. Αυτό ακριβώς! Ένα και μόνο αμινοξύ μετατρέπει  ένα γονίδιο σε αποκλειστικώς αρσενικό αντί για ερμαφρόδιτο.

Ας δούμε κάτι πολύ εξειδικευμένο όπως η πτήση. Κάποιοι πιστεύουν ότι η πτήση εξελίχθηκε επειδή κάποια ζώα «συνειδητοποίησαν» (κατά μία έννοια της λέξης) το απίστευτο πλεονέκτημα που θα αποκτούσε κανείς αν μπορούσε να κινηθεί στον αέρα. Όμως, εάν μελετήσει κανείς την εξέλιξη της πτήσης, φαίνεται ότι προέκυψε, κατά μία έννοια, από ατύχημα. Ας δούμε τους πλέον ειδικούς της πτήσης, τα πτηνά για παράδειγμα.

Υπάρχουν κάποιες σημαντικές αλλαγές στα σώματα των πτηνών που τους δίνουν την δυνατότητα να πετάνε.. Το πιο προφανές, βέβαια, είναι τα φτερά τους. Ενώ τα φτερά φαίνεται να είναι τόσο ιδανικά σχεδιασμένα για πτήση, αν κοιτάξουμε προς τα πίσω θα συνειδητοποιήσουμε ότι αρχικά δεν δημιουργήθηκαν για αυτό τον σκοπό. Μελετώντας απολιθώματα, βρήκαμε πως εξελίχθηκαν τα φτερά και είναι προφανές ότι αρχικά δεν είχαν καμία σχέση με την πτήση. Τα πρωταρχικά φτερά ήταν νηματώδη και κοίλα, πιο κοντά στις τρίχες και φαίνεται πως είχαν ανάλογη χρήση με τις τρίχες. Καθώς συνέβησαν μεταλλάξεις, οι νηματώδεις αρχικοί σχηματισμοί απέκτησαν κλάδους. Όπως θα περιμέναμε από μια δομή που μεταλλάσσεται και δέχεται την πίεση της επιλογής, έχουν βρεθεί απολιθώματα δεινοσαύρων που φέρουν όλων των τύπων των φτερών, γεγονός που δείχνει πως συνέβη πολύς πειραματισμός μέχρι να καταλήξουμε στα σημερινά φτερά. Φυσικά δεν επιλέχθηκαν όλα τα πρωτογενή φτερά. Μόνο ένα επικράτησε και έδωσε σε μία και μόνο ομάδα ζώων την δυνατότητα της πτήσης.

Οι επιστήμονες έχουν καταλήξει πως τα (πρωτογενή) φτερά εξυπηρετούσαν διάφορες λειτουργίες. Τα σύγχρονα πτηνά χρησιμοποιούν τα φτερά για επιλογή συντρόφου, θερμορύθμιση, απόκρυψη κλπ, και όλες οι λειτουργίες έχουν προκύψει από την εξέλιξη του φτερού. Ούτε υπήρχε εξ' αρχής σχέδιο ούτε προέκυψαν ξαφνικά για να εξυπηρετήσουν την πτήση των δεινοσαύρων. Αντίθετα, η συσσώρευση των μεταλλάξεων και η πίεση της επιλογής, οδήγησαν σε μια δομή που έτυχε να δώσει στα πτηνά την δυνατότητα πτήσης, παρ' όλο που αρχικά δεν εξυπηρετούσαν αυτό τον ρόλο.

Το ίδιο ισχύει και για τα ιπτάμενα έντομα. Στον 19ο αιώνα, όταν η εξέλιξη ακόμα διαμορφονώταν ως επιστήμη, ο St. George Jackson Mivart αναρωτήθηκε  "σε τι χρησιμεύει μισό φτερό;" Λέγοντας αυτό ήθελε να διακωμωδίσει την άποδη ότι τα φτερά θα μπορούσαν να είχαν αναπτυχθεί χωρίς έναν δημιουργό. Μελέτες όμως που έγιναν σε έντομα έδειξαν πως ακόμα και μισό φτερό είναι πραγματικά χρήσιμο, ιδιαίτερα για τα υδρόβια έντομα, όπως τα Plecoptera. Επιστήμονες έκοψαν τα φτερά από τέτοια έντομα και παρατήρησαν τα αποτελέσματα. Αποδείχθηκε πως ακόμα κι αν δεν μπορούσαν να πετάξουν , μπορούσαν να πλεύσουν στο νερό πολύ γρήγορα, και με λιγότερη κατανάλωση ενέργειας. Όντως, τα πρώιμα φτερά των εντόμων πιθανότατα είχαν την λειτουργία της ολίσθησης και πολύ αργότερα απέκτησαν την λειτουργία της πτήσης. Και τα πουλιά όμως μπορούν να χρησιμοποιούν μισό φτερό. Τα υποανάπτυκτα φτερά των κοτόπουλων τα βοηθούν στην γρήγορη κίνηση σε λόφους. Συνεπώς, ακόμα και μισό φτερό είναι αρκετά χρήσιμο πράγμα.

Έχει σημασία όμως να γίνει κατανοητό πως αν γυρίσουμε τον χρόνο πίσω και πάρουμε ένα πρόγονο των σημερινών πτηνών, έναν δεινόσαυρο που φέρει πρωτογενή φτερά δηλαδή, ή ένα έντομο με όχι καλώς ανεπτυγμένα φτερά, και τα τοποθετήσουμε στο ίδιο περιβάλλον, με τις ίδιες οικολογικές πιέσεις, δεν είναι βέβαιο πως οι απόγονοί τους θα κατακτήσουν την δυνατότητα της πτήσης.

 Κι αυτό γιατί, αν θέλει κανείς να "ξανατρέξει" την εξέλιξη (όπως "τρέχουμε" ένα πρόγραμμα στον υπολογιστή), ποτέ δεν ξέρεις που θα καταλήξεις. Αυτό δείχθηκε πρόσφατα στο εργαστήριο, χρησιμοποιώντας το βακτήριο E. coli. Πήραν ένα στέλεχος της E. coli και το έσπεριαν σε 12 πανομοιότυπα τρυβλία Petri που περιείχαν μια νέα πηγή τροφής την οποία τα βακτήρια δεν μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν, έτσι ξεκίνησαν με 12 πανομοιότυπες αποικίες σε ένα περιβάλλον με έντονη επιλεκτική πίεση. Τα καλλιέργησαν για περίπου 50.000 γενιές. Κάθε 500 γενιές, κατέψυχαν μερικά από τα βακτήρια (για μελλοντικούς ελέγχους). Περίπου 31.500 γενιές αργότερα, μία από τις δώδεκα αποικίες ανέπτυξε την ικανότητα να τρέφεται από το νέο θρεπτικό συστατικό, δείχνοντας ότι παρά το γεγονός ότι όλες οι αποικίες ξεκίνησαν με τον ίδιο τρόπο, διατηρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες και ήταν εκτεθειμένοι σε ακριβώς την ίδια πίεση, δεν ήταν εγγυημένο ότι όλες οι αποικίες θα κατέληγαν να μεταβολίζουν το νέο συστατικό. Το πιο εντυπωσιακό όμως ήταν πως όταν πραγματοποιούσαν το πείραμα από την αρχή (χρησιμοποιώντας στελέχη από τα κατεψυγμένα βακτήρια), δεν αναπτυσσόταν πάντα αυτή η δυνατότητα σε κάποια αποικία. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν συνέβη ποτέ μεταξύ της 1ης και της 19999ης γενεάς. Κάποιες αλλαγές (μεταλλάξεις) που συνέβησαν στην 20000η γενεά – δηλαδή 11500 γενεές πριν αποκτήσουν την δυνατότητα καταβολισμού- περίπου ήταν απαραίτητη προϋπόθεση για να  την ανάπτυξη της ικανότητας αυτής αργότερα.

Υπάρχουν δύο λόγοι γι' αυτό. Ο πρώτος είναι πως οι μεταλλάξεις γίνονται τυχαία και η πιθανότητα να συμβούν οι ίδιες μεταλλάξεις με την ίδια σειρά είναι μηδαμινές. Υπάρχει όμως κι άλλος λόγος που δεν μπορούμε να προβλέψουμε την εξέλιξη: οι γενετικές αλλαγές δεν είναι απαραίτητο να είναι "καλές" για να διατηρηθούν, καθώς η επιλογή δεν είναι ο μοναδικός εξελικτικός μηχανισμός. Είναι ένας σημαντικότατος μηχανισμός, αλλά αλλαγές στην συχνότητα μιας μετάλλαξης μπορούν να συμβούν και χωρίς την πίεσης της επιλογής. Γενετική απόκλιση συμβαίνει όταν κάποια γεγονότα αλλάζουν τη συχνότητα κάποιων γονιδίων ακόμα και χωρίς συγκεκριμένο λόγο. Πχ ένας δυνατός τυφώνας εξαφανίζει την πλειοψηφία των μελών ενός είδους σαύρας, αφήνοντας μία παράξενη κόκκινη αρσενική σαύρα μόνο να ζευγαρώσει με τα εναπομείναντα θηλυκά. Αργότερα, μπορεί το χρώμα αυτό να καταλήξει να είναι ευνοϊκό και να επιτρέψει στις σαύρες να εποικίσουν έναν διαφορετικό βιότοπο, ή μπορεί να τις κάνει πιο ευάλωτες στους θηρευτές τους.

Κάθε μετάλλαξη είναι "τζόγος". Ακόμα και οι μικρότερες μεταλλάξεις - μία αλλαγή σε ένα και μόνο νουκλεοτίδιο που καλείται σημειακή μετάλλαξη - παίζει ρόλο. Μπορεί να οδηγήσουν σε τρομερές καταστάσεις όπως η δρεπανοκυτταρική αναιμία και η κυστική ίνωση στον άνθρωπο. Επίσης οι σημειακές μεταλλάξεις οδηγούν και σε αντίσταση στα αντιβιοτικά από τα βακτήρια.

Ποιός είναι λοιπόν ο ρόλος της τύχης για το δικό μας είδος; Βασικά έχει να κάνει με το πόσο καλά ή εύκολα προσαρμοζόμαστε σ' έναν κόσμο που μεταβάλλεται. Μιας και δεν μπορούμε να προκαλέσουμε ευνοϊκές μεταβολές στα σώματά μας, επαφιόμαστε στην βοήθεια της τύχης, ώστε το είδος μας να συνεχίζει να εξελίσσεται. Και είναι ανάγκη να συνεχίσουμε να εξελισσόμαστε... Τα σώματά μας αποθηκεύουν λίπος λόγω του ότι στο παρελθόν η εύρεση φαγητού ήταν επίπονη και καθόλου εξασφαλισμένη διαδικασία. Η αποθήκευση λίπους ήταν η καλύτερη λύση για επιβίωση σε περιόδους ασιτίας. Σήμερα όμως, αυτό έχει οδηγήσει σε επιδημία παχυσαρκίας και σχετιζόμενων ασθενειών όπως ο διαβήτης. Καθώς οι ασθένειες εξελίσσονται κι αυτές, οι θεραπείες που εφαρμόζουμε δεν είναι πάντα επιτυχείς, αφήνοντάς μας εκτεθειμένους σε μαζικές απώλειες ανάλογες της βουβωνικής πανώλης. Είναι πιθανό να είμαστε προς το τέλος της εποχής του ανθρώπου, αν οι τυχαίες μεταλλάξεις δεν βοηθήσουν στην επίλυση των προβλημάτων που προκύπτουν από το ταχέως εναλλασσόμενο περιβάλλον. Ποια είναι η πιθανότητα να συνεχίσει ο άνθρωπος να κυριαρχεί στον πλανήτη, όταν άλλα είδη έχουν εξαλειφθεί; Βασικά, όπως σε κάθε παιχνίδι τύχης, πρέπει να μελετήσεις τις πιθανότητες .:

99.99% των ειδών που υπήρξαν σ' αυτόν τον πλανήτη, έχουν εξαφανιστεί.

Αλλά και πάλι, ίσως το είδος μας αισθάνεται τυχερό.

μετάφραση από το scientificamerican.com


Δεν υπάρχουν σχόλια: