Evoliucijos teorijos raida: nuo Lamarko iki Darvino

Evoliucijos sąvoka šiandien daugeliui asocijuojasi su vienu vardu – Čarlzu Darvinu. Dažnai manoma, kad būtent jis „išrado“ ar pirmasis sugalvojo, kad gyvybė vystosi ir keičiasi. Tačiau tiesa yra kur kas sudėtingesnė ir įdomesnė. Idėja, kad organizmai nėra nekintami, sklandė mokslo ir filosofijos pasaulyje šimtmečius iki Darvino. Mokslininkai, tyrinėdami fosilijas, matė išnykusias gyvybės formas. Gamtininkai, lygindami skirtingų gyvūnų anatomiją, pastebėjo stulbinančių panašumų. Trūko tik vieno esminio dalyko – įtikinamo mechanizmo, paaiškinančio, kaip ir kodėl vyksta šie pokyčiai.

Šioje pamokoje leisimės į kelionę laiku, siekdami suprasti, kaip gimė ir vystėsi viena svarbiausių mokslo teorijų. Susipažinsime su drąsiomis, nors ir ne visai teisingomis Žano Batisto Lamarko idėjomis, kurios tapo pirmuoju rimtu bandymu paaiškinti evoliuciją. Išsiaiškinsime, kokie atradimai ir pastebėjimai atvedė Čarlzą Darviną ir Alfredą Raselą Volisą prie natūraliosios atrankos teorijos – galingo ir elegantiško principo, pakeitusio mūsų supratimą apie gyvybę Žemėje. Tai istorija ne apie vieno genijaus nušvitimą, o apie laipsnišką idėjų brandą, mokslinę drąsą ir gebėjimą pamatyti dėsningumus ten, kur kiti matė tik chaosą.

Prieš Čarlzą Darviną, prancūzų gamtininkas Žanas Batistas Lamarkas (1744–1829) buvo pirmasis, kuris ne tik teigė, kad evoliucija vyksta, bet ir pasiūlė nuoseklų mechanizmą, kaip tai galėtų vykti. Nors šiandien žinome, kad jo pasiūlytas mechanizmas buvo klaidingas, jo indėlis į mokslo raidą yra milžiniškas – jis pavertė evoliuciją moksline diskusijų tema.

Lamarkizmo esmė: du pagrindiniai principai

Lamarko teorija, dažnai vadinama lamarkizmu, rėmėsi dviem pagrindinėmis idėjomis:

1. Naudojimo ir nenaudojimo dėsnis (angl. Use and Disuse): Lamarkas tikėjo, kad organizmo dalys, kurios yra intensyviai naudojamos, per individo gyvenimą stiprėja ir didėja. Priešingai, organai ar struktūros, kurios nenaudojamos, palaipsniui silpsta, nyksta ir gali net visai išnykti.

2. Įgytų požymių paveldėjimo dėsnis (angl. Inheritance of Acquired Characteristics): Tai buvo kertinė Lamarko teorijos idėja. Jis teigė, kad visi pokyčiai, kuriuos organizmas įgyja per savo gyvenimą dėl organų naudojimo ar nenaudojimo, yra paveldimi, t. y., perduodami palikuonims.

Be to, Lamarkas tikėjo, kad gyvybėje egzistuoja vidinis „veržimasis į tobulumą“, kuris skatina organizmus palaipsniui tapti sudėtingesniais ir geriau prisitaikiusiais.

Klasikinis pavyzdys: žirafos kaklas

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Klasikinė karikatūrinė iliustracija, vaizduojanti Lamarko žirafų evoliuciją. Pirma žirafa trumpu kaklu siekia medžio lapų. Antra, šiek tiek ilgesniu kaklu, ištempia jį dar labiau. Trečia, ilgu kaklu, jau pasiekia lapus. Rodyklės rodo pokyčių perdavimą kitai kartai.

Lamarko idėjoms iliustruoti dažniausiai naudojamas žirafos pavyzdys:

• Pradinė situacija: Žirafų protėviai turėjo trumpus kaklus ir ėdė žolę bei žemų krūmų lapus.
• Aplinkos pokytis: Dėl sausros ar konkurencijos maisto ant žemės ėmė trūkti. Žirafoms teko siekti aukščiau esančių medžių lapų.
• Naudojimo pasekmė: Nuolat tempdamos kaklą, kad pasiektų lapus, žirafos per savo gyvenimą jį šiek tiek pailgindavo (įgytas požymis).
• Paveldėjimas: Šį per gyvenimą pailgintą kaklą jos perduodavo savo palikuonims.
• Kartojimasis: Kiekviena karta kartodavo tą patį – dar labiau tempdavo kaklus ir perduodavo dar ilgesnius kaklus savo jaunikliams, kol per daugybę kartų žirafos tapo ilga kaklėmis.

Kodėl Lamarko teorija buvo atmesta?

Lamarko idėjos buvo logiškos savo laikmečiui, tačiau vėlesni atradimai, ypač genetikos srityje, parodė esminį jos trūkumą. Šiandien žinome, kad paveldimi yra genai, o ne per gyvenimą įgyti fiziniai pokyčiai. Pavyzdžiui, jei kultūristas intensyviomis treniruotėmis užsiaugina didžiulius raumenis, jo vaikai negims raumeningesni. Jei žmogus praranda pirštą nelaimingo atsitikimo metu, jo palikuonys gims su visais pirštais. Pokyčiai organizmo somatinėse (kūno) ląstelėse neperduodami lytinėms ląstelėms (gametoms) ir todėl nėra paveldimi.

Nepaisant to, Lamarko darbas buvo be galo svarbus, nes jis įtvirtino dvi pamatines mintis: kad rūšys keičiasi laikui bėgant ir kad šį keitimąsi lemia sąveika su aplinka.

Čarlzas Darvinas (1809–1882), skirtingai nei Lamarkas, pasiūlė evoliucijos mechanizmą, kuris atlaikė laiko išbandymą ir tapo šiuolaikinės biologijos pamatu. Jo teorija gimė ne staiga, o buvo ilgų metų stebėjimų, apmąstymų ir kruopštaus duomenų rinkimo rezultatas.

Lemtinga „Biglio“ kelionė

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: „Biglio“ laivo maršruto žemėlapis aplink pasaulį, su pažymėtomis svarbiausiomis vietomis: Pietų Amerika, Galapagų salos, Australija.

1831 m. jaunasis gamtininkas Č. Darvinas leidosi į penkerius metus trukusią kelionę aplink pasaulį laivu „Biglis“ (HMS Beagle). Ši kelionė jam suteikė unikalią progą tirti įvairiausių pasaulio kampelių florą, fauną ir geologiją. Svarbiausi pastebėjimai, privertę jį suabejoti rūšių nekintamumu:

• Pietų Amerikos fosilijos: Darvinas rado milžiniškų išnykusių žinduolių fosilijų, kurios buvo panašios į tose pačiose vietovėse gyvenančius, bet kur kas mažesnius šarvuočius ir tinginius. Tai kėlė klausimą: kodėl išnykusios ir dabartinės rūšys toje pačioje vietoje yra panašios?
• Geologiniai pokyčiai: Patyręs žemės drebėjimą Čilėje ir matydamas, kaip pakilo vandenyno dugnas, Darvinas savo akimis įsitikino, kad Žemė nėra statiška. Tai patvirtino geologo Čarlzo Lajelio idėjas, kad lėti, laipsniški pokyčiai per ilgą laiką gali sukelti milžiniškus padarinius.
• Galapagų salų gyvūnija: Labiausiai Darviną sudomino Galapagų salyno gyvūnai. Jis pastebėjo, kad nors salos yra netoli viena kitos, kiekvienoje gyvena skirtingos vėžlių ir kikilių rūšys. Kikiliai ypač krito į akį – skirtingose salose gyvenantys paukščiai turėjo skirtingos formos snapus, pritaikytus prie specifinio maisto (sėklų, vabzdžių, kaktusų). Darvinui kilo mintis, kad visos šios rūšys galėjo kilti iš vieno bendro protėvio, atkeliavusio iš žemyno, ir vėliau prisitaikyti prie skirtingų salų sąlygų.

Teorijos brendimas ir A. R. Volisas

Grįžęs į Angliją, Darvinas daugiau nei 20 metų kaupė įrodymus, vykdė dirbtinės atrankos eksperimentus su balandžiais ir kūrė savo teoriją. Jį stipriai paveikė ekonomisto Tomo Maltuso veikalas, kuriame teigiama, kad populiacijos auga greičiau nei maisto ištekliai, o tai sukelia kovą dėl išlikimo.

1858 m. įvyko netikėtas posūkis. Darvinas gavo laišką nuo kito britų gamtininko, Alfredo Raselo Voliso (Alfred Russel Wallace), dirbusio Malajų salyne. Volisas, nepriklausomai nuo Darvino, priėjo prie labai panašios idėjos apie evoliuciją, veikiančią per natūraliąją atranką. Šis laiškas paskatino Darviną pagaliau pristatyti savo ilgai brandintas idėjas. Tais pačiais metais bendras Darvino ir Voliso pranešimas buvo perskaitytas Londono Linėjaus draugijoje. Kitais metais, 1859-aisiais, Darvinas išleido savo monumentalią knygą „Apie rūšių atsiradimą gamtinės atrankos būdu“.

Darvino pasiūlytas evoliucijos mechanizmas – natūralioji atranka – yra stulbinančiai paprastas, tačiau be galo galingas. Jis remiasi keliais lengvai pastebimais gamtos faktais ir iš jų kylančia logine išvada.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Infografikas, aiškiai išskaidantis natūraliosios atrankos keturis etapus su piktogramomis: 1) Kintamumas (įvairiaspalviai vabalai), 2) Paveldimumas (vabalai su jaunikliais, paveldinčiais spalvą), 3) Kova už būvį (vabalai ir juos medžiojantis paukštis), 4) Atranka (paukštis suvalgo ryškius vabalus, lieka tik užsimaskavę, kurie toliau dauginasi).

Keturios natūraliosios atrankos sudedamosios dalys

1. Kintamumas (angl. Variation): Bet kurios rūšies populiacijos viduje individai nėra identiški. Jie skiriasi vieni nuo kitų įvairiais požymiais – dydžiu, spalva, greičiu, atsparumu ligoms. Darvinas nežinojo, kas sukelia šį kintamumą (dabar žinome, kad tai atsitiktinės mutacijos ir genų rekombinacija), tačiau jis pastebėjo, kad kintamumas yra universalus gamtos dėsnis.

2. Paveldimumas (angl. Heritability): Daugelis šių individualių skirtumų yra paveldimi – tėvai perduoda savo požymius palikuonims. Ir vėlgi, Darvinas nežinojo kaip tai vyksta, bet stebėjimai (tiek gamtoje, tiek veisiant gyvūnus) akivaizdžiai tai rodė.

3. Kova už būvį (angl. Struggle for Existence): Visi organizmai sugeba susilaukti daugiau palikuonių, nei gali išgyventi iki brandos ir patys daugintis. Dėl ribotų išteklių (maisto, erdvės, partnerių), plėšrūnų ir ligų tarp individų vyksta nuolatinė konkurencija.

4. Nevienodas išgyvenimas ir dauginimasis (Natūralioji atranka): Esant konkurencijai, ne visi individai turi vienodas galimybes išgyventi ir susilaukti palikuonių. Tie individai, kurių paveldėti požymiai yra geriau pritaikyti prie esamų aplinkos sąlygų, turės didesnę tikimybę išgyventi, susilaukti daugiau palikuonių ir perduoti jiems savo sėkmingus požymius. Per daugelį kartų populiacijoje kaupiasi naudingi požymiai, o ne tokie naudingi tampa retesni. Taip populiacija palaipsniui keičiasi – evoliucionuoja.

Žirafos kaklas: Darvino perspektyva

Palyginkime su Lamarku, kaip Darvino teorija paaiškintų žirafos kaklo ilgį:

• Pradinė situacija: Žirafų protėvių populiacijoje kaklo ilgis kito – vienų individų kaklai buvo šiek tiek ilgesni, kitų – trumpesni (kintamumas).
• Kova už būvį: Trūkstant maisto ant žemės, ilgesnis kaklas tapo pranašumu, leidžiančiu pasiekti aukščiau esančius lapus.
• Natūralioji atranka: Tos žirafos, kurios atsitiktinai gimė su šiek tiek ilgesniais kaklais, galėjo geriau maitintis, todėl buvo sveikesnės, turėjo didesnę tikimybę išgyventi ir susilaukti daugiau palikuonių nei jų trumpakaklės giminaitės.
• Paveldimumas: Ilgakaklės žirafos perdavė ilgo kaklo polinkį savo jaunikliams.
• Kartojimasis: Per daugybę kartų šis procesas kartojosi – kiekvienoje kartoje buvo atrenkami vis ilgesnius kaklus turintys individai, kol galiausiai visa populiacija tapo ilgakaklė.

Svarbiausias skirtumas: pasak Darvino, aplinka ne sukuria naujus požymius (kaklas neištįsta dėl tempimo), o atrenka sėkmingiausius iš jau egzistuojančios įvairovės.

Darvino knygos išleidimas sukėlė tikrą audrą ne tik mokslo, bet ir visuomenės bei religijos sluoksniuose. Idėja, kad žmogus ir kitos gyvybės formos atsirado ne staigaus kūrimo akto metu, o per ilgą, lėtą, aklų gamtos jėgų valdomą procesą, daugeliui buvo šokiruojanti ir prieštaravo nusistovėjusioms dogmoms. Prasidėjo karšti debatai, kurie tęsiasi iki šiol.

Didžiausia Darvino mįslė

Nepaisant teorijos galios, pats Darvinas susidūrė su viena didele problema, kurios negalėjo išspręsti – jis nežinojo paveldimumo mechanizmo. Kaip tiksliai tėvai perduoda požymius vaikams? Kaip atsiranda nauji požymiai? Jo laikais buvo populiari „susiliejančio paveldimumo“ (angl. blending inheritance) idėja – manoma, kad palikuonys paveldi tarsi tėvų požymių mišinį, panašiai kaip sumaišius baltus ir raudonus dažus gaunama rožinė spalva. Tai kėlė problemą jo teorijai: jei požymiai taip „susimaišo“, tuomet bet koks naujas naudingas požymis per kelias kartas tiesiog „ištirptų“ populiacijoje, užuot sustiprėjęs ir paplitęs.

Ironiška, bet atsakymas į šią mįslę jau buvo rastas, tik niekas į jį neatkreipė dėmesio. Tuo pat metu, kai Darvinas svarstė apie paveldimumą, vienuolis Gregoras Mendelis savo vienuolyno sode Austrijoje atlikinėjo eksperimentus su žirniais ir atrado diskretųjį (nedalomą) paveldimumo principą – genus. Tačiau jo darbai buvo ignoruojami iki pat XX a. pradžios.

Modernioji evoliucijos sintezė (Neo-Darvinizmas)

XX a. 3-4 dešimtmečiais, kai Mendelio darbai buvo iš naujo atrasti ir genetika tapo brandžiu mokslu, įvyko lūžis. Mokslininkai sujungė Darvino natūraliosios atrankos teoriją su Mendelio genetikos principais ir populiacijų genetikos atradimais. Šis junginys vadinamas Moderniąja evoliucijos sinteze arba neo-darvinizmu.

Ši sintezė paaiškino tai, ko negalėjo Darvinas:

• Kintamumo šaltinis: Paveldimas kintamumas populiacijose atsiranda dėl atsitiktinių mutacijų (genų ar chromosomų pokyčių) ir genų rekombinacijos mejozės metu.
• Paveldimumo mechanizmas: Požymiai paveldimi ne kaip „mišinys“, o per diskrečius vienetus – genus (alelius), kurie perduodami iš kartos į kartą.

Modernioji sintezė apibrėžė evoliuciją genetikos terminais: tai alelių dažnių pokytis populiacijos genų fonde per laiką. Šis apibrėžimas ir šiandien yra evoliucijos biologijos pagrindas.

Teoriškai išnagrinėjus natūraliosios atrankos principus, geriausias būdas juos suprasti – pamatyti juos veikiant. Ši interaktyvi simuliacija leis jums patiems tapti gamta ir atlikti atranką.

Užduotis: medžiojant vabalus

• Interaktyvi simuliacija: Natūralioji atranka
  • Ką darysite? Simuliacijoje valdysite plėšrūną ir medžiosite vabalus skirtingose aplinkose. Jūsų tikslas – suvalgyti kuo daugiau vabalų per tam tikrą laiką. Galėsite keisti aplinką, įvesti mutacijas ir stebėti, kaip kinta vabalų populiacija per kartas.
  • Tikslas: Eksperimentiškai įrodyti, kaip aplinka atrenka geriausiai užsimaskavusius individus ir kaip populiacija adaptuojasi prie kintančių sąlygų. Stebėkite, kaip keičiasi vabalų spalvos alelių dažnis priklausomai nuo fono ir plėšrūnų spaudimo.