Fałszywe przewidywania ewolucjonizmu (cz. 2). Eukarioty wyewoluowały z prokariotów

Wprowadzenie

Pierwsza część tego cyklu stanowiła szersze wprowadzenie na temat fałszywych przewidywań ewolucjonizmu oraz omawiała sposoby, jakimi darwiniści ratują swoją teorię przed falsyfikacją. W drugiej części przyjrzymy się jednemu z szeregu fałszywych przewidywań teorii ewolucji, mianowicie, że eukarioty wyewoluowały z prokariotów.

Już pod koniec XIX wieku mikrobiologowie zaobserwowali, że fundamentalne jednostki życia – komórki - istnieją w wielkiej różnorodności form. Jedną z oczywistych różnic była taka, że pewne komórki były większe, a ich wewnętrzne struktury ukazywały większą złożoność od innych. W 1923 r. Edouard Chatton nazwał pierwsze komórki eukariotami, a drugie, mniejsze i prostsze prokariotami.

Rozwinięte później technologie molekularne w pełni ukazały dramatyczne różnice pomiędzy tymi dwoma rodzajami komórek. Komórki eukariotyczne zawierają szerek struktur, zwanych organellami, które wykonują wiele wyspecjalizowanych funkcji. Eukarioty posiadają także szkielet wewnątrzkomórkowy, złożony system wewnętrznych membran i – co chyba najistotniejsze – jądro komórkowe. Jądro to otoczone jest specjalną membraną z tysiącami białek - wyspecjalizowanych makromolekularnych maszyn – kontrolujących obieg molekularny i sygnalizację wewnątrzkomórkową wewnątrz i na zewnątrz jądra. W środku jądra znajduje się ciasno zwinięty pomiędzy białkami i zorganizowany w chromosomy łańcuch DNA. Wokół łańcucha DNA uwija się cała armia białek, niektóre z nich odpowiedzialne za „rozsuwanie” podwójnej helisy DNA inne zaangażowane w szereg innych funkcji.

Dla kontrastu, prokarioty nie mają jądra oraz szeregu kluczowych organelli, jak np. mitochondriów, które u komórek eukariotycznych pełnią funkcję „siłowni” lub „elektrowni”. Nie ma także systemu ścian wewnątrzkomórkowych, a DNA jest mniejsze i zorganizowane na pojedynczym, prostszym chromosomie.

Zasadniczo wszystkie wielokomórkowce są gatunkami eukariotycznymi, natomiast olbrzymia większość jednokomórkowców, jak bakterie, to gatunki prokariotyczne. Są jednak jednokomórkowce, jak np. drożdże, które także są eukariotami.

Przewidywanie

Ewolucjonistom trudno jest pośród zdumiewającej różnorodności prokariontów określić ich wzajemne relacje pokrewieństw. Pomimo tego wydawało się oczywiste, że eukarioty powstały z prokariotów. Jak w 1971 r. twierdził jeden z podręczników: „Nie ma wątpliwości, że prostsze prokarioty są ewolucyjnymi przodkami eukariotów”. [1]

Przyczyna jest łatwa do zauważenia – jeśli ewolucja chce wyjaśniać powstanie złożoności, złożoność ta musiała powstać z systemów prostszych, a nie bardziej złożonych. Musiał to więc być proces kumulowania się złożoności z systemów prostszych. Z pewnością ewolucja może polega na utracie złożoności. Tyle, że aby coś tracić, najpierw trzeba to zyskać. Ewolucja nie może być procesem wyłącznie upraszczającym, bo gdyby tak było, jakakolwiek ewolucja „od bakterii do Bethoveena” nie zaszłaby. Dlatego w ewolucyjnej wizji prokarioty były absolutnie żelaznym kandydatem jako przodkowie eukariotów.

Szczegóły takiej transformacji są już znacznie mniej klarowne, jako, że komórka eukariotyczna jest olbrzymim krokiem w skali złożoności w stosunku do prokariotycznej. Jak przyznał w 1998 r. Kenneth Miller: „Przez wiele lat biologowie zastanawiali się, jak komórki eukariotyczne wyewoluowały z prokariotycznych”. [2]

Obecnie uważa się być może niektóre eukariotyczne organelle, takie jak mitochondria, wyewoluowały poprzez fuzję wczesnych komórek eukariotycznych i prokariotycznych. Według tej hipotezy endosymbiotycznej eukariotyczne mitochondrium miało być niegdyś samodzielną prokariotyczną komórką „wchłoniętą” przez eukariota i zaadaptowaną do pełnienia specyficznych funkcji. Jednak nawet ta hipoteza próbuje wyjaśnić tylko małą część złożoności komórki eukariotycznej. Ewolucjoniści mieli nadzieję wypełnić braki w tym obrazie i w ten sposób potwierdzić przewidywanie swojej teorii. Stało się jednak zupełnie przeciwnie: wzrastająca liczna danych stopniowo ujawniła, że żadna taka ewolucyjna transformacja nie miała miejsca.

Falsyfikacja

Oczywistym problemem z przewidywaniem, że eukarioty pochodzą od prokariotów jest wielka funkcjonalna luka dzieląca oba projekty. Dawniej najpewniej było możliwe wyobrazić sobie, że większe i bardziej złożone eukarioty jakoś powstały z prostszych prokariotów. Jednak rozwój i zastosowanie nowych instrumentów badawczych stopniowo pokaywało mechanizmy pracy komórki i luka pomiędzy eukariotami a prokariotami powiększyła się. Bazując na tym, ewolucjoniści doszli do trzech konkluzji.

1. Jeśli transformacja od prokariotów do eukariotów miała miejsce poprzez działanie normalnych mechanizmów ewolucji to – biorąc pod uwagę olbrzymie strukturalne i funkcjonalne różnice pomiędzy tymi typami komórek – taka transformacja musiała przebiegać długo i poprzez wielką liczbę form pośrednich, gdzie każda z nich rozwijała jakąś specyficzną funkcję dającą selektywną przewagę. Jednak nie ma żadnych świadectw (wśród organizmów żywych lub skamielin) istnienia takich pośrednich organizmów, pomimo wielkiej różnorodności występującej wśród zarówno oragnizmów prokariotycznych, jak i eukariotycznych. [3]

2. Nie ma żadnego oczywistego prekursora wśród struktur znajdowanych u prokariotów, które mogłyby dac początek organellom eukariotów, nieznane są także żadne pośrednie komórki mogące wesprzec ewolucyjne wnioskowanie o stopniowej transformacji prokariotów w eukarioty. [4]

3. Porównanwcza genomika i proteonomika tylko wzmocniły te obserwacje i zasugerowały, że współczesne prokarioty i eukarioty od bardzo dawna podążały osobnymi ewolucyjnymi trajektoriami. [5] Jak podsumował naszą wiedzę na temat tych komórek jeden z badaczy: „Skokowa różnica [pomiędzy nimi] nie może być przeceniona”. [6] Znane już wcześniej różnice pomiędzy tymi komórkami są obecnie wzmacniane przez porównywanie sekwencji DNA i białek: zestawienia takie nie pokazują żadnej spójnej ewolucyjnej ścieżki.

Interesującą częścią tej historii jest to, że w latach 70. ubiegłego wieku z prokariotów wydzielono inną szeroką kategorię: Archeonty. Typowe bakterie przypisano do starej grupy, bakterie bardziej tolerancyjne dla skrajnych warunków środowiskowych przypisano do drugiej. Sądzono, że te skrajne warunki środowiskowe były bardziej reprezentatywne dla wczesnej historii życia, stąd odniesienie do archeo w nazwie archeontów.

Molekularne filogenezy pomiędzy tymi kategoriami szybko okazały się być – zamiast gładkiego ewolucyjnego drzewa - nierozwiązywalnym buszem. Te trzy typy komórek są od siebie na tyle różne, że nie mogły one wyewoluować jedna z drugiej. Ewolucjoniści odrzucili więc swoje zakorzenione przewidywanie na rzecz innego: zarówno prokarioty, archeonty oraz eukarionty wyewoluowały od jakiegoś pojedynczego wspólnego przodka, jak to ilustruje poniższa grafika.

Fig. 1. Jak widać, eukarioty nie wywodzą się już od prokariotów. Zamiast tego trzy wielkie grupy wywodzą się od tajemniczego wspólnego przodka.

Obecnie ewolucjoniści uważają więc, że eukarioty nie wyewoluowały bynajmniej z prokariotów lub z archeontów, ale że dla odmiany te trzy wielkie grupy wyewoluowały z jakigoś nieznanego wspólnego przodka. Mając jednego wspólnego przodka, którego potomstwo ewoluowało w trzech różnych kierunkach można próbować wyjaśniać jak te trzy grupy choć dzielą szereg podobieństw nie mając żadnej bezpośredniej ewolucyjnej relacji pomiędzy sobą.

Problem z tym tłumaczeniem jest jednak taki, że ten nowy model powstał nie na podstawy analizy danych, ale na przekonaniu, że ewolucja jest prawdziwa pomimo rażących sprzeczności z danymi. Dane nie tylko nie sugerują żadnej ewolucyjnych relacji pomiędzy tymi trzema grupami, ale i nie pokazują żadnego ewolucyjnego szlaku, który mógłby istnieć pomiędzy nimi. Możemy interpretować dane, tak aby wciskać je w ewolucyjne schematy, jednak fundamentalne przewidywanie, że eukarioty wywodzą się od prokariotów nie zostało potwierdzone.

Co gorsza, ten nowy model przywołuje nieznanego wspólnego przodka wraz z nieznanymi ewolucyjnymi procesami, które miały doprowadzić do powstania prokariotów i eukariotów. Ewolucjoniści dopiero zaczynają zdawać sobie sprawę, jak złożony musiał to być organizm. Na niedawnej konferencji darwiniści przyznali, że niedocenili oni złożoności prekursora eukariotów. Prekursor ten – konkludowali oni – musiał mieć więcej genów, więcej struktur i więcej biologicznych procesów niż to jeszcze do niedawna sobie wyobrażano. [7] Ewolucyjny kłopot jak powstały eukarioty został po prostu zepchnięty na tego nieznanego przodka.

Co jeszcze bardziej zdumiewające, niektórzy darwiniści stawiają pierwotny scenariusz o ewolucji eukariotów z prokariotów na głowie: według nich najpierw powstała złożona komórka eukariotyczna i dopiero z niej wykształciła się prostsza prokariotyczna w wyniku jakiegoś rodzaju "ewolucji wstecznej". [8] Z pewnością taki rodzaj ewolucji jest możliwy (do wyobrażenia), ale taki scenariusz zostawia pytanie, jak w pierwszym rzędzie wyewoluowały eukarioty bez odpowiedzi.

Te nowe modele nie są niewielą poprawką do przewidywania, że eukarioty wyewoluowały z prokariotów. To całkowite porzucenie tego przewidywania. Systemy konieczne do ewolucji eukariotów nie zostały znalezione wśród prokariotów, nie istnieje również żadna jasna ewolucyjna ścieżka pomiędzy nimi. W efekcie ich linie rodowe zostały odseparowane. Stary model dostarczał konkretne przewidywanie. Nowy jest dużo mniej specyficzny i otwiera drzwi do całego spektrum różnych hipotez, czasem sprzecznych ze sobą. W modelu tym relacje pomiędzy eukariotami a prokariotami są dużo bardziej zagadkowe a ich ewolucja dużo bardziej złożona. Jak zauważył jeden z ewolucjonistów, ewolucja eukariotów jest „jedną z największych zagadek w biologii. [9] „To jak układanka” – zauważyła Elizabeth Pennisi. „Ludzie próbują ułożyć te klocki, ale nie wiemy kto ma rację, lub czy są jakieś kluczowe, a wciąż brakujące części”. [10]

Reakcja

Świadectwa empiryczne nie wskazują jasnej ewolucyjnej ścieżki wiodącej do eukariotów a zatem – co nie zaskakuje – ewolucjoniści wymyślili szerokie spektrum hipotez próbujących to tłumaczyć. [11] Jak zauważyli Embley i Martin: „Nie ma wśród prokariotów oczywistych struktur, które mogłyby być prekursorami dla tych atrybutów [eukariotów] i nie ma pośrednich typów komórek, mogących stanowić stopniowy ewolucyjny pomost pomiędzy prokariotami a eukariotami. Wynika z tego, że hipotezy w tym temacie są zróżnicowane i nowe sugestie pojawiają się szybciej niż starsze mogą być przetestowane”. [12]

Na bazie nowego modelu wspólnego przodka rozdzielającego się, by dać początek bakteriom, archeontom i eukariotom praktycznie każda możliwa kombinacja została zasugerowana. Jak to można zobaczyć na poniższej grafice, być może archeonty wydzieliły się od eukariotów, lub być może prokarioty oddzieliły się od archeontów. Być może jednak, że bakterie wydzieliły sie od eukariotów lub też możliwe, że archeonty i bakterie uległy fuzji, w wyniku której powstały eukarioty. Problem w tym, że żadna z tych hipotez nie jest wsparta solidnymi argumentami. Analizy porównawcze różnych molekularnych sekwencji dają prawdziwe zatrzęsienie możliwych ewolucyjnych pokrewieństw.

Fig. 2. Wszystkie kombinacje dozwolone...

Jako dodatek do bogactwa możliwych ewolucyjnych scenariuszy, darwiniści proponują szereg zróżnicowanych nowych procesów, wyjaśniających wczesną ewolucję organizmów. I tak mamy “genetyczne wyżarzanie”, genetyczną integrację, różnorodne fuzje i relacje symbiotyczne. Spekuluje się, że nawet wirusy symulowały powstanie różnych typów komórek. Empiryczne świadectwo niespecjalnie więc pasuje do ewolucyjnej wizji – delikatnie mówiąc. Konkretne i specyficzne przewidywanie na temat powstania eukariotów z prokariotów zostalo sfalsyfikowane. Aby ratować koncepcję wspolnoty pochodzenia ewolucjoniści musieli zamienić to jednoznaczne przewidywanie na szerokie spektrum różnorodnych hipotez, tworzonych specjalnie na potrzeby asymilowania sprzecznych z teorią ewolucji danych. Ta taktyka niepomiernie komplikuje i zaciemnia jednak rozumienie procesu ewolucji. Obecnie istnieje wiele hipotez, próbujących wyjaśniać powstanie eukariotów. Hipoteza, która jednak nie jest popularna to ta, że eukarioty pochodzą od prokariotów.

---------------------------------------------------

Przypisy:

1. Stent, G. (1971) Molecular genetics: An introductory narrative. W.H. Freeman: San Francisco, s. 8.

2. Miller, K.R., Levine, J., (1998) Biology. Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, s. 349.

3. Gupta, R.S. (1998) “Protein phylogenies and signature sequences: A reappraisal of evolutionary relationships among archaebacteria, eubacteria, and eukaryotes”, Microbiology and Molecular Biology Reviews, vol. 62, s. 1435-1491.

4. Embley, M., Martin, W., (2006) “Eukaryotic evolution, changes and challenges”, Nature, vol. 440, s. 623-630.

5. Kurland, C.G., Collins, L.J., Penny, D., (2006) “Genomics and the irreducible nature of eukaryote cells”, Science, vol. 312, s. 1011-1014.

6. Sapp, J., (2005) “The prokaryote-eukaryote dichotomy: Meanings and mythology”, Microbiology and Molecular Biology Reviews vol. 69, s. 292-305.

7. Pennisi, E., (2004) “The Birth of the nucleus”, Science, vol. 305, s. 766-768.

8. Forterre, P. and Philippe, H., (1999) "Where is the root of the universal tree of life?", BioEssays, vol 21, s. 871-879. Forterre, P. and Philippe, H., (1999) "The Last Universal Common Ancestor (LUCA), simple or complex?", Biological Bulletin, vol. 196, s. 373-377.

9. Lake, J.A., (2007) “Disappearing act”, Nature, vol. 446, s. 983.

10. Pennisi...

11. Doolittle, W.F., Brown, J.R., (1994) “Tempo, mode, the progenote, and the universal root”, Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 91, s. 6721-6728.

12. Embley and Martin...