Drzewo ewolucyjne ścięte!

Trzeba przyznać, że redaktorzy New Scientist wycięli wielkie uniwersalne drzewo filogenetyczne z rozmachem - okładka krzyczy wielkimi literami na tle tegoż drzewa: "Darwin się mylił". [1] Ostro, zważywszy na początek hucznie przez darwinistów celebrowanego Roku Darwina. Ton New Scientist szybko podchwyciły inne media. [2]

"Koncept drzewa filogenetycznego był absolutnie centralny w myśleniu Darwina, równie ważny jak dobór naturalny" - stwierdza New Scientist, cytując Forda Doolittle z kanadyjskiego Dalhousie University. Bez tego drzewa teoria ewolucji nigdy by nie powstała. Darwin skutecznie argumentował, że drzewo filogenetyczne jest faktem przyrodniczym, dla wszystkich jasnym do zauważenia, choć wymagającym wyjaśnienia. Wyjaśnienie, które on zaproponował to ewolucja poprzez dobór naturalny.

Od czasu Darwina drzewo filogenetyczne było podstawową zasadą rozumienia historii życia na Ziemi. Zgodnie z tą wizją, najpierw pojawił się ostatni uniwersalny przodek (LUCA) wszystkich żywych form, i to z niego wyrósł pień drzewa filogenetycznego. Z tego pnia zaczęły z kolei kiełkować kolejne głęzie, by ostatecznie utworzyć wielkie rozgałęzione drzewo. Każda gałązka reprezentowała osobny gatunek. Punkt rozgałęzienia się to miejsce, gdzie z jednego gatunku wyewoluowały dwa. Większość gałęzi ostatecznie wyginęła, kiedy organizmy przez nie reprezentowane wymarły, ale niektóre przetrwały do dziś - to te najwyżej sięgające gałęzie na drzewie filogenetycznym.

Przez ostatnie 150 lat - ciągnie dalej New Scientist - biologia ewolucyjna była przekonana, że jej głównym zajęciem było uzupełnianie drzewa filogenetycznego kolejnymi szczegółami. "Przez długi okres czasu świętym Graalem była budowa drzewa filogenetycznego" - stwierdził Eric Bapteste, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Pierre i Marie Curie w Paryżu. "Kilka lat temu wyglądało na to, że święty Graal był tuż, tuż, w zasięgu ręki. Jednak dziś cały ten projekt legł w gruzach, roztrzaskany w drzazgi przez potężne negatywne świadectwo. Obecnie wielu biologów argumentuje, że cały koncept drzewa filogenetycznego to starzyzna, po której trzeba posprzątać”. Bapteste lekko dodaje: „Nie mamy żadnych dowodów, że całe to drzewo filogenetyczne istnieje".

Że co!? To jeszcze nie tak dawno każdy, kto ośmielił się zakwestionować prawdziwość ewolucji i w konsekwencji drzewa filognetycznego był co najwyżej "głupi, niedouczony lub złośliwy", jak to sentencjonalnie ujął Rysio Dawkins, a teraz Bapteste lekko stwierdza, że nie ma żadnych dowodów, że to drzewo w ogóle istnieje?

Istotnie, jak dodaje New Scientist to twierdzenie to po prostu "szrapnel". Szrapnel, który ugodził niektórych tak mocno, że twierdzą oni: "nasze fundamentalne rozumienie biologii musi ulec zmianie".

Co się jednak stało na przestrzeni ostatnich kilku lat, co doprowadziło do wybuchy tej bomby?

Krótka odpowiedź to DNA, a dokładniej analizy porównawcze sekwencji DNA, RNA i białkowych różnych organizmów. Od momentu odkrycia w latach 50. ubiegłego stulecia molekularnej struktury DNA stało się możliwe odczytywanie jego sekwencji (i innych biomolekuł, jak RNA i białek). Zmaterializowało się więc marzenie pionierów molekularnej filogenezy, marzenie, które miało przynieść potężne pozytywne świadectwo, potwierdzające istnienie drzewa filogenetycznego: możliwość porównywania sekwencji różnych organizmów. Zasadnicza idea jest prosta: im dwa gatunki są bardziej spokrewnione (tj. później rozdzieliły się od wspólnego przodka na drzewie filogenetycznym), tym ich DNA, RNA i białka powinny być bardziej podobne.

I to był początek końca darwinowskiego drzewa życia. Zestawianie sekwencji przyniosło trzy istotne obserwacje.

1. Modularność organizmów. Podobieństwa wśród organizmów nie formują rozgałęziającego się wzorca – jak by to sugerowało darwinowskie wspólne pochodzenie z modyfikacjami. Przeciwnie, na podobieństwo wytworów naszej technologii wzorzec podobieństw i różnic pojawia się w złożonym mozaikowym lub modularnym wzorcu. Porównując różne moduły można rysować radykalnie różne schematy pokrewieństw w zależności od tego, jakie sekwencje są analizowane. Im więcej i więcej sekwencji było dotępnych do badania, tym mniej i mniej wzorzec ich podobieństw przypominał drzewo.

Zaczęło się dobrze - konstatuje New Scientist – pierwsze sekwencjonowane molekuły były to RNA znajdowane w rybosomach – molekularnych fabrykach produkujących białka na podstawie matrycy pobranej z DNA. W latach 70. ubiegłego wieku poprzez zestawianie sekwencji różnych roślin, zwierząt i mikroorganizmów biologowie molekularni zaczęli rysować uniwersalne drzewo filogenetyczne. Pierwszym zaskakującym wynikiem tych badań było odkrycie nowej wielkiej gałęzi na tym drzewie – archeontów, o których poprzednio sądzono, że są bakteriami.

W połowie lat 80. Wśród biologów panował wielki optymizm, że techniki molekularne już wkrótce objawią uniwersalne drzewo filogenetyczne w całej jego chwale. Jak na ironię, stało się dokładnie przeciwnie.

Problemy zaczęły się na początku lat 90. ubiegłego wieku, kiedy stało się możliwe zestawianie genów archeontów i bakterii, a nie tylko samego RNA. Oczekiwano, że porównania DNA potwierdzą drzewa filogenetyczne oparte o RNA i w niektórych przypadkach to nastąpiło, ale w wielu – bardzo kluczowych – nie. Przykładowo RNA sugerowało, że gatunek A był bardziej spokrewniony z gatunkiem B niż z C, ale podobieństwo oparte na DNA mówiło coś dokładnie przeciwnego. W miarę im więcej i więcej molekularnych sekwencji było dostępnych do porównawczych analiz, tym więcej i więcej pojawiało się sprzeczności pomiędzy molekularnymi filogenezami. Więcej o tych sprzecznościach pisałem w części pierwszej i drugiej.

2. Poziomy transfer genów. Darwin zakładał li tylko „pionowe” dziedziczenie z modyfikacjami, w którym organizmy przekazują swoje cechy potomstwu. Co jednak, jeśli organizmy rutynowo wymieniają się materiałem genetycznym z innymi gatunkami? „Jeśli tak - stwierdza New Scientist - to ładny rozgałęziający się wzorzec szybko degeneruje się w niepenetrowalny busz relacji, gdzie gatunki są pod pewnymi względami spokrewnione, ale pod innymi niekoniecznie”.

A wiemy teraz, że jest to dokładnie, co się zdaża. Im więcej genów było dostępnych do porównań, tym jasnym się stawało, że wzorzec pokrewieństw może być wyjaśniony tylko jeśli bakterie i archeonty wymieniały się materiałem genetycznym z innymi gatunkami, uwaga, często taksonomicznie bardzo odległymi.

Początkowo zakładano, że poziomy transfer jest tylko pomniejszym graczem, umożliwiającym transfer niektórych specjalnych funkcji, w rodzaju oporności na antybiotyki, a zasadnicze biologiczne funkcje, takie jak replikacja DNA i synteza białek były wciąż przekazywane tylko „pionowo”, poprzez dziedziczenie z modyfikacjami. Zawężano także to zjawisko do mikroorganizmów. To spojrzenie było jednak błędne. „Istnieje powszechna wymiana genetycznej informacji pomiędzy różnymi grupami” – stwierdził Michael Rose, biolog ewolucyjny z University of California.

Świadomość, na jaką skalę ma miejsce horyzontalny transfer genów zmasakrowała uniwersalne drzewo filogenetyczne. New Scientist cytuje Doolittle, który w 1999 r. w Science stwierdził, że „historia życia nie może być właściwie reprezentowana jako drzewo”. W zeszłym roku Tal Dagan i William Martin z Uniwersytetu Heinrich Heine w Düsseldorfie przeegzaminowali ponad pół miliona genów pobranych z 181 prokariotów i stwierdzili, że ponad 80% z nich nosi oznaki hotyzontalnego transferu. Świetnie. Jeśli 80% genów prokariotów powstało w wyniku rearanżacji istniejących genów poprzez wymianę z innymi gatunkami, znaczy to, że darwinizm i jego „dziedziczenie z modyfikacjami” jest w 80% fałszywy. A jeszcze nie tak dawno był dowiedzony równie dobrze, jak teoria grawitacji.

Co gorsza, horyzontalny transfer genów okazuje się być rozpowszechniony także wśród “wyższych” organizmów, jak zwierzęta. New Scientist przytacza wyniki zeszłorocznych badań zespołu z University of Texas, który znalazł dziwaczny fragment DNA w genomach ośmiu zwierząt: myszy, szczura, galago, szczura wędrownego, kretojeża, dydelfa, jaszczurki anolis i afrykańskiej żabie szponiastej, ale nie w genomach 25 innych, jak ludzie, słonie, kurczaki i ryby. Ta mozaikowa dystrybucja świadczy – zdaniem badaczy – że sekwencja ta musiała zostać adaptowana do genomu każdego gatunku niezależnie, poprzez horyzontalny transfer.

Inne przypadki poziomego transferu genów wśród wielokomórkowców nadchodzą szybko i w obfitości: udokumentowane zostały wśród owadów, ryb i roślin, a kilka lat temu fragment DNA węża został znaleziony w genomie krowy. A my sami? Proszę bardzo: niektórzy oceniają, że od 40 do 50% ludzkiego genomu pochodzi w wyniku horyzontalnego transferu genów. To samo jest najpewniej prawdziwe dla genomów innych dużych zwierząt.

A to oznacza dwie rzeczy. Raz, że - w wielkim stopniu - nie stworzyła nas standardowa darwinistyczna ewolucja, tylko rearanżacje już istniejących genów transferowanych od innych gatunków i inkorporowanych w nasz genom. Dwa, horyzontalny transfer genów na taką skalę wśród zwierząt bez reszty wycina ich ewolucyjne filogenezy, podobnie, jak to uczynił wśród mikroorganizmów. Lub, jeśli wolisz za New Scientist „degeneruje te filogenezy w niepenetrowawalny busz”.

3. Endosymbioza. Sądzi się, że podczas wczesnej ewolucji eukariotów pochłonęły one dwa rodzaje wolno żyjących prokariotów – jeden dał początek mitochondriom, drugi był prekursorem chloroplastów, gdzie zachodzi fotosynteza. Te „endosymbionty” przeniosły następnie duże części swoich genomów dp genomu gospodarza, tworząc w ten sposób hybrydowy genom. Jakby tego było mało, darwiniści sądzą, że niektóre wczesne eukarioty wchłaniały się wzajemnie, łącząc swoje genomy i tworząc kolejny poziom horyzontalnej wymiany genów.

To ostatecznie dobiło uniwersalne filogenetyczne drzewo. Z tak płynną siecią poziomego przepływu genetycznej informacji wśród różnych taksonów, rysowanie ewolucyjnego drzewa na podstawie porównywania sekwencji molekularnych nie ma sensu. Rose określił to jasno: „Filogenetyczne drzewo zostało grzecznie pochowane – wszyscy to wiemy”. Wszyscy wiemy, że z analizy danych nie wyłania się żaden spójny obraz ewolucyjnego drzewa pokrewieństw. Z pewną taką nieśmiałością zauważamy, że to dokładnie to, co przewiduje kreacjonizm.

Wśród kreacjonistów strzelają więc korki od szampana, wśród darwinistów nastroje nieco bardziej zróżnicowane. Niektórzy wciąż wierzgają, nie chcąc porzucić dawnej koncepcji drzewa. Inni snują wielką pajęczą sieć, mającą wypełnić lukę po właśnie ściętym drzewie. „Jeśli nie ma drzewa filogenetycznego, co to znaczy dla biologii ewolucyjnej?” – pyta Bapteste. „Na początku jest to przerażające [...] ale w ostatnich kilku latach ludzie zaczęli uwalniać się z ograniczeń myślenia”. To, że darwiniści mocno potrzebują uwolnić się z „ograniczeń myślenia” to my wiemy aż za dobrze.

„Spokojnie – studzi nastroje Doolittle – rozumiemy ewolucję całkiem nieźle, ona jest po prostu znacznie bardziej złożona, niż wyobrażał to sobie Darwin. Drzewo nie jest jedynym wzorcem”.

Inni z kolei nie widzą powodów do relaksu. Ścięcie wielkiego drzewa życia rozumieją oni jako początek czegoś całkiem nowego. „To część rewolucyjnej zmiany w biologii” – mówi Dupré. “Nasz standardowy ewolucyjny model jest pod olbrzymią presją. Z pewnością będziemy rozumieć ewolucję bardziej jako łączenie i współpracę niż zmiany w izolowanych liniach rodowych”.

Rose idzie jeszcze dalej: “Co jest mniej akceptowane to fakt, że nasze fundamentalne rozumienie biologii musi ulec zmianie. Biologia jest nieporównywalnie bardziej złożona niż dotychczas sądziliśmy i zderzenie z tą złożonością będzie tak samo przerażające, jak koncepcyjny wstrząs, jaki przeżyli fizycy na początku XX wieku”.

Tak więc, zdaniem niektórych, rozumienie biologii musi ulec fundamentalnej zmianie. Być może zmiana ta powinna wynikać ze zrozumienia biosfery, jako systemu zaprojektowanego. W międzyczasie jednak, wznieśmy toast za zaskakujący, ale jakże udany początek Roku Darwina: oficjalne przyznanie, że kolejne, jedno z zasadniczych przewidywań darwinizmu, przewidywanie wynikające z samego rdzenia tej teorii zostało sfalsyfikowane.

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

Przypisy:

1. Lewton, G. (2009) Why Darwin was wrong about the tree of life. New Scientist, vol. 2692, 21 January 2009, s. 34-39.

2. Sample, I. (2009) Evolution: Charles Darwin was wrong about the tree of life. The Guardian. News - Science, 21 January 2009; Charles Darwin's tree of life is 'wrong and misleading', claim scientists. (2009) The Telegraph. Science and Technology, 22 January 2009.