„Tiesą sakant, buvo įdomu pažiūrėti, ar jos bent jau išgyvens sausumoje,“ sako Emily Standen. Ji planavo iš akvariumo išleisti beveik visą vandenį ir pažiūrėti, kaip su tuo susitvarkys žuvys. Tiriamos žuvys priklauso daugiapelekių būrio žuvims, kurios gali kvėpuoti oru ir, jei reikia, judėti sausuma, tad bandymas nebuvo toks jau beprotiškas.
Daugiau klausimų kėlė Standen pagrindimas. Prieš du metus, 2006, Tiktaalikas tapo pasauline sensacija. Ši 360 milijonų metų senumo fosilija suteikia vaizdą momento, kai žuviškieji mūsų protėviai išsirepečkojo į sausumą ir pradėjo keisti pelekus į galūnes. Standen manė, kad privertus daugiapelekę gyventi kone visiškai sausumoje, galima būtų daugiau išsiaiškinti apie šį kritišką mūsų evoliucijos žingsnį. Net jei būtumėte malonus, tokią mintį tikriausiai apibūdintumėte kaip keistoką.
Dabar tokia mintis atrodo įkvepianti. Daugiapelekės ne tik išgyveno. Jos pradėjo geriau „vaikščioti. Jų pelekai prisitraukė arčiau kūno, galvos pakilo nuo žemė ir mažiau slidinėjo už vandenyje augintas žuvis. Dar nuostabiau, pasikeitė ir jų skeletai. Jų „pečių" kaulai pailgėjo ir išvystė stipresnį ryšį su pelekų kaulais, tad žuvims tapo lengviau atsistumti nuo žemės. Taip pat susilpnėjo kaulų prisitvirtinimas prie kaukolės, dėl ko galvą buvo galima judinti daugiau. Šie bruožai neįtikėtinai panašūs į atsiradusius mūsų keturkojams protėviams evoliucionavus iš panašių į Tiktaaliką rūšių.
Nuostabiausia šiame eksperimente tai, kad šie pokyčiai atsirado ne auginant žuvų kartas sausumoje ir leidžiant poruotis tik geriausiai vaikštančioms. Tai nutiko per vienos žuvies gyvenimą. Pakako paprasčiausiai priversti jauną žuvį gyventi sausumoje aštuonis mėnesius, kad jai išsivystytų tokie gan dramatiški pokyčiai.
Jau seniai žinoma, kad mūsų raumenys, sausgyslės ir kaulai prisitaiko prie visko, ką su jais darome. Vis daugiau biologų mano, kad toks plastiškumas taip pat gali vaidinti svarbų vaidmenį evoliucijoje. Jie teigia, kad užuot iš pradžių mutavę ir po to prisitaikę, gyvūnai pirmiau prisitaiko, o tik paskui mutuoja. Tokie eksperimentai kaip Standen rodo, kad šis procesas galėjo būti svarbūs tokiuose evoliuciniuose perėjimuose, kaip žuvų išlipimas į sausumą ar beždžionių vaikščiojimas stačiomis.
Plastiškumo vaidmens evoliucijoje idėjai daugiau nei 100 metų. Kai kurie ankstyvieji biologai manė, kad per gyvūno gyvenimą įgautas charakteristikas gali paveldėti jų atžalos: žirafos įgavo savo ilgus kaklus, siekdamos aukštai kabančių lapų ir panašiai. Prancūzų gamtininkas Jean-Baptiste Lamarckas buvo geriausiai žinomas šios idėjos šalininkas, bet kažką panašaus manė ir Darwinas. Jis netgi pasiūlė sudėtingą mechanizmą, turintį paaiškinti kaip informacija apie pokyčius kūne galėtų pasiekti kiaušinėlius ir spermatozoidus, ir taip būti perduota palikuoniams. Taip, kėlė mintį Darwinas, plastiškumas sukuria paveldimas variacijas, su kuriomis gali darbuotis natūralioji atranka.
Randantis moderniajai genetikai, tokios mintys buvo atmestos. Tapo aišku, kad informacija apie tai, ką gyvūnai veikė per savo gyvenimą niekaip negali būti perduodama palikuoniams (nors keletas išimčių nuo tada atsirado). Ir buvo manoma, kad plastiškumas evoliucijoje jokio vaidmens nevaidina.
Tad dėmesys nukrypo į mutacijas. Penktajame XX a. dešimtmetyje standartiškai buvo manoma, kad gyvūnai pirma mutuoja, o paskui prisitaiko. Tarkime, mutacija spermatozoide gali sukelti fizinį pokytį palikuonio kūne. Jei pokytis naudingas, mutacija paplis populiacijoje. Kitaip tariant, atsitiktinės genų mutacijos sukuria variacijas, kurias veikia natūralioji atranka. Tai lieka vyraujančiu požiūriu į evoliuciją ir dabar.
Dramatiški plastiškumo pokyčiai nebuvo visiškai ignoruojami. Pavyzdžiui, XX a. penktajame dešimtmetyje olandų biologas Everhardas Johannesas Slijperis tyrinėjo be priekinių galūnių gimusią ožką, išmokusią šokinėti ant galinių kojų, panašiai kaip kengūra. Ožkai nugaišus, Slijperis ją ištyrė ir pasirodė, kad raumenų ir skeleto forma labiau priminė dvikojo, o ne keturkojo gyvūno.
Tokie atradimai susiję su evoliucijos procesu pasirodė nedaugeliui biologų. Faktas, kad pokyčiai, įgyti per gyvūno gyvenimą yra praeinantys, atrodė, išbraukia tokią galimybę. Pavyzdžiui, jei geriau vaikštančios Standen žuvys būtų suporuotos ir jų palikuoniai auginami normaliame akvariume, jos atrodytų ir elgtųsi kaip įprastos daugiapelekės.
Laikinas atsakas
O kas, jei plastinį atsaką sukėlusios aplinkos sąlygos yra nuolatinės? Gamtoje taip gali nutikti pasikeitus, tarkime, grobiui, ar klimatui. Tada visi populiacijos nariai vystytųsi tai pat, per kartų kartas. Atrodytų, lyg visa populiacija išsivystė atsaką į pasikeitusią aplinką, bet praktiškai tai nebūtų evoliucija, kadangi nėra paveldimo pokyčio. Išties, vienintelis būdas tai išsiaiškinti būtų individų „tyrimas“, auginant juos kitokiomis aplinkybėmis.
Bent jau taip plastiškumas leidžia gyvūnams „evoliucionuoti“ be evoliucijos. Savaime aišku, svarbiausias klausimas – ar tai gali sukelti tikrą evoliuciją, su paveldimais pokyčiais. „Galima sukelti plastinius pokyčius vienai kartai po kitos,“ sako Standen, kuri dabar dirba Ottawa'os universitete Ontario'uje, Kanadoje. „Ar kažkada galima pašalinti pokytį sukėlusias aplinkos sąlygas ir gyvūnai išliks pakitę?“
Kad ir kaip bebūtų keista, atsakymas teigiamas. XX a, šeštajame dešimtmetyje britų biologas Conradas Hal Waddingtonas parodė, kad tai įmanoma, savo eksperimente su vaisinėmis muselėmis. Waddingtonas išsiaiškino, kad lėliukes trumpai pakaitinus, kai kurie palikuoniai išsivysto be gyslelių sparnuose. Tada jis atrinko ir veisė tas museles. 14-oje kartoje kai kurios neturėjo gyslelių netgi jeigu lėliukės nebuvo kaitinamos. Fizinis bruožas, atsiradęs kaip plastiškas atsakas į aplinkos veiksnį tapo paveldimu.
Kaip tai įmanoma? Plastiniai pokyčiai atsiranda, nes aplinkos veiksniai kaip nors pakeičia vystymąsi. Gali pasigaminti daugiau kurio nors hormono, arba jis pasigamina kitu metu, arba įjungiami geni, kurie paprastai būna neaktyvūs ir t. t. ir pan. Reikalas tas, kad atsitiktinės mutacijos taip pat gali daryti tokį pat poveikį. Tad, aplinkoje, kurioje tam tikras plastinis atsakas svarbus išlikimui, populiacijoje gali plisti tik šį atsaką stiprinančios ar bent jau neslopinančios mutacijos. Galiausiai pakeistą vystymąsi genetinė struktūra stabilizuos taip, kad jis pasireikš netgi be aplinkos poveikio ir taps paveldimu požymiu.
Waddingtonas šį procesą pavadino genetine asimiliacija. Tai gali priminti lamarkizmą, tačiau taip nėra. Įgytos charakteristikos nesukelia genetinių pokyčių tiesiogiai, kaip manė Darvinas, jos tiesiog leidžia gyvūnams klestėti aplinkose, palankiose tam tikroms mutacijoms, atsirandančioms atsitiktinai
Waddingtono atradimai buvo laikomi veikiau įdomybėmis, nei svarbiomis įžvalgomis. Bet pastaruosius vieną du dešimtmečius, požiūris ėmė keistis. Viena iš priežasčių tapo augantis genų lankstumo suvokimas. Dabar žinome, kad daugelis gyvūnų kūno ir elgesio aspektų nėra griežtai užprogramuoti, o jiems įtaką daro aplinka.
Tokie atradimai paskatino kai kuriuos biologus teigti, kad vystymosi plastiškumas vaidina svarbų vaidmenį evoliucijoje. Keletas, tokie, kaip Kevinas Lalandas iš St Andrews universiteto JK, netgi tvirtina, kad įprastinį „pirma mutuok, paskui prisitaikyk“ evoliucijos vaizdą reikia permąstyti (Nature, vol 514, p 161). Dauguma biologų dar nėra tuo įsitikinę.
Skeptikai nurodo, kad genetinė asimiliacija nepaneigia jokių fundamentaliųjų evoliucijos principų – ilgalaikėje perspektyvoje, evoliucija reiškia mutacijų plitimą, ir nesvarbu, ar čia plastiškumas su tuo susijęs. Taip, sutinka plastiškumo šalininkai, bet svarbiausia, kad plastiškumas gali apspręsti, kurios mutacijos pasklis (New Scientist, 2013 spalio 12d., p 33), tad jos vaidmuo turėtų būti pelnytai įvertintas. „Keletas stambių evoliucijos vadovėlių plastiškumo netgi nepamini," sako Lalandas.
Plastiškumas kartais gali suvaidinti vaidmenį, atsako skeptikai, tačiau ji geriausiu atveju yra menka. „Nesiginčijama, kad genetinė asimiliacija gali vykti,“ sako Gregory Wray iš Duke universiteto Durhame, Š. Karolinoje. „Bet deja, yra labai mažai jos reikšmės gamtoje patvirtinimų.“ Būtent todėl Standen darbas su daugiapelekėmis toks svarbus. Jis rodo plastiškumo vaidmenį svarbiame evoliuciniame perėjime: žuvų virtimą keturkojais sausumos gyvūnais (Nature, vol 513, p 54).
Plastiškumui greitai bus priskirta vaidmuo ir kitame perėjime – kai prieš maždaug 7 milijonus metų mūsų protėviai nuo keturių kojų atsistojo ant dviejų. Adamas Fosteris, dabar dirbantis Northeast Ohio medicinos universitete Rootstowne, vertė peles vaikščioti bėgimo takeliu. „Turėjau reguliuojamos apkrovos sistemą, pagamintą taip, kad, kad galėčiau keisti užpakalinėms galūnėms tenkančią apkrovą,“ sako jis. Kai kurios pelės turėjo vaikščioti ant galinių letenėlių, tuo tarpu kitos vaikščiojo visomis keturiomis. Visos pelės tris mėnesius treniravosi ant bėgimo takelio po valandą per dieną, ir tada Fosteris tyrė jų skeletus.
Jis išsiaiškino, kad „dvikojėms“ pelėms išsivystė ilgesnės kojos, nei įprastinėms keturkojėms pelėms, ir kad padidėjo jų šlaunikaulių galvutės – rutuliai klubo sąnaryje. Abu bruožai siejami su homininų protėvių perėjimu prie dvikojystės. Fosterio rezultatai bus publikuoti vėliau šiais metais. „Manau, Adamo tyrimas išties svarbus,“ sako Jesse Young, anatomė iš Northeast Ohio medicinos universiteto. „Kai jis pradėjo, buvau nusiteikus kiek skeptiškai. Nemanėme, kad bus atrasta kas nors naudinga.“
Nors Standen ir Fosterio darbai rodo, kad vystymosi plastiškumas galėjo vaidinti vaidmenį stambiuose evoliuciniuose kitimuose, jie tik siūlomojo pobūdžio. Iš tiesų, šie tyrimai netgi neparodė, kad daugiapelekių ir pelių plastinius pokyčius mutacijos gali užfiksuoti. Pademonstruoti tokią genetinę asimiliaciją būtų tikrai nelengva, sako Standen. Su jos tyrinėtomis daugiapelekėmis tai būtų nepraktiška. „Kad ir kokios nuostabios, jas auginti nelengva,“ pažymi Standen. „Jos bręsta daugiau, nei pusę dešimtmečio, ir netgi tada jas sunku veisti nelaisvėje.“
Fosilijos čia irgi dažniausiai nepadeda. Įmanoma, kad kai kurie į sausumą lipančių žuvų pokyčiai atsirado dėl plastiškumo, ne dėl genetikos, sako Peras Ahlbergas iš Uppsala'os universiteto Švedijoje, tyrinėjantis persikėlimą į sausumą. Ahlbergas mano, kad bėda ta, jog to neina įrodyti. „Nėra įrodymų, leidžiančių pasirinkti iš dviejų variantų,“ sako jis.
Evoliucingesni
Kiti biologai nusiteikę entuziastiškiau. Jau seniai kelta mintis, kad skirtingos skeleto dalys yra plastiškesnės ir „evoliucingesnės“ už kitas, pažymi Williamas Harcourt-Smithas iš Amerikos gamtos istorijos muziejaus. „Tad pėdos ar delno kaulai gali suteikti daugiau naudingos informacijos, nei, tarkime, šlaunikaulis.“
Tokie darbai kaip Fosterio gali parodyti, ar taip išties yra ir padėti interpretuoti žmonių evoliucijos fosilijas. „Šie eksperimentai turi savo vertę,“ pabrėžia Harcourt-Smithas. „Jie gali padėti mums suprasti, ar bruožai yra plastiški ar ne.“
Paimkime korėtą mūsų ilgųjų kaulų galvučių struktūrą. Ji lengvesnė ir silpnesnė už išnykusių mūsų pusbrolių, pavyzdžiui, neandertaliečių. Praeitą mėnesį atliktame tyrime buvo lyginami medžiotojų rinkėjų ir ankstyvųjų Šiaurės Amerikos žemdirbių kaulai. Tyrimas parodė, kad mūsų kaulai susilpnėjo tik tada, kai pasikeitė mūsų protėvių gyvenimo būdas (PNAS, doi.org/xwq). „Galėtume turėti tokį pat stiprų skeletą, kaip mūsų priešistoriniai protėviai,“ pažymi komandos narys Colinas Shaw iš Kembridžo universiteto JK. „Neturime, nes tiesiog nesame tokie aktyvūs."
Gali būti, kad panašūs priešistoriniai skeleto struktūros pokyčiai galėjo būti neteisingai interpretuoti kaip naujų rūšių radimosi ženklai, kai tuo tarpu jie tik atspindi vystymosi plastiškumą, sako Shaw – tikriausiai ypač tai pasakytina apie homininų evoliuciją. Žmonės yra unikalūs, pabrėžia jis. „Pirmoji mūsų gynybos nuo aplinkos veiksnių linija yra kultūra. Kai tai netinka – tarkime, rūbai, kuriuos gali pasigaminti nėra pakankamai šilti – tada gal būt antroji gynybos linija yra plastiškumas. Tik jei tai nepadeda, gali rastis genetinė atranka.“
Visa tai palieka atvirą klausimą, ar genetinė asimiliacija gali „užfiksuoti“ bruožus, iš pradžių pasirodžiusius kaip plastiškumo rezultatas. Prieš dešimtmetį, Richardas Palmeris iš Aberta'os universiteto Edmontone, Kanadoje, rado įrodymų paieškų fosilijose būdą. Dauguma gyvūnų turi kokius nors asimetriškus bruožus. Mūsų atveju, tai širdies ir kitų organų išsidėstymas, kuris užkoduotas mūsų genuose. Bet kitų rūšių asimetrijos plastiškos. Pavyzdžiui, padidėjusi krabo smuikininko žnyplė gali būti tiek kairė, tiek dešinė.
Palmeris, ištyręs 68 augalų ir gyvūnų rūšių asimetrijos fosilijas nustatė, kad 28 atvejais dabar paveldimos ir būnančios tik vienoje pusėje asimetrijos iš pradžių buvo nepaveldimos simetrijos, galėjusios būti bet kurioje pusėje (Science, vol 306, p 828). „Manau, tai vienas iš aiškiausių pavyzdžių, kad genetinė asimiliacija vyko ir kad ji dažnesnė, nei manyta," dėsto Palmeris.
Tačiau yra kabliukas. Protėvių nepaveldimos asimetrijos galėjo būti atsitiktinio genetinio triukšmo rezultatas, pažymi Palmeris. Tad, nors jo darbas pademonstruoja vykstančią genetinę asimiliaciją, bruožai įsitvirtinti galėjo nebūtinai dėl vystymosi plastiškumo.
Nėra paprasto būdo įrodyti vystymosi plastiškumo evoliucinę svarbą, sako Mary Jane West-Eberhard iš Smithsonian Tropinių tyrimų instituto Kosta Rikoje, kurios darbas buvo itin įtakingas. „Evoliucinė biologija, tyrinėjanti evoliuciją ir rūšių vystymąsi gamtoje, neišvengiamai priklauso nuo netiesioginių įrodymų – hipotezę patvirtinančių ar paneigiančių faktų kaupimo,“ sako ji.
Kol kas besikaupiantys faktai hipotezę remia. Netrukus galima tikėtis daug daugiau rezultatų: Standen sėkmė įkvepia kitus. „Manęs žmonės jau klausia, su kokiais kitais kriterijais būtų galima tai išbandyti,“ sako Standen. „Visi yra draugiški, susijaudinę ir susidomėję. Tai smagu – toks ir turėtų būti mokslas.“ Ne atsitiktinumas
Ar gali plastiškumas paaiškinti, kodėl evoliucija kartojasi?
Per pastarąjį ledynmetį ledas dengė didžiąja Eurazijos ir Š. Amerikos dalį. Atsitraukdami ledynai po savęs paliko ežerus ir upes be vietinės žuvies.
Tuo netruko pasinaudoti jūrose gyvenusios trispyglės dyglės, kolonizavusios šias naujas aplinkas ir išsivysčiusios į gėlavandenes dygles. Tačiau neįprasta, kad šios gėlavandenės rūšys, išsivysčiusios visiška nepriklausomai viena nuo kitos, dažnai būna labai panašios kūno formos ir taip toliau.
Tai toli gražu ne vienintelis pavyzdys. Pavyzdžiui, Afrikos ežerų daugiaspalvės ešeržuvės, taip pat ne kartą išsivystė lygiagrečiai.
Standartinis to paaiškinimas yra konverguojanti evoliucija: nors mutacijos yra atsitiktinės, panašiose aplinkose gaunami panašūs evoliucijos rezultatai. Yra ir keletas šį požiūrį remiančių įrodymų, pavyzdžiui, gėlavandenės dyglės prarado šarvų plokšteles (New Scientist, 2011 balandžio 2d., p 32). Stulbinami panašumai
Bet Mary Jane West-Eberhard iš Smithsonian Tropinių tyrimų instituto Kosta Rikoje mano, kad lygiagreti evoliucija vyksta pernelyg dažnai, kad būtų galima ją paaiškinti vien konvergencija. Savo 2003 m. pasirodžiusioje knygoje Environmental Plasticity and Evolution, ji teigia, kad taip nutinka, nes panašios sąlygos sukelia panašų plastinį atsaką in the protėvių rūšyse. Natūrali atranka šį vyksmą įtvirtina.
Jei West-Eberhard teisi, tai bent jau kai kurie paveldimi gyvūnų bruožai kilo iš plastinių pokyčių, atsiradusių, jų protėviams persikėlus į naujas aplinkas. Ir kalbant apie gėlavandenes dygles, šį spėjimą galima patikrinti; jūrinės trispyglės dyglės tebegyvena, ir nuo ledynmečio nedaug tepasikeitė.
Tad Matthew Wundas iš New Jersey Koledžo Ewinge nusprendė patikrinti West-Eberhard idėjas. Su kolegomis iš Clark universiteto Worcesteryje, Massachusettse, jis ėmėsi tikrinti ar tiesiog maitinant augančias jūrines dygles racionu, panašiu į vartojamą gėlavandenių giminaičių, sukels panašius kūno formos pokyčius. Ir pasirodė, kad taip.
Jūrinėms žuvims, augintoms, maitinant planktoniniais bestuburiais iš gilių ežerų viršutinio sluoksnio, išsivystė ilgi snukiai, kaip dyglių, gyvenančių paviršiniuose ežerų sluoksniuose. Tuo tarpu jūrinėms žuvims, maitintoms dideliais bestuburiais, randamais seklių ežerų dugne, išsivystė ten gyvenančioms dyglėms būdingas snukis (The American Naturalist, vol 172, p 449).
„Vėliau praplėtėme eksperimentą, kad įvertintume ne tik dietos, bet ir gyvenimo vietos skirtumus,“ sako Wund. Prieš porą metų publikuoti šių eksperimentų rezultatai taip pat remia idėją, kad vystymosi plastiškumas formavo dyglių evoliuciją, kai kai jos užėmė atsitraukiančių ledynų paliktus ežerus.
