Miesięcznik ZNAK, kwiecień 2001, nr 551, str. 8 - 25

EWOLUCJA

SZOKUJĄCO PROSTY MECHANIZM

I JEGO ZADZIWIAJĄCE KONSEKWENC]E

Jan Kozłowski

Paradoksalnie, nauka, będąca źródłem postępu, jest bardzo konserwatywna w swoich procedurach. Wynik eksperymentu uznawany jest za prawdziwy dopiero wtedy, gdy szansa, że powstał przypadkiem, nie przekracza 5%. Odrzuca się więc ogromną większość prawdziwych, lecz niedostatecznie udokumentowanych wyników. W sądzie najmniejszy cień wątpliwości powoduje uniewinnienie -zatem wielu przestępców chodzi po ulicach, ale słusznie uznaliśmy, że tak jest lepiej, niż gdyby w więzieniach siedzieli przypadkowo skazani. W nauce odrzucamy wiele prawdziwych twierdzeń, bo uznaliśmy, że tak jest lepiej, niż gdybyśmy zbyt łatwowiernie przyjmowali fałszywe. Gdyby nie te konserwatywne procedury, nauka szybko zamieniłaby się w zbiór anegdotycznych historyjek, a najlepsze naukowe periodyki niewiele różniłyby się od ilustrowanego czasopisma „Nie z tej ziemi”. Tak rygorystyczne odrzucanie wszystkiego, co jest prawdopodobne w mniej niż 95%, daje gwarancję, że nawet te potencjalne 5% błędnych stwierdzeń nie zagości na długo w nauce, bo zostanie odrzucone w następnych testach.

Konserwatyzm codziennych procedur uczonych przekłada się też na niechęć do nowych teorii, burzących dotychczasowy obraz rzeczywistości. Teoria Einsteina została przyjęta z niedowierzaniem, ale ponieważ wyjaśniała wiele spraw, których wcześniejsze teorie fizyki nie były w stanie wytłumaczyć, została poddana rygorystycznym testom logicznym oraz empirycznym i dość szybko zaakceptowana w świecie nauki. Szybko przyjęło ją też społeczeństwo, ufając fizykom jako zbiorowości. Inaczej stało się z teorią Darwina, starszą od teorii Einsteina o kilkadziesiąt lat. Wyjaśniła ona bardzo wiele zjawisk biologicznych i umożliwiła bujny rozwój współczesnej biologii. Biolodzy jako zbiorowość od dawna tę teorię w pełni akceptują, a odkrycia genetyki pozwoliły na jej sformalizowanie. A jednak krytyka teorii ewolucji jest powszechna, zwłaszcza w codziennych gazetach i periodykach niefachowych.

Dlaczego uwierzono fizykom, a nie wierzy się biologom? Czy teoria względności jest łatwiejsza do zrozumienia niż teoria ewolucji? Na pewno nie. By zrozumieć teorię Einsteina, trzeba posługiwać się skomplikowanym aparatem matematycznym. By zrozumieć teorię Darwina dziś, gdy znamy mechanizmy dziedziczenia, bardzo niejasne w czasach Darwina, wystarczy prosta logika. Gdzie zatem leży przyczyna tak powszechnej niechęci? Może po prostu boimy się światopoglądowych konsekwencji tej teorii? A jeśli tak, czy słusznie? W dalszej części tego artykułu spróbuję wyjaśnić podstawowe mechanizmy ewolucji. Na zakończenie będę rozważał ich konsekwencje światopoglądowe. Ponieważ ta druga część nie dotyczy już formalnie biologii i nie ma nic wspó1nego z metodologią nauk ścisłych, wyróżniona jest kursywą.

Krótka historia życia na Ziemi

Nie wiemy, jak powstało życie, choć istnieją pewne mniej lub bardziej wiarygodne tego scenariusze. Wiemy natomiast w przybliżeniu, kiedy powstało. Organizmy podobne do współcześnie żyjących bakterii i archebakterii żyły na Ziemi 3,6 miliarda lat temu, a może nawet nieco wcześniej. Przez około 1,5 miliarda lat istniały tylko one. Potem powstały organizmy jednokomórkowe, tradycyjnie zwane (mimo często bardzo złożonej budowy) pierwotniakami. Posiadają one, podobnie jak bakterie i archebakterie, nośnik informacji genetycznej w postaci związku chemicznego zwanego skrótowo DNA, ale - inaczej niż u bakterii - DNA znajduje się w jądrze komórkowym, jest więc oddzielone od reszty komórki. Co może ważniejsze, ilość informacji genetycznej w komórkach pierwotniaków jest znacznie większa niż u bakterii. Pierwotniaki wraz z bakteriami i archebakteriami królowały niepodzielnie na Ziemi przez kolejne kilkaset milionów lat, zanim powstały rośliny i zwierzęta wielokomórkowe.

Światy bakterii i pierwotniaków (a zatem i ich wielokomórkowych potomków) nie są całkowicie oddzielone - pra-pierwotniaki weszły kiedyś w bardzo ścisłą symbiozę z pewnymi bakteriami. Bakterie te uległy następnie znacznemu uproszczeniu i stanowią dziś mitochondria, będące centrami energetycznymi każdej jądrzastej komórki. Podobna symbioza z inną bakterią, zaliczaną do sinic, doprowadziła najprawdopodobniej do powstania chloroplastów (ciałek zieleni), dzięki którym rośliny zdobywają energię w procesie fotosyntezy. Każda komórka organizmów posiadających jądro komórkowe jest zatem swoistą hodowlą bardzo przekształconych i wysoce zintegrowanych z nią mikroorganizmów.

Pojedyncze komórki pierwotniaków tworzyły kolonie, a w ich obrębie dochodziło niekiedy do podziału funkcji. Tak powstały organizmy wielokomórkowe, które dziś najbardziej rzucają się w oczy obserwatorowi przyrody, choć wystarczy wziąć pod mikroskop kroplę wody lub grudkę ziemi, by zrozumieć, że bakterie i pierwotniaki ciągle dominują na naszej planecie. Około 220 milionów lat temu pojawiły się pierwsze ssaki, a mniej więcej 33 miliony lat temu od głównej linii małp człekokształtnych oddzieliła się grupa tzw. hominidów. Z tej grupy przetrwał do dziś tylko jeden gatunek, Homo sapiens, którego powstanie datuje się na mniej więcej 100000 lat temu, choć błąd może wynosić nawet 50%. Gdyby historię życia na Ziemi przedstawić na tarczy 24-godzinnego zegara, to człowiek pojawił się mniej więcej na 2,5 sekundy przed północą, czyli przed „dziś”. Gatunek ten charakteryzuje się wyjątkową inteligencją i zdolnością do tworzenia kultury, a jak okazało się po kolejnych 100 000 lat, zdolny jest także do globalnego przekształcania powierzchni Ziemi dzięki wynalazkom technicznym. Być może te właśnie zdolności doprowadzą kiedyś do zagłady Homo sapiens. Nie będzie to niczym nadzwyczajnym, bo obecnie żyje nie więcej niż 0,1 %wszystkich gatunków, które kiedykolwiek istniały na Ziemi. Nie będzie też niczym nowym, że jakiś gatunek zniszczy swoje środowisko do takiego stopnia, że wymrze. Samożywne bakterie produkujące tlen 3 miliardy lat temu były beztlenowcami, a tlen był dla wielu z nich zab6jczy. Jednak tylko człowiek ma świadomość, która potencjalnie umożliwia zapobieżenie katastrofie, szykowanej przez jego własny gatunek.

Czy podany tu kalendarz jest wiarygodny? Oczywiście, im głębiej się cofamy, tym większym błędem obarczone są oszacowania, ale czy warto spierać się o głupie 100 milion6w lat, gdy mówimy o miliardach, albo o 10 000 lat, gdy mówimy o milionach? Natomiast upieranie się przy mierzeniu historii Ziemi rzędem tysięcy lat, a więc dosłowne interpretowanie w tym zakresie Biblii, wymaga zakwestionowania nie tylko osiągnięć biologii, ale wszystkich nauk przyrodniczych. Ani Kościół katolicki, ani większość religii protestanckich nie obstają już przy traktowaniu Biblii jako księgi opisującej przyrodniczą historię Ziemi. We wszystkich religiach istnieje jednak nieliczna, lecz bardzo krzykliwa grupa tzw. kreacjonistów, którym udaje się zaszczepić nieufność do nauki w dość szerokich kręgach społeczeństwa.

Dobór naturalny - główny motor ewolucji

Organizmy żywe są układami, które utrzymują wyższy stopień złożoności niż ich otoczenie dzięki degradowaniu ogromnej ilości energii do formy mniej użytecznej, w większości zamienianej w ciepło. Fizyk powiedziałby zatem, że organizmy te są strukturami dyssypatywnymi, utrzymującymi swoją entropię (nieuporządkowanie) na niższym poziomie niż otoczenie, kosztem zwiększania poziomu entropii tegoż otoczenia. Nie to jednak wyróżnia organizmy żywe. Wir w wannie, z której wypływa woda, prądy konwekcyjne w gotującej się wodzie lub potężne huragany są także strukturami dyssypatywnymi. Ożywione struktury dyssypatywne wyróżnia posiadanie przez nie programu genetycznego. Program taki to prosty lub bardziej skomplikowany przepis na życie: zbiór kolejno wykonywanych instrukcji prowadzących w ostatecznym rezultacie do wyprodukowania potomka. W tym celu trzeba nagromadzić zasoby niezbędne dla wybudowania struktur jego ciała i skopiowania programu genetycznego. Zatem osobnik musi jakiś czas trwać, musi też zdobyć odpowiednie materiały budulcowe. Nie zawsze się to udaje. Spośród wielu osobników mających taki sam program genetyczny tylko niektóre wyprodukują swą kopię. Rządzi tu czysty przypadek, potocznie powiedzielibyśmy, że jedne osobniki miały szczęście, a inne nie. Dopóki programy genetyczne nie różnią się między sobą, jest całkowicie bez znaczenia, którym osobnikom uda się rozmnożyć, a którym nie.

Podczas kopiowania programu genetycznego muszą się zdarzać błędy. Współczesne organizmy mają swój program zapisany w chemicznej formie DNA, mającej właściwości umożliwiające wykonywanie bardzo wiernych kopii, zwłaszcza że w komórce istnieją mechanizmy biochemiczne czuwające cały czas nad prawidłowym przebiegiem procesu. Kopie są bardzo podobne, ale nie identyczne. Współistnieją więc podobne, lecz nieidentyczne programy genetyczne, czyli przepisy, jak wyprodukować coś bardzo podobnego, niemal identycznego z samym sobą. Drobne różnice pomiędzy programami muszą, przynajmniej czasami, zmieniać oczekiwaną (przeciętną) liczbę osobników potomnych (a więc kopii programów), jaką uda się wyprodukować. Trzeba tu jeszcze raz podkreślić, że to, ile kopii dany osobnik wyprodukuje, jest głównie dziełem przypadku. Jednak to, ile wyprodukują średnio osobniki posiadające taki sam program, zależy od zawartości programu. Brak tego rozróżnienia prowadzi często do nieporozumień w dyskusjach. By użyć analogii: zarówno kierowca ostrożny, jak i kierowca brawurowy może ulec wypadkowi. Ale ostrożni kierowcy powodują przeciętnie mniej wypadków niż nieostrożni. Podobnie lepszy program genetyczny będzie średnio produkował więcej swych kopii, choć wiele osobników posiadających taki program z pewnością nie dożyje nawet wieku reprodukcyjnego.

Skoro przy produkcji osobników potomnych produkowane są kopie programów genetycznych bardzo podobne, ale nie absolutnie identyczne, to powstaje zmienność programów. Od instrukcji w nich zapisanych zależy liczba dalej produkowanych kopii. Zatem pewne instrukcje będą stawały się coraz liczniejsze, a inne mniej liczne. Oczywiście większość zmian, przecież całkowicie przypadkowych, obniży jakość programu, a więc i oczekiwaną liczbę kolejnych kopii. Będzie działać selekcja eliminująca te zmiany, przywracająca pierwotną wersję programu tylko dlatego, że częściej się on kopiuje. Niepotrzebny jest selekcjoner oceniający (za)wartość programu. Z rzadka przy kopiowaniu pojawi się zmiana (fachowo: mutacja), która spowoduje, że nosiciel programu wyprodukuje średnio więcej osobników potomnych, a więc i kopii zmienionego programu. Taka zmutowana kopia będzie coraz częstsza, bo częściej się kopiuje. I tu niepotrzebny jest selekcjoner. Z czasem - a od powstania pierwszej komórki dzielą nas przecież miliardy pokoleń -zmiany powodujące efektywniejsze budowanie kopii zakumulują się, dając zadziwiające formy organizmów żywych, zachowujących się jak precyzyjnie zaplanowane przez konstruktora automaty, czasem dość inteligentne, rozwiązujące zwykle poprawnie problem, jak zjeść coś i nie zostać zjedzonym we wrogim świecie, gdzie liczy się każda porcja białka, dająca szansę na wyprodukowanie większej liczby kopii własnych genów.

To jest właśnie natural selection, termin przetłumaczony na język polski jako „dobór naturalny”. Naturalny, bo nie jest potrzebny zewnętrzny selekcjoner. Nie musimy mówić o przeżywaniu najlepiej przystosowanego, co nas drażni, bo widzimy swe ułomności, a mimo to chcemy mieć szansę na udane życie, w tym także pozostawienie kopii swych genów. I mamy taką szansę, co najwyżej nieco mniejszą niż inni (porównaj analogię z ostrożnymi i brawurowymi kierowcami). Nie musimy mówić o walce o byt, kojarzącej się niepotrzebnie z przemocą. Ta walka o byt to tylko zdobywanie budulca do wyprodukowania kopii w połączeniu z unikaniem śmierci, nim kopie te się wyprodukuje. Darwin miał świadomość niedoskonałości swego języka. Szkoda, że nie znał genetyki i nie istniało w jego czasach programowanie, bo wyrażałby się znacznie jaśniej.

Był jednak pewien problem, który Darwina szczególnie niepokoił. Widać to z jego korespondencji oraz zmian, często nietrafnych, wprowadzonych w późniejszych wydaniach O powstawaniu gatunków. .. Opisany tu proces działania doboru naturalnego może funkcjonować tylko wtedy, gdy programy genetyczne rodziców i dzieci są dostatecznie podobne. Bo o tym, że są podobne, wiedział każdy hodowca, każda niańka patrząca na rodzic6w i ich dzieci. Ale czy dostatecznie podobne, by pozytywne zmiany akumulowały się z pokolenia na pokolenie, a nie rozmywały, prowadząc do stopniowej degradacji programu aż do tego stopnia, ze przestanie się on kopiować? Bez znajomości mechanizmów dziedziczenia trudno było ten problem rozstrzygnąć. Do dziś nie wiemy (choć są tu pewne hipotezy), jak zachowywana była dostateczna wierność kopii z oryginałem, zanim powstały precyzyjne mechanizmy biochemicznej kopiarki DNA zdolne do przeprowadzania napraw. Ponadto wielu uczonych starało się wmówić Darwinowi, że zlewanie się cech matki i ojca (co, jak dziś wiemy, nie następuje: geny ojca i matki współpracują, ale się nie zlewają) uniemożliwia utrzymanie genetycznej tożsamości przez wiele pokoleń w stopniu wystarczającym, aby zaszedł dob6r naturalny. Darwin był inteligentniejszy i był baczniejszym obserwatorem niż jego krytycy, ale i tak udało im się zasiać ziarno niepokoju. Teoria ewolucji byłaby do dziś mniej czy bardziej prawdopodobną hipotezą, gdyby nie genetyka, która całkowicie opowiedziała się po stronie Darwina.

Skąd ten seks?

Jak pisałem wcześniej, bardzo długo bakterie i archebakterie były wyłącznymi panami Ziemi. Ich programy genetyczne, choć stosunkowo krótkie i proste, są jednak bardzo skuteczne. Nie ma ani na powierzchni Ziemi, ani w głębinach morskich miejsca, gdzie nie byłoby bakterii. Jak się ostatnio okazało, występują one nawet głęboko w skalach. Pierwsze organizmy wyposażone w jądro komórkowe były zaopatrzone także w niezbyt duże programy genetyczne. Nie istniał więc problem z zachowaniem dostatecznej wierności kopii. Więcej błędów popełniamy, przepisując całą książkę, niż przepisując kilka linijek.

Choć często wystarcza prosty program, by zdobyć budulec i stworzyć osobnika potomnego, unikając tymczasem śmierci, zaczęły pojawiać się takie zakamarki świata, gdzie bardziej skomplikowane programy kopiowały się lepiej. Zwłaszcza że część pierwotniaków złożonych z komórek jądrzastych była sprawnymi myśliwymi, nie zadowalającymi się zjadaniem bakterii, ale polującymi na inne pierwotniaki. Posiadacze bardziej skomplikowanych programów genetycznych, budujących komórki bardziej złożone, lepiej odbierające bodźce z otoczenia, łatwiej unikali zjedzenia i w pewnych warunkach pozostawiali więcej kopii. Drapieżne pierwotniaki z bardziej złożonym programem, a więc i sprawniej reagującą komórką, miały większe sukcesy łowieckie, a zatem i więcej budulca do produkowania kopii. Wyścig zbrojeń trwał. Przy przepisywaniu z pokolenia na pokolenie coraz większych ksiąg zawierających programy genetyczne w sposób nieunikniony rosła liczba błędów, coraz rzadziej kopie były dostatecznie wierne w stosunku do oryginału. Wyścig zbrojeń szybko by się zakończył, gdyby nie powstało rozmnażanie płciowe, mechanizm tasowania genów pochodzących od dwóch rodziców. Wynikiem tasowania są kopie zawierające więcej błędów, o mniej sprawnym programie, z obniżonymi szansami wyprodukowania dalszych kopii, oraz kopie o mniejszej liczbie błędów, ze zwiększonymi szansami na wyprodukowanie dalszych kopii, co kompensuje z nawiązką niepowodzenie kopii upośledzonych. Rozdział błędów pomiędzy kopie jest czysto losowy, co przecież nie oznacza, że oba rodzaje kopii zostaną obdzielone jednakowo. Kto nie wierzy, niech namaluje jakiś znak na dziesięciu wylosowanych kartach każdej z dwóch talii, talie te zmiesza, a następnie podzieli znów na dwie, nie patrząc na kolor koszulki. Jeśli powt6rzy ten proces wielokrotnie, zauważy, jak nierównomiernie potrafi rozłożyć się liczba pomalowanych kart w obu tak stworzonych taliach i jak rzadko będzie dokładnie tyle samo znakowanych kart w każdej z dwu talii.

Z wcześniejszych wywodów można wywnioskować, że w przypadku występowania rozmnażania płciowego nie możemy już mówić o konkurencji całych programów genetycznych, gdyż w jednym osobniku pracuje koalicja programów pochodzących od ojca i matki. Do komórki rozrodczej przechodzi tylko połowa genów pochodzących od matki i polowa pochodzących od ojca. Ta nowa kombinacja wejdzie znów w czasową koalicję z innym programem genetycznym, zawartym w drugiej gamecie. Wymiana części programu genetycznego jest właśnie istotą procesu płciowego. Zatem nie konkurują ze sobą cale programy, ale różne formy tych samych genów, zwane w genetyce allelami, oznaczanymi umownie różnymi symbolami, na przykład dużymi i małymi literami. W najprostszych przypadkach para alleli jednego genu decyduje o danej cesze. Na przykład para A i A pewnego genu, czyli AA, powoduje, że czerwone krwinki są normalne, ale wrażliwe na malarię. Para Aa determinuje krwinki wprawdzie nieco zdeformowane, ale odporne na malarię. Natomiast para aa daje krwinki tak zdeformowane, że dziecko nie przeżywa. Sukces allelu A lub a zależy między innymi od stopnia zagrożenia malarią na danym terenie. Istnieją lub mogą powstać alternatywne formy każdego z kilkudziesięciu czy kilkuset tysięcy genów występujących w programach genetycznych tzw. organizmów wyższych.

Pewien dział genetyki, zwany genetyką populacji, pokazał w pierwszym dwudziestoleciu XX wieku, że rozbijanie kombinacji genów przy każdym rozrodzie płciowym, a więc czasem nawet w każdym pokoleniu, nie jest przeszkodą do zachodzenia ewolucji drogą doboru naturalnego. Tego właśnie fragmentu wiedzy tak bardzo brakowało Darwinowi!

Tasowanie genów w procesie płciowym daje możliwość częściowego uwolnienia się od nagromadzonych szkodliwych mutacji. Zatem rozmnażanie płciowe umożliwiło komplikację programów genetycznych, stało się niezbędnym warunkiem powstania bardziej złożonych organizmów. Bardziej złożonych, co nie oznacza doskonalszych. Nie deprecjonujmy bakterii - wyposażeni w antybiotyki i środki dezynfekujące tak łatwo im ulegamy, nie mówiąc o tym, że świat jest całkowicie zależny od istnienia bakterii, a mógłby doskonale obejść się bez nas. Chcę tylko powiedzieć, że dzięki rozmnażaniu płciowemu możliwe jest istnienie nie tylko organizmów prostych, ale i tych z większymi programami genetycznymi. Równocześnie tasowanie genów pochodzących od ojca i matki bardzo przyspiesza zachodzenie zmian ewolucyjnych.

Dlaczego niektóre organizmy rozmnażają się wyłącznie płciowo?

W celu opisanego wyżej wyczyszczania programów genetycznych z gromadzących się przy każdym kopiowaniu błędów, na ogół szkodliwych, czyli zmniejszających szansę na produkowanie dalszych kopii, wystarczyłby rozród płciowy co kilka pokoleń. Jest wiele organizmów, które tak właśnie czynią. Na przykład dafnie czy mszyce rozmnażają się partenogenetycznie (poprzez niezapłodnione jaja), a jedynie co jakiś czas wytwarzają samce, które kopulują z samicami. Powstaje potomstwo z przetasowanymi genami, częściowo z ponadprzeciętną liczbą błędów genetycznych (mutacji), częściowo z liczbą błędów poniżej przeciętnej. Są jednak gatunki, u których rozmnażanie jest zawsze lub prawie zawsze związane z procesem płciowym. Nie byłoby w tym nic dziwnego, gdyby nie ogromne koszty tego procesu - polowa potomstwa to samce, nie produkujące jaj czy nie rodzące młodych. Jeśli dostarczają samicy pokarm lub opiekują się potomstwem, to pół biedy - koszty nie są zbyt wysokie. Ale takie postępowanie samców jest w przyrodzie wyjątkiem raczej niż regułą. Musi więc istnieć jakiś dodatkowy zysk z produkcji samców w każdym pokoleniu.

Wprawdzie między biologami nie ma jeszcze zgodności, co powoduje utrzymywanie się rozrodu płciowego w każdym lub niemal każdym pokoleniu, ale coraz powszechniej wskazuje się na wyścig zbrojeń między gospodarzami i pasożytami (jeśli zaliczyć do nich bakterie i wirusy). Logika jest stosunkowo prosta. Pasożyty mają zwykle pokolenia trwające krócej niż gospodarze (odwrotnie niż w relacji drapieżnik-ofiara). Zatem w ewolucyjnym wyścigu zbrojeń zmiany prowadzące do łatwiejszego zarażania i wykorzystywania ofiar szybciej akumulowałyby się w nich niż zmiany u gospodarzy prowadzące do unikania zakażeń. Szanse w takim wyścigu nie są równe. Jeśli jednak pozwolić tasować się genom gospodarza, zwłaszcza odpowiedzialnym za odporność, to w taki sposób zmienione nowe pokolenie gospodarzy stanowić będzie nowe środowisko dla pasożyta, środowisko, do którego pasożyt nie jest jeszcze odpowiednio dostosowany. Wyścig zbrojeń zaczyna się od nowa w każdym pokoleniu i choć pasożyt ze swymi krótko trwającymi pokoleniami zawsze uzyskuje przewagę, to kończy się ona z chwilą wyprodukowania następnego odmiennego genetycznie pokolenia gospodarzy. Proces płciowy gospodarzy wprowadza niebywałą zmienność w środowisku pasożytów i to podtrzymuje ten swoisty wyścig zbrojeń. Całe zjawisko nazywa się - nawet w najbardziej naukowych periodykach - „Czerwoną KróIową”, gdyż - jak objaśniła Alicji Czerwona Królowa w bajkowym świecie „z tamtej strony lustra” -„trzeba biec tak szybko, jak się da, by stać w miejscu”.

Jak powiedziałem wcześniej, do takiego poglądu na powszechność rozrodu płciowego przychyla się większość uczonych. Ale nauka nie jest instytucja demokratyczną i większość głosów nie ma decydującego znaczenia. Musimy poczekać na wyniki rygorystycznych badań, by dowiedzieć się, czy większość miała rację. Może warto wspomnieć, że w przypadku ssaków, u których długi i bardzo bliski kontakt matki i dziecka sprzyja przekazywaniu pasożytów, samice uważają za bardziej atrakcyjne samce mocno różniące się zapachem, co -jak udowodniono - oznacza tez znaczną odmienność genów odpowiedzialnych za odporność.

To nie może być takie proste!

Paradoksalnie, prostota teorii ewolucji utrudnia jej akceptację. Czy mechanizm tak prosty, jak tu opisałem, te drobne różnice w przeciętnej liczbie kopii produkowanych przez różne programy genetyczne mogą prowadzić do tak skomplikowanych rezultatów jak ludzkie oko czy mózg? Wydaje się to niemożliwe. Rzeczywiście, jest to niemożliwe w jednym kroku. Od naszych bakteryjnych przodków dzielą nas jednak miliardy pokoleń. Ewolucja nie działa jak konstruktor. Zapis genetyczny nie jest projektem, jest programem lub, ujmując rzecz jeszcze prościej, jest przepisem, takim jak przepis kulinarny. Często mówi się, że ewolucja działa jak majsterkowicz - z tego, co już jest pod ręką, a więc z już gotowego i sprawdzonego przez pokolenia przepisu, jak z danego osobnika stworzyć osobniki potomne, konstruuje nieznacznie tylko zmienione przepisy. Tak postępuje często i kucharz. Drobne zmiany w dobrze sprawdzonym przepisie zwykle psują smak wyrafinowanej potrawy, ale czasem smak czy bukiet poprawiają się, a kucharz pyta: czemu nikt na to jeszcze nie wpadł?

Zmiany są więc drobne, a bardzo istotny wymiar ewolucji stanowi czas. Dziś wiemy, że ewolucja zachodzi tez na naszych oczach, ale dotyczy to zmian drobnych. Wielkie zmiany powstawały dawno temu i zwykle akumulowały się niezwykle długo. Czy jednak zawsze potrzebne są duże zmiany programu genetycznego, by prowadzić do dużych zmian wyglądu i funkcji organizmów? Kiedyś zbłądziłem w górach we mgle - poszedłem w dół wzdłuż potoku, którego źrodliska były odlegle od źródlisk wybranego na mapie o kilkadziesiąt metrów, a wylądowałem o kilka stacji kolejowych od miejsca, do którego zamierzałem dotrzeć. Mała zmiana początkowa, duży efekt końcowy. Podobnie bywa z rozwojem organizmów - drobne zmiany w początkowych stadiach ich embrionalnego rozwoju mogą dać duże zmiany w budowie organizmów dorosłych. Przepis zawarty w programie genetycznym osobnika nie jest tylko przepisem funkcjonowania organizmu dorosłego i produkowania kopii. Jest także, a może przede wszystkim, przepisem, jak z mało zróżnicowanego jaja powstać ma dorosły osobnik. Biologia i genetyka rozwoju rozwijają się niezwykle burzliwie. Każdy miesiąc przynosi nowe odkrycia, choć brak jeszcze całościowego obrazu. Jedno wydaje się pewne: kilka zasadniczych planów budowy zwierząt tak pozornie różnych jak stawonogi i kręgowce, powstało kilkaset milionów lat temu drogą niewielkich stosunkowo zmian zachodzących u wolno pływających larw, przechodzących do osiadłego trybu życia na dnie oceanów. Te niewielkie początkowe różnice w drodze długiej historii ewolucyjnej obu grup przekształciły się w zupełnie odmienne typy budowy. Jak podczas mojej przygody w górach. Rozwój poszedł inną doliną.

Czy jest w tym świecie miejsce na altruizm?

Zarysowany tu obraz mechanizmów ewolucji jest niezwykle brutalny. Wydaje się, że w świecie, w którym liczy się tylko przeciętna liczba kopii genów, jakie zostaną przekazane w następnym pokoleniu, nie ma miejsca na altruizm, na zmniejszenie swych szans na korzyść innych. Tak jednak nie jest. Istnieją mechanizmy, dzięki którym zachowania altruistyczne mogą się rozwinąć.

Rozpatrzmy najpierw organizmy nie rozmnażające się płciowo, a więc produkujące tzw. klony, czyli zbiory osobników o w zasadzie identycznych programach genetycznych, różniących się jedynie pojawiającymi się czasem przypadkowo zmianami, czyli mutacjami. Niech jedna z nich każe poświęcać życie dla uratowania co najmniej dwóch innych członków klonu. Możemy powiedzieć, że drogą mutacji powstał gen odpowiedzialny za altruizm. Średnio nosiciele tego genu będą pozostawiać więcej kopii, bo wprawdzie część z nich poświęci się dla innych, ale dla co najmniej dwóch innych, dwóch potencjalnych reproduktorów, którzy tez noszą ten gen altruizmu. Zatem klon posiadający taki gen będzie namnażać się szybciej i wygra w konkurencji z innym klonem, nie posiadającym tego genu altruizmu. Inaczej będzie z genem, który każe poświęcać się dwom osobnikom dla uratowania jednego. Ponieważ dwóch potencjalnych reproduktorów będzie poświęcać się dla jednego, program zawierający ów gen altruizmu będzie kopiował się wolniej niż program takiego genu pozbawiony. Dobór naturalny może popierać altruizm, ale nie przesadny altruizm. Ważne jest tez, by ratować członków własnego klonu, a nie dowolnego klonu. Oczywiście altruizm nie musi polegać na ratowaniu życia - czasem wystarczy podzielić się cząstką pokarmu lub ostrzec przed niebezpieczeństwem, co wiąże się z niewielkim tylko ryzykiem śmierci.

W przypadku organizmów rozmnażających się płciowo nie ma już konkurencji między całymi programami genetycznymi, ale jest konkurencja między alternatywnymi formami genów, czyli allelami. Choć altruizm jest zwykle zjawiskiem zbyt złożonym, by warunkował go jeden gen, i wymaga współdziałania kilku genów, wyobraźmy sobie dla uproszczenia, że taki jeden gen istnieje. Przyjmijmy, że zestaw AA i Aa to brak altruizmu, a kombinacja aa oznacza altruizm, polegający na poświęcaniu życia dla ratowania co najmniej trzech osobników. Czy allel a będzie stawał się coraz częstszy, czy coraz rzadszy w populacji? Zależeć to będzie od tego, jak jego obecność wpłynie na przeciętną liczbę produkowanego potomstwa, zarówno tych osobników, które poświęcają się, jak i tych, które na tym korzystają. Skrajna forma altruizmu, czyli poświęcanie życia, oznacza brak własnych dzieci. Osobniki uratowane zyskują natomiast szansę posiadania potomstwa, którą by utraciły. Taki altruizm nie miałby szans, gdyby był skierowany do wszystkich osobników w populacji. Egoiści zyskiwaliby, nigdy nic nie tracąc, altruiści czasem zyskiwaliby, czasem tracili. A więc altruizm nie ma szans?

U wielu gatunków osobniki żyją w grupach. Mogą_' rozpoznawać, jak blisko są spokrewnione z innymi osobnikami. Czasem jest to rozpoznawanie poprzez zapach - blisko spokrewnione osobniki mają zapach podobny ale najczęściej jest to rozpoznawanie przez kontekst. Osobniki, które wychowały się w jednym gnieździe, to zapewne rodzeństwo, choć czasem może zdarzyć się podrzutek. Jeśli w stadzie lwów samce są wypędzane ze stada, gdy uzyskają dojrzałość, a samice pozostają razem, w grupie takiej będą blisko spokrewnione samice i ich dzieci oraz niespokrewnione z resztą stada dorosłe samce. W populacjach ludzkich, a być może w ograniczonym stopniu także w stadach niektórych małp, starsze osobniki uczą młodsze, kto z kim w jakim stopniu jest spokrewniony. Nasz język zawiera bardzo wiele słów oznaczających rodzaj pokrewieństwa, choć szybko ubożeje - coraz rzadziej rozróżniamy teściową i świekrę, wujka od stryjka, a wujenkę i stryjenkę zastąpiła ciocia. Bogactwo języka w tej dziedzinie świadczy, że były to sprawy bardzo ważne. Dlaczego? Ponieważ stopień pokrewieństwa odzwierciedla prawdopodobieństwo, że posiadamy te same geny. Intuicyjnie wiedzieli o tym hodowcy na długo przed powstaniem genetyki i pojęcia genu. Stąd wyrażenia „półkrwi”, „ćwierćkrwi” etc. Jak pisze Kapuściński w Hebanie, dwaj Afrykańczycy przy pierwszym spotkaniu rozmawiają o swych krewnych, pragnąc za wszelką cenę ustalić stopień łączącego ich pokrewieństwa, co będzie potem rzutować na wzajemne relacje.

Oczywiście większość genów wszyscy ludzie mają wspólnych nie tylko między sobą, ale i z szympansem, z którym łączy nas ponad 98-procentowe podobieństwo genetyczne. Chodzi jednak o prawdopodobieństwo posiadania przez pochodzenie takich samych genów w tych nielicznych miejscach naszego programu genetycznego, które wykazują zmienność w populacji. Formy genów (allele) przez nas posiadane mają wyższą częstość występowania u osobnik6w z nami spokrewnionych niż w całej populacji. Rzecz może dotyczyć tez genu altruizmu.

Jesteśmy spokrewnieni ze swymi dziećmi w 50 procentach (współczynnik pokrewieństwa 1/2), z rodzeństwem średnio także w 50 procentach, z rodzeństwem przyrodnim w 25 procentach (współczynnik pokrewieństwa 1/4), z kuzynami pierwszego rzędu w 12,5 procentach (współczynnik pokrewieństwa 1/8) itd. Jeśli posiadamy zatem gen altruizmu, to nasz brat posiada go z prawdopodobieństwem 1/2, a kuzyn z prawdopodobieństwem 1/8, bez względu na to, jak częsty jest taki allel w populacji. Czym innym jest zatem z punktu widzenia rozprzestrzeniania genów poświęcanie się dla uratowania trzech dowolnych osobników z własnego gatunku, a czym innym dla uratowania trzech braci. Pierwszy rodzaj altruizmu nie będzie się rozprzestrzeniał, drugi tak. Ponieważ pokrewieństwo między rodzeństwem wynosi 1/2, uratowanie trzech braci, którzy nie stracą przez to szans na posiadanie potomstwa, jest lepszym sposobem na rozsiewanie własnych genów niż zachowanie życia i posiadanie własnego potomstwa kosztem braci.

Możliwość utrzymywania się opisanego wyżej altruizmu, zwanego altruizmem krewniaczym, udowodnił w latach sześćdziesiątych zmarły w marcu 2000 roku wielki angielski biolog W D. Hamilton. Wykazał on, że w populacji może utrzymać się tylko taki altruizm, przy którym zyski biorcy pomnożone przez współczynnik pokrewieństwa są większe niż strata dawcy. Te same mechanizmy kryją się za ewolucją kastowych układów społecznych, w których część osobników rezygnuje z posiadania własnego potomstwa, by całkowicie poświęcić się wychowywaniu rodzeństwa lub dalszych krewnych. Choć zjawisko to kojarzy się nam z pszczołami, mrówkami czy termitami, odkryto je również niedawno u jednego gatunku ssaka - golca afrykańskiego.

Badania terenowe wykazały, że altruizm występuje rzeczywiście najczęściej wśród osobników spokrewnionych i że w przyrodzie, tak jak u ludzi, istnieje zasada, że skłonność do poświęceń maleje ze spadkiem pokrewieństwa. Działania na korzyść krewnych to niestety nie tylko przez wszystkich pochwalany altruizm, ale także powszechnie potępiany nepotyzm. Jednak przypadki altruizmu zdarzają się też pomiędzy osobnikami niespokrewnionymi, a nawet przedstawicielami innych gatunków. Aby wyjaśnić takie zjawiska, sięga się do teorii kooperacji. Generalnie chodzi tu o zasadę odwzajemnienia - dziś ja pomagam tobie, jutro ty pomożesz mnie. Istnieją bardzo rozbudowane teorie wyjaśniające, kiedy opłaca się kooperować, a kiedy nie. Cały problem w tym, że może zdarzyć się tak: dziś ja pomagam tobie, a jutro ty zawiedziesz mnie w potrzebie. Zasada odwzajemnienia nie działa więc automatycznie i ma ustawiczną tendencję do załamywania się. Jedno jest pewne: jej skuteczność wymaga osobistej znajomości osobników kooperujących.

Człowiek jest bez wątpienia zdolny także do bezinteresownej pomocy, którą trudno wyjaśnić, przynajmniej bezpośrednio, na gruncie teorii kooperacji czy doboru krewniaczego. Można wprawdzie pokusić się o wyjaśnienie takich zachowań w skomplikowanych układach społecznych, ale przekraczałoby to znacznie ramy tego artykułu.

Na gruncie teorii ewolucji można wyjaśnić też inne zadziwiające zjawiska. Należy do nich zasada fair-play, a więc stosowanie pewnych konwencji. Nie zastanawiamy się nawet nad tym, że jeśli sprzedano dwa bilety na jedno miejsce, to zajmuje je ten, który przyszedł wcześniej, a nie na przykład silniejszy. Wydaje nam się, że to zachowanie typowo ludzkie, świadczące o wysokiej kulturze. Da się jednak wykazać teoretycznie, że takie zachowania mogą wyewoluować także u zwierząt drogą doboru naturalnego, co więcej - znaleziono odpowiednie przykłady!

Jak widać imperatyw kopiowania genów może prowadzić do zachowań skrajnie egoistycznych, ale może też generować altruizm, a nawet rudymenty przestrzegania zasad, pewien zawiązek niepisanego prawa. Egoistyczne i altruistyczne zachowania bardzo często sąsiadują ze sobą. Na przykład u tego samego gatunku, u lwów czy susłów, występuje zarówno pomoc przy wychowywaniu potomstwa, jak i dzieciobójstwo, a wszystko zależy od uklad6w pokrewieństwa.

Przypadek i konieczność

Tytuł tego rozdziału to w istocie tytuł książki Monoda, wielkiego biologa molekularnego, poświęconej jego wizji ewolucji. Tytuł niezwykle trafny. Konkurencja między programami genetycznymi, wygrana tego, który produkuje więcej kopii, to konieczność. Ale to, jaka zmienność powstanie, jakim programom przyjdzie ze sobą konkurować, to dzieło przypadku. Nie sposób przewidzieć przecież błędów, jakie powstaną przy przepisywaniu książki. Ewolucja nie jest procesem zdeterminowanym. „Gdyby taśmę zagrać jeszcze raz” jak to czasem ujmują ewolucjoniści, powstałaby inna muzyka. Może trochę w ogólnych zarysach podobna, ale inna. Jeśli gdzieś w kosmosie istnieje życie, co jest raczej prawdopodobne, to może ono przypominać nasze bakterie i nic więcej. Mogą, ale nie musza, występować organizmy bardziej złożone, jeśli współpraca przypadku i konieczności spowodowała powstanie rozrodu płciowego lub innego mechanizmu umożliwiającego pozbywanie się części szkodliwych mutacji. Mogą, ale nie muszą, istnieć istoty inteligentne. To tylko w powieściach science fiction jeżeli istnieje życie, istnieją tez ludki, najlepiej zielone, i najlepiej z pięciopalczastymi kończynami (jest w dobrym stylu, by na nogach miały płetwy). Biorąc pod uwagę ogrom kosmosu, jest prawdopodobne, że istnieją w nim tez istoty inteligentne. Nie liczmy jednak zbytnio na interesującą z nimi rozmowę, bo o taką trudno, gdy między pytaniem i odpowiedzią musi upłynąć kilka milion6w, a przynajmniej kilkadziesiąt lat. Zamiast trwonić pieniądze i czas na szukanie rozmówców w kosmosie, może lepiej porozmawiajmy z żoną lub sąsiadem? Oni tez mają swoją historię do opowiedzenia.

A gdzie tu miejsce dla Boga?

Na pewno jedna z przyczyn trudności w akceptacji teorii ewolucji opartej na darwinowskim doborze naturalnym jest pozorna sprzeczność z wiarą w Boga. W swojej książce Monod konkluduje, że kosmos jest zimny i pusty, a do stworzenia życia i człowieka nie jest potrzebny Bóg. To prawda, Darwin usunął konieczność istnienia Boga, pokazał mechanizm alternatywny, prowadzący do wytworzenia organizmów o rzędy wielkości bardziej złożonych niż zegarek, a powstających bez, przynajmniej bezpośredniego, zaangażowania Zegarmistrza. Darwin był w pełni świadom konsekwencji światopoglądowych swej teorii, bał się ich i najprawdopodobniej to, a nie szukanie nowych dowodów, było przyczyną opóźnień w publikacji wielkiego dzieła. Może nigdy nie zdecydowałby się na to, gdyby Wallace nie nadesłał publikacji przedstawiającej dobór naturalny w bardzo podobny sposób. Przed Darwinem względy racjonalne przemawiały za przyjęciem istnienia Boga - skoro istnieje zegarek, to istnieje zegarmistrz, skoro istnieje człowiek i inne istoty, to istnieje Stwórca. Po Darwinie już nie możemy powiedzieć: „wiem, że istnieje Bóg”. Możemy jedynie powiedzieć: „wierzę, że istnieje Bóg". To spora różnica.

Teoria ewolucji jest sprzeczna z pewną wizją Boga. Boga bardzo zapracowanego, zmieniającego nukleotydy (najmniejsze cegiełki kodu genetycznego) w każdej nici DNA, nie pozostawiającego swobody rozwijającemu się światu. Ale fizycy też woleli opisać pewne siły jądrowe, niż wierzyć w Boga, który swymi rękami trzyma w jądrze atomu protony, by odpychanie jednoimiennych ładunków nie spowodowało rozpadu atomu. (Przykład pozornie absurdalny, ale zaczerpnięty z fundamentalistycznej książeczki). Proces ewolucji nie jest jednak zdeterminowany, a zatem z przyczyn zasadniczych nie możemy na gruncie nauki odróżnić czystego przypadku i ingerencji Boga, który spowodował, że w danym miejscu i czasie powstała u jakiegoś organizmu zmiana programu genetycznego wyglądająca na całkiem przypadkową, a więc nazywana przez uczonych losową mutacją. Wyobraźmy sobie tłum ludzi przechodzących pod rusztowaniem. Niech cegła spadnie na głowę kogoś z tłumu, posiadającego przecież imię i nazwisko. Czy to czysty przypadek, że cegła akurat na niego spadla, czy może niewidzialna ręka na rusztowaniu w niego wycelowała? Jeśli ręka jest niewidzialna, nigdy nie znajdziemy odpowiedzi na to pytanie. Jedni będą mówię o pechu, inni o przeznaczeniu. Nie możemy z pozycji ziemskiego obserwatora odróżnić ślepych sił ewolucji od ingerencji Boga. Nie dowiemy się, czy powstanie człowieka to czysty przypadek czy też wola Stwórcy. Możemy tylko wierzyć. Lub nie wierzyć.

Ale istnieją przecież inne przesłanki, człowiek z jego przedziwnymi cechami, prorocy, zapisane przez nich słowa Jahwe ... Prawda, to są dowody, ale dla wierzącego. Niewierzący może argumentować, że wyimaginowana wizja Boga prawego, będącego zwielokrotnionym odbiciem pięknych cech ludzkiej natury, pozwoliła lepiej organizować życie społeczne i zwyciężać sąsiednie ludy, których bogowie mieli często ludzkie wady rozdęte do niebywałych rozmiar6w, byli przede wszystkim bogami kapryśnymi. A z rozróżnieniem prawdziwych proroków i ludzi słyszących „głosy” z powodu swego szaleństwa zawsze były i nadal są kłopoty.

Więc nie będziemy wiedzieć? Nie będziemy. Ale mamy prawo wierzyć i używanie teorii ewolucji do udowadniania, że Boga nie ma, jest czystym nadużyciem. Teoria ta mówi tylko, że Boga może nie być, a nie że Boga nie ma. Nie musimy sięgać do hipotezy o istnieniu Boga, by wyjaśnić rzeczywistość przyrodniczą, ale nie możemy też wykluczyć, że niewidzialna ingerencja Boga w procesy losowe spowodowała, że świat jest taki, jaki jest, że właśnie ta jedna z wszystkich możliwych historii się zrealizowała.

Jeśli chodziłoby tylko o kwestię istnienia Boga, to darwinowska teoria ewolucji powinna być akceptowana bez oporu przez niewierzących. Dlaczego więc nie zawsze tak jest? Dla wierzących za losowymi z punktu widzenia ziemskiego obserwatora procesami może kryć się akt stwórczy Boga; dla niewierzących nie ma nadziei - znaleźli się na tej ziemi przypadkiem i są tylko automatami do powielania genów. Nie ma prawa przyrody, które prowadzi do nieuchronności powstania człowieka. Wielu niewierzących potrafi mimo to cieszyć się życiem i spędzać je pożytecznie, zwłaszcza jeśli odkryją, że największą radością jest współudział w radości bliźnich. Dla innych przypadkowość istnienia jest źródłem rozpaczy. Wierzącym pozostaje współpracować dla wspólnego dobra z tymi pierwszymi, a modlić się za tych drugich.

Tematykę tę omawia obszernie książka Matta RidJey'a O pochodzeniu cnoty, tlum. M. Koraszewska, Rebis, Warszawa 2000.

JAN KOZŁOWSKI, ur. 1946, prof. dr hab., pracuje w Instytucie Nauk o Środowisku UJ i Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Tarnowie. Zajmuje się ewolucjonizmem i ekologią. Jest autorem wielu prac z ekologii ewolucyjnej, publikowanych w czołowych czasopismach światowych,

---