Ewolucja zbieżna

Simon Conway Morris, wybitny specjalista z paleontologii kambru, jest znany z nagłaśniania, gdzie tylko może, zjawiska zwanego ewolucją zbieżną (konwergentną). O tego typu ewolucji mówimy, gdy procesy ewolucyjne zachodzące niezależnie od siebie i równolegle prowadzą do podobnych efektów, np. narządów spełniających te same funkcje (tzn. narządów analogicznych), podobnych mechanizmów ruchowych albo behawioralnych, podobnych "systemów społecznych" u zwierząt itd. Klasycznym przykładem tego rodzaju ewolucji są narządy wzroku, które wyewoluowały kilkakrotnie w historii przyrody: u owadów (oczy złożone), u mątw i ośmiornic (oczy fotograficzne) i kręgowców, w tym ludzi (również oczy fotograficzne). Gdy mówimy, że oczy fotograficzne u ośmiornic i u kręgowców są narządami analogicznymi, a nie homologicznymi, mamy na myśli to, że wspólny przodek ośmiornicy i kręgowców nie posiadał takich oczu i pojawiły się one w dwóch różnych "liniach genealogicznych" wychodzących od tego wspólnego przodka dopiero później.
W opinii wielu myślicieli, z Conwayem Morrisem na czele, zjawisko ewolucji konwergentnej zdaje się sugerować, że różnego rodzaju funkcje i procesy w pewnym sensie były zawsze potencjalnie obecne we wszechświecie dlatego, że jest on taki, jak jest (że jest w nim przestrzeń, światło, dźwięk, trzy stany skupienia itd.) i "czekały" na odpowiednie narządy, układy, mechanizmy, które będą mogły je zrealizować. Ten pogląd, ciekawe połączenie platonizmu z darwinizmem, Conway Morris prezentuje przede wszystkim w swojej książce "Life's solution" (CUP 2003), w której dochodzi do wniosku, że, w momencie, gdy pojawiło się na ziemi życie, ewolucja takich mniej więcej rodzajów organizmów, jakie rzeczywiście wyewoluowały, łącznie z inteligentnym zwierzęciem podobnym do Homo sapiens, była w pewnym sensie konieczna, bo różne "nisze", w tym "nisza inteligencji", czekały na zagospodarowanie. Jest to w pewnym sensie opinia przeciwna do tej, jaką prezentował sławny biolog Stephen J. Gould, który przed laty pisał, że gdyby "przewinąć taśmę" historii organizmów żywych i "puścić ją jeszcze raz", oglądalibyśmy zupełnie inny świat, w którym człowieka na pewno by nie było - w procesie ewolucji jest bowiem zbyt wiele miejsca na czysty przypadek. Conway Morris ma wielu przeciwników i jego wypowiedzi, zwłaszcza te zapuszczające się w filozoficzne bądź religijne rejony, prowokują często ostre riposty. Oczywiście to, że niektóre, najwyraźniej nie powiązane ze sobą wprost w sensie historycznym, gatunki mogą posiadać analogiczne narządy i mechanizmy uznają wszyscy. Niektórzy jednak argumentują, że czasem mamy w takich przypadkach do czynienia ze swego rodzaju zamaskowaną czy też głęboką homologią (ang. "deep homology") - np. narządy wzroku, choć, jak wspomniałem, wyewoluowały kilkakrotnie w różnych okolicznościach, za każdym razem potrzebowały do tego homologu genu PaxB/Pax-6 i jakiejś formy opsyny, może więc należałoby powiedzieć, że podobieństwo narządów analogicznych wynika z użycia podobnych mechanizmów na poziomie molekularnym, a nie wspólnego celu - funkcji widzenia - do którego dążą (ten i wiele podobnych przykładów głębokiej homologii opisują w fascynującym artykule "Deep homology and the origins of evolutionary novelty" Neil Shabin, Cliff Tabin i Sean Carroll w 457 numerze "Nature", niestety dostępnym tylko dla prenumeratorów i bibliotek). Conway Morris odpowiada, że te geny, choć rzeczywiście biorą udział w tworzeniu wszystkich znanych narządów wzroku, są również obecne u organizmów, które oczu nie mają (nie wiem, czy opsyna jest, ale na pewno Pax-6 - tak), więc proste powiązanie między np. Pax-6 i oczami, które mogłoby sugerować, że są one nieuniknionym skutkiem obecności pewnych mechanizmów na poziomie molekularnym. Można by też dodać, że nawet jeśli Pax-6 jest potrzebny, to nie dlatego, że np. ma dokładnie taką budowę, jaką ma, tylko dlatego, że spełnia pewna określoną funkcję (jest czynnikiem transkrypcyjnym regulującym pewnego rodzaju zestawy genów), więc gdyby w drodze ewolucji zbieżnej wyewoluował gen o tej samej funkcji, proces mógłby zajść bez Pax-6. Pierwszeństwo funkcji nad konkretną jej "aktualizacją", przy którym upiera się Conway Morris, można zauważyć więc już, gdy spojrzymy na to, co tak naprawdę jest ważne dla biologów w genach, narządach itp. - ich funkcje. Dla mnie to wszystko trochę nadto platońskie, ale z pewnością Conway Morris sieje dużo dobrego fermentu w środowisku ewolucjonistów i prowokuje ciekawe pytania.
O ewolucj i zbieżnej mówimy także na poziomie molekularnym, np. na poziomie sekwencji białek. Spójrzmy na enzymy o podobnej funkcji - np. proteazy, które degradują białka lub tną je na jakieś ściśle określone fragmenty. Znamy proteazy o bardzo różnych sekwencjach/strukturach (co świadczy o tym, że nie są bezpośrednio powiązane ze sobą historycznie), ale często w ich miejscach aktywnych spotyka się te same zestawy aminokwasów, np. u proteaz serynowych - zazwyczaj tzw. triadę katalityczną, składającą się z seryny, histydyny i asparaginianu (lub ewentualnie drugiej histydyny, jak w proteazie cytomegalowirusa), które są bezpośrednio zaangażowane w cięcie białek. Podobnie także różne inne motywy aminokwasowe czy pewne elementy struktury trzeciorzędowej (czy też tzw. "superdrugorzędowej", ang. supersecondary structure), powiązane z konkretną funkcją, spotyka się u białek nie powiązanych historycznie w sposób bezpośredni. Barry Honig, amerykański bioinformatykz Uniwersytetu Columbia, biorąc to pod uwagę, stworzył program Mark-Us (dostępny w internecie: http://luna.bioc.columbia.edu/honiglab/mark-us/cgi-bin/submit.pl), który analizuje strukturę białek o nieznanych funkcjach na podstawie podobieństw strukturalnych (istnienie takich samych motywów itp.) do białek o znanych funkcjach. To zupełnie unikatowe podejście, bo zazwyczaj porównuje się sekwencję kwasów nukleinowych w genie kodującym dane białko w poszukiwaniu powiązań historycznych międzi genami i na ich podstawie definiuje się podobieństwa w funkcji. To jest oczywiście często skuteczna metoda, a to dlatego, że (zgodnie z obecnym stanem wiedzy biologicznej) prawdziwe wydaje się następujące rozumowanie:
1) Białka blisko związane ze sobą historycznie są do siebie podobne, np. mają podobną budowę (zmiany eweolucyjne są stopniowe więc w krótkim czasie zasadniczo nie prowadzą do drastycznych zmian w budowie).
2) Jeśli białka są do siebie podobne, np. mają podobną budowę, mogę spełniać podobne funkcje, mieć podobne właściwości.
3) Z połączenia zdać 1 i 2 wynika, że jeśli białka są blisko związane historycznie to mogą mieć podobne funkcje/właściwości (ale nie muszą - dobrym przykładem mogą być tzw. pseudokinazy, białka, które są ewolucyjnie bardzo blisko związane z kinazami i są bardzo podobne, ale nie posiadają pewnych kluczowych aminokwasów, co sprawia, że nie potrafią spełniać takiej funkcji, jak kinazy, tzn. fosforylować inne białka albo małe cząsteczki).
Wyższość (przynajmniej filozoficzna) metody Honiga nad innymi metodami polega na tym, że nie idzie ona od zdania 1) przez 2) do 3), tylko wprost od zdania 2) do zdania 3), szuka podobieństw tu i teraz, niezależnie od tego, czy posiadają wspólną historię (bo, jak pokazuje ewolucja zbieżna, podobieństwa mogą istnieć również niezależnie). Niby to wszystko jest oczywiste, ale zwraca uwagę na prawdę, o której dzisiejsza biologia często zapomina: że rzeczy są takie, jakie są, ze względu na ich natury, w tym także ich strukturę i rozmaite właściwości, nie natomiast ze względu na to, w wyniku jakiego procesu się po raz pierwszy pojawiły (to jest powiązane z tym, jakie są, ale nie bezpośrednio). Ewolucja zbieżna pokazuje więc nie tyle platońską "wyższość funkcji nad jej konkretną aktualizacją", co arystotelejską wyższość(konkretnego) istnienia nad (abstrakcyjnym) "stawaniem się".