Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Zamierzam poświęcić kilka wpisów temu, co mnie osobiście zaskoczyło w dyscyplinach naukowych, którymi interesuję się od dzieciństwa. Ponieważ sięgam pamięcią dalej niż na pół stulecia, te niespodzianki odpowiadają małym (a czasem wcale nie tak małym) rewolucjom w nauce od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Zacznę od biologii, w której oczywiście działo się przez ostatnie półwiecze tak wiele, że nie sposób opowiedzieć o wszystkim w jednym wpisie. Dlatego skupię się w tym wpisie na wąskim wycinku: na naszej wizji ewolucji życia na Ziemi i związanej z tym wiedzy o tym, jak wyglądają „więzy rodzinne” między grupami organizmów i jakie miejsce zajmują różne gatunki na „drzewie życia” reprezentującym historię ewolucyjną (filogenezę) życia na Ziemi.

Niespodzianki, o których opowiem poniżej, dotyczą zatem systematyki i wynikają w dużym stopniu z upowszechnienia się podejścia kladystycznego, zgodnie z którym systematyka powinna odzwierciedlać rzeczywiste relacje pokrewieństwa. Jeśli ostatni wspólny przodek gatunków A i B nie był jednocześnie przodkiem gatunku C, to nie powinniśmy zaliczać A i C do jednej grupy taksonomicznej, wyłączając z niej B. Przykładem może być człowiek (Homo sapiens) i małpy człekokształtne. Kilkadziesiąt lat temu szympansy, goryle i orangutany zaliczane były do rodziny Pongidae (wielkich małp człekokształtnych), a człowiek i jego kopalni przodkowie – do rodziny Hominidae (człowiekowatych). Przypuszczano, że te dwie rodziny rozdzieliły się 15–20 mln lat temu i odtąd „praludzie” stanowili osobną (i wielce wyjątkową) linię ewolucyjną. Badania molekularne dowiodły jednak, że człowiek i szympans (rodzaj Pan) mieli wspólnego przodka, który nie był przodkiem goryli ani orangutanów. Dlatego nie można było utrzymać podziału na dwie rodziny i wszystkie wielkie małpy człekokształtne włączono wraz człowiekiem do grupy Hominidae. Zresztą to, że nadajemy tej grupie tradycyjną rangę rodziny (siostrzanej względem rodziny Hylobatidae, do której należą gibony) jest sprawą umowną i drugorzędną. Ważne jest, że obecna klasyfikacja odpowiada rzeczywistym pokrewieństwom, czyli historii ewolucyjnej grupy zwierząt, do której należymy. Nie uważam jej za wielką niespodziankę, bo w przynależność ludzi do rzędu naczelnych i w ich pokrewieństwo z wielkimi małpami człekokształtnymi i tak nikt rozsądny nie wątpił.

A oto prawdziwe – moim zdaniem – niespodzianki (z kilkoma z nich oczywiście zdążyliśmy się już oswoić, więc osoby młodsze niż ja mogą nie podzielać mojego zaskoczenia).

1. Dinozaury są wokół nas

Dinozaurami (i ogólnie paleontologią oraz ewolucją) zainteresowałem się na większą skalę w roku 1968, kiedy w Pałacu Kultury w Warszawie otwarto wystawę „Dinozaury z pustyni Gobi”, prezentującą odkrycia polsko-mongolskich ekspedycji kierowanych przez prof. Zofię Kielan-Jaworowską. W owym czasie uważano, że ptaki pochodzą od „tekodontów”, czyli prymitywnych gadów naczelnych (Archosauria). Oznaczałoby to, że ptaki miały wspólnych przodków z dinozaurami i krokodylami, ale oddzieliły się od nich ewolucyjnie w bardzo odległej przeszłości jako zupełnie osobna linia rozwojowa. Pogląd, że przodkami ptaków były dinozaury, a konkretnie jedna z grup dwunożnych teropodów, przewijał się od XIX w. (m.in. Thomas Huxley doszedł do takiego wniosku, analizując anatomię archeopteryksa), ale pozostawał koncepcją niszową aż do lat siedemdziesiątych XX w. Odkryto wówczas kilka nowych skamieniałości dinozaurów wykazujących cechy charakterystyczne dla ptaków, a ponadto rozwinięto hipotezę, że dinozaury były przynajmniej częściowo stałocieplne, a więc przypominały ptaki pod względem metabolizmu.

Potem posypały się kolejne odkrycia i zanim ktokolwiek się obejrzał, luki kopalne między ptakami a ich teropodowym przodkami zostały szczelnie zasypane. Do tego stopnia, że patrząc na skamieniałości opierzonych dinozaurów z jury i kredy nie zawsze potrafimy „poznać, kto ptak, a kto nie ptak”. W związku z kladystycznym rozumieniem jednostek taksonomicznych, skoro ptaki wyewoluowały wewnątrz kladu Dinosauria, to należą do niego na wieczność (klad jest to jednostka systematyczna składająca się z jednego wspólnego przodka i wszystkich gatunków, które od niego pochodzą). Innymi słowy, ptaki są dinozaurami, a także teropodami (bo klad ptaków zawarty jest w kladzie teropodów, a ten z kolei w kladzie dinozaurów). A ponieważ granicę kreda–paleogen przekroczyło kilka linii rozwojowych ptaków istniejących do dziś, to nie można powiedzieć, że dinozaury wymarły. Owszem, 66 mln lat temu wymarła ich większość (notabene podobnie jak większość ssaków), ale te, które przeżyły, mają się dobrze. Kilkanaście gatunków odwiedza regularnie karmnik na tarasie mojego domu. Przy okazji: najbliższymi żyjącymi krewnymi ptaków są krokodyle, ale o tym wiedziano już od dawna. Tyle tylko, że kiedyś nie przeszkadzało to uważać ptaki i gady (wraz z krokodylami) za dwie odrębne jednostki taksonomiczne. Według obecnych poglądów na systematykę gady (w dawnym sensie) nie są poprawnie zdefiniowanym kladem, bo nie ma sposobu, żeby wyłączyć spośród nich ptaki, pozostawiając krokodyle.

2. Walenie są parzystokopytne

Wczesna ewolucja waleni była całkowitą zagadką aż do początku lat osiemdziesiątych XX w. Na podstawie podobieństwa budowy zębów przypuszczano, że walenie pochodzą od mezonychidów, wymarłych ssaków zaliczanych wówczas do „pradrapieżnych”. Po roku 1980 w Pakistanie i Indiach zaczęto odkrywać skamieniałości ssaków lądowych i półwodnych, których anatomia (zwłaszcza unikatowa budowa ucha środkowego) wyraźnie wskazywała na pokrewieństwo z waleniami. Z początku nadal uważano je za mezonychidy, ale na początku XXI w. znaleziono szkielety kończyn wczesnych waleni, a w nich – ważną cechę rozpoznawczą: wyspecjalizowaną formę kości skokowej, charakterystyczną dla parzystokopytnych, a niewystępującą u mezonychidów. Już wcześniej analizy molekularne wskazywały, że walenie nie są tylko bliskimi krewnymi parzystokopytnych, ale zwyczajnie należą do nich. Dane paleontologiczne potwierdziły ten pogląd.

Obecnie wczesna ewolucja waleni (od zwierząt lądowych do pełnomorskich) jest znakomicie udokumentowana przez zapis kopalny. Jest też jasne, że walenie (łącznie z hipopotamami) stanowią grupę siostrzaną względem przeżuwaczy (czyli m.in. krów, owiec, żyraf i jeleni). Inne parzystokopytne (świniowate i wielbłądowate) są ich dalszymi kuzynami. Krótko mówiąc, krowa jest bliżej spokrewniona z orką lub płetwalem błękitnym niż z dzikiem lub wielbłądem. Tak jak w przypadku ptaków i dinozaurów, trzeba walenie uznać za część kladu parzystokopytnych (Artiodactyla), który dzięki temu wzbogacił się o ok. 90 żyjących gatunków.

3. Afrotheria, czyli bardzo dziwni kuzyni

Przez ostatnie 30 lat (mniej więcej) przyzwyczailiśmy się do zasady, że gdy wnioski dotyczące pokrewieństwa wysnute z porównań anatomicznych są sprzeczne z wnioskami, jakich dostarcza analiza DNA, to przeważnie po bliższym przyjrzeniu się faktom wygrywa genetyka. Oczywiście nie zawsze, bo nikt nie jest doskonały i analizy filogenomiczne też bywają z różnych przyczyn błędne, ale na ogół tak właśnie bywa. Nie było to takie oczywiste w 1998 r., gdy wyłącznie na podstawie danych molekularnych zaproponowano połączenie w jeden klad, nazwany Afrotheria, następujących grup ssaków: trąbowców, brzegowców (czyli syren), góralków, rurkozębnych (mrówników), ryjkonosów, złotokretów i madagaskarskich tenreków wraz z afrykańskimi wodnicami. O ile pierwsze trzy rzędy od dawna były uważane za blisko spokrewnione i łączone w nadrząd półkopytnych (Paenungulata), to pozostałe wydawały się ssakami z całkiem innej bajki. Mrówniki (z jednym żyjącym gatunkiem) uchodziły za egzotyczny relikt wczesnej historii ssaków, który niezależnie od innych rzędów wyodrębnił się z „prakopytnych” (grupy, do której wrzucano wszystko, co wyglądało na luźno spokrewnione z dzisiejszymi ssakami parzysto- lub nieparzystokopytnymi). Pozostałe grupy lądowały z kolei w worku z napisem „owadożerne” (Insectivora), który zawierał wszystkie małe i prymitywnie wyglądające łożyskowce żywiące się głównie bezkręgowcami.

Koncepcja, że np. złotokrety i słonie są bliżej z sobą spokrewnione niż złotokrety z kretami, mogła się wydawać nieco obłąkana, ale kolejne analizy uparcie ją potwierdzały. Systematyka łożyskowców musiała zostać w dużym stopniu przebudowana. Z dawnych owadożernych pozostał okrojony rząd Eulipotyphla obejmujący ryjówki, krety, jeże i almiki. Wszystkie łożyskowce dzielimy obecnie na trzy główne klady:  Boreoeutheria, Afrotheria i Xenarthra. Wczesna ewolucja pierwszego z nich przebiegała w Eurazji i Ameryce Północnej, stanowiących resztki dawnego superkontynentu Laurazji. Afrotheria, jak sama nazwa wskazuje, wyewoluowały w Afryce (choć niektóre później ją opuściły). Xenarthra, obejmujące pancerniki, leniwce i mrówkojady, wyodrębniły się w Ameryce Południowej. Kiedy i w jaki sposób najstarsze łożyskowce wędrowały między kontynentami, pokonując bariery morskie, żeby dać początek tym trzem grupom, to nadal kwestia nie do końca wyjaśniona, ale w każdym razie dzisiejsza wizja ich ewolucji jest zasadniczo inna niż pół wieku temu.

4. Jesteśmy archeowcami

Zanim ktoś mi zarzuci szowinizm ssaczo-kręgowcowy, wyjaśniam, że moja prywatna lista niespodzianek jest bardzo długa, ale z ludzkiego punktu widzenia nie wszystkie tak samo przemawiają do wyobraźni. Laik może nie wiedzieć, co to są żebropławy ani czym się różni niesporczak od pratchawca. Natomiast każde dziecko rozpozna słonia, delfina albo dinozaura (chyba że dinozaur jest maleńki, siedzi na drzewie i ćwierka). Dla równowagi popatrzmy na drzewo życia z najszerszej perspektywy. Kiedyś postrzegano je jako mglistą chmarę „jednokomórkowców” (bakterii, glonów i pierwotniaków), z której w drodze ewolucji wyłaniały się jak Afrodyta z morskiej piany „organizmy wyższe” – królestwa zwierząt i roślin. Aha, i jeszcze grzyby, także cieszące się honorową rangą królestwa. W ciągu XX w. stopniowo zaczęto podkreślać zasadniczy podział na organizmy bezjądrowe (Prokaryota) i posiadające jądro (Eukaryota). Pierwsze z nich utożsamiano z „bakteriami”, dorzucając do nich sinice (tradycyjnie traktowane jako „glony” ze względu na zdolność do fotosyntezy). Eukarionty podzielono na trzy tradycyjne królestwa: roślin, grzybów i zwierząt, całą resztę starym zwyczajem wrzucając do jednego worka jako „protisty”.

Okazało się jednak, że bakteria bakterii nierówna, a różnice między prokariontami bywają tak głębokie, że muszą sięgać prawie początków życia na Ziemi. W 1990 r. dokonano rewolucji, dzieląc wszystko, co żyje, na trzy ogromne domeny organizmów: Bacteria (bakterie właściwe), Archaea (archeowce) i Eukaryota (organizmy jądrowe). Wyniesienie archeowców do tak fundamentalnej rangi było nowością; wcześniej traktowano je jako nieco egzotyczną podgrupę bakterii, skłonną do życia w warunkach ekstremalnych (np. w gorących źródłach lub słonych jeziorach) i bardzo trudną w hodowli. Rewolucja jednak potoczyła się dalej. Z początku nie było jasne, skąd się wzięły eukarionty, choć odkryto, że w ich ewolucji ważną rolę odegrała endosymbioza – „oswojenie” bakterii infekujących komórki przodka eukariontów, które przekształciły się w bardzo nam potrzebne mitochondria. W podobny sposób przodkowie roślin wchłonęli inne symbiotyczne bakterie, sinice. Dały one początek m.in. chloroplastom, w których zachodzi fotosynteza. Ale kim był gospodarz, który wchłonął te symbionty? I skąd się wzięła najbardziej charakterystyczna cecha eukariontów – jądro komórkowe, w którym zamknięta jest zasadnicza część genomu?

Pełnej odpowiedzi nadal nie znamy, ale w ostatnich latach teoria trzech domen zaczęła ustępować nowej koncepcji: u samej podstawy drzewa życia organizmy dzielą się na dwie grupy: Bacteria i Archaea. Eukaryota wyewoluowały w obrębie tych drugich i choć endosymbioza była ważnym etapem w ich ewolucji, nie tylko jej (a zapewne nawet nie przede wszystkim jej) zawdzięczają swoją odrębność. Wydaje się obecnie, że cechy typowe dla eukariontów ewoluowały i kumulowały się stopniowo w jednej z gałęzi ewolucyjnych archeowców – i nawet z grubsza wiemy w której (klad nazwany Asgard), choć znamy przedstawicieli tej grupy niemal wyłącznie z analizy metagenomów – DNA obecnego w próbkach osadów morskich. Tylko parę z nich udało się utrzymać w hodowli w warunkach laboratoryjnych i obejrzeć pod mikroskopem. Pierwsze archeowce z grupy Asgard (czy raczej ich materiał genetyczny) odkryto w 2010 r. Trochę dziwnie jest pomyśleć, że pochodzimy od „czegoś w tym rodzaju”, a z kladystycznego punktu widzenia jesteśmy (wraz ze wszystkimi eukariontami) osobliwą, silnie zmodyfikowaną linią rodową archeowców.