Tag: ewolucja

Prototaxites, czyli diabli wiedzą co

Piotr GąsiorowskiLeave a comment

Ląd przestaje być pustynią

Gdybyśmy mogli wsiąść w maszynę czasu i udać się w późny sylur lub wczesny dewon (czyli mniej więcej 430–400 mln lat temu), zobaczylibyśmy Ziemię podczas jednego z przełomowych okresów rozwoju życia. Kilkadziesiąt milionów lat wcześniej rośliny przystosowały się do życia na lądzie, a nawet podzieliły się na dwie wielkie gałęzie ewolucyjne, z których jedna dała początek mszakom, a druga – roślinom naczyniowym. Nie oznacza to jednak, że kontynenty pokryły się nagle lasami. Przodkami roślin naczyniowych były organizmy drobne i bezlistne; nie wykształciły też od razu tkanki naczyniowej przewodzącej wodę. Dopiero pod koniec syluru powstały dwie główne linie rodowe znane do dzisiaj: jedną były widłaki, a drugą – paprocie wraz z roślinami nasiennymi. Poza tym podziałem pozostawała na przykład Cooksonia, której kilkucentymetrowe gałązki wznosiły się ponad kobiercami prymitywnych mszaków przypominających współczesne wątrobowce lub glewiki. Największe ówczesne rośliny, jak Horneophyton, Rhynia, Aglaophyton, Nothia czy Asteroxylon, tworzyły widlasto rozgałęzione pędy wysokie na 20–50 cm, o szerokości kilku milimetrów.

Wspomniane rodzaje występują na stanowisku Rhynie Chert (w pobliżu szkockiej wioski o nazwie Rhynie, wymawianej /ˈraɪni/). Jest to „złoże skamieniałości” (Fossil-Lagerstätte), w którym pozostałości organizmów, w tym części miękkie, zachowały się znakomicie dzięki mineralizacji krzemionką. Stanowiska tego typu umożliwiają nam dość gruntowny przegląd całego miejscowego ekosystemu sprzed ok. 407 mln lat.1 Podbój lądu przez rośliny nabierał wówczas rozpędu. Powstały środowiska umożliwiające rozwój także fauny lądowej, zdominowanej przez stawonogi. W Rhynie występowały wije, pajęczaki, skorupiaki słodkowodne, skoczogonki, a być może także owady. Natomiast dopiero kilka milionów lat później zaczęły się próby kolonizacji lądu przez czworonogi.2

Najstarszy olbrzym

Na tym jednak nie koniec. W połowie XIX w. we wczesnodewońskich warstwach Kanady odkryto skamieniałości, które początkowo uznano za szczątki prymitywnych drzew szpilkowych. Nadano im nazwę Prototaxites, co oznacza mniej więcej „przodka cisów”. Z czasem okazało się, że organizmy tego typu miały globalny zasięg występowania i że pojawiły się u schyłku syluru, a przetrwały do późnego dewonu. Były w tym czasie największymi znanymi formami życia. Prototaxites przypominał pień drzewa. U największych gatunków (jak P. loganii, odkryty w stanie Nowy Jork, USA) ten „pień” osiągał prawie 9 m długości i 1 m grubości. Składał się ze splecionych z sobą rurkowatych włókien, zróżnicowanych na trzy typy o różnej morfologii i ewidentnie różnych funkcjach. Miały one grubość od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów. Prototaxites występował także w Rhynie. Tamtejszy gatunek, P. taiti, był raczej mikrusem wśród swoich kuzynów, lecz i tak przewyższał rośliny, wśród których rósł.

Ryc. 1.

Prototaxites uchodził powszechnie za drzewo do roku 1872, kiedy pojawiła się hipoteza konkurencyjna, uznająca go za olbrzymi glon, a konkretnie – za brunatnicę. Dokładniejsze badania mikrostruktury pnia wykluczyły pokrewieństwo z roślinami naczyniowymi, nie wyjaśniły jednak, czym właściwie były te „drzewa”, górujące ponad dywanem karłowatej roślinności; nie dało się bowiem zidentyfikować cech wskazujących jednoznacznie na konkretną grupę organizmów. Na początku XXI w. odżyła jedna z hipotez sprzed prawie stu lat, według której Prototaxites mógł być grzybem. Wskazywała na to włóknista struktura przypominająca mycelium (grzybnię), a także skład izotopowy węgla zawartego w skamieniałości. Proporcje izotopów 13C/12C dowodzą, że Prototaxites nie był zdolny do fotosyntezy, ale odżywiał się saprotroficznie. Innymi słowy, był cudzożywny, a nie samożywny: substancje organiczne czerpał z obumierających mat mikroorganizmów na sylursko-dewońskich mokradłach.

Pozostało pytanie, o jaką grupę grzybów chodzi. Początkowo zaliczono Prototaxites do podstawczaków (Basidiomycota) ze względu na to, że jego ciało zbudowane było z trzech typów grzybniopodobnych rurek; podobieństwo to okazało się jednak powierzchowne. W 2018 r. w badaniach mikroskopowych P. taiti dostrzeżono struktury przypominające worki i drobne askospory (zarodniki workowe) – cechę rozpoznawczą workowców (Ascomycota). Rozważano również ewentualną przynależność Prototaxites do którejś z pozostałych gromad grzybów, np. Mucoromycota lub Glomeromycota. Formułowano też hipotezy bardziej egzotyczne, według których Prototaxites nie miał być grzybem ani w ogóle konkretnym organizmem, tylko np. naturalnie zrolowaną matą wątrobowców.

Każda z tych propozycji miała swoje wady i zalety: tłumaczyła niektóre cechy skamieniałości, ale też generowała nowe wątpliwości. Dużą popularność uzyskał w ostatnich latach pogląd, że Prototaxites był grzybem zlichenizowanym, czyli porostem, co oznaczałoby, że tworzył układ symbiotyczny z mikroorganizmami fotosyntetyzującymi – cyjanobakteriami lub zielenicami. „Pnie” byłby wzniesionymi tworami plechy zawierającej fotobionty – jak podecja chrobotków (Cladonia), tyle że setki razy wyższe. W każdym razie hipoteza, że Ptototaxites był przynajmniej częściowo grzybem albo bliskim krewnym grzybów (być może należącym do wymarłej linii ewolucyjnej), zaczęła nabierać cech konsensusu specjalistów.

Ryc. 2.

Dewońskie grzybobranie

Ostatnio grupa badaczy, przede wszystkim z Uniwersytetu w Edynburgu, postanowiła przetestować istniejące hipotezy na temat pozycji taksonomicznej P. taiti, porównując jego anatomię i zachowane w skamieniałościach markery biochemiczne z cechami grzybów, zarówno współczesnych, jak i kopalnych. Tych ostatnich nie brakowało w ekosystemie Rhynie Chert. Znaleziono tam szczątki workowców (Ascomycota), skoczkowców (Chytridiomycota), grzybów kłębiakowych (Glomeromycota) i pączkorostowych (Blastocladiomycota). Spośród głównych gałęzi ewolucyjnych grzybów brak właściwie tylko podstawczaków (Basidiomycota), które musiały już istnieć (jako że stanowią grupę siostrzaną względem workowców), ale jako skamieniałości znane są dopiero od karbonu.

Jeden z grzybów z Rhynie, Winfrenatia reticulata, o niepewnej pozycji systematycznej (zapewne Mucoromycota lub Glomeromycota) tworzył układ symbiotyczny typu porostowego z cyjanobakteriami (sinicami). Dzisiejsze grzyby porostowe to w ogromnej większości workowce plus nieliczne gatunki podstawczaków. Wśród innych współczesnych grzybów symbioza z cyjanobakteriami występuje u gatunku Geosiphon pyriformis (Glomeromycota). W odróżnieniu od właściwych porostów Geosiphon zawiera sinice endosymbiotyczne, wnikające do komórek gospodarza. W. reticulata bardziej przypominała porosty, bo zawierała kultury sinic „hodowane” na podłożu plechy utworzonej przez strzępki grzybni. Nie były one jednak całkowicie otoczone grzybnią, jak u współczesnych porostów. Większa, górna część plechy zbudowana była z żelowatej pochwy złożonej z polisacharydów osłaniających wielokomórkowe włókna innego gatunku cyjanobakterii, trzeciego partnera w tym układzie. Jak widać, symbioza grzybów z fotobiontami wyewoluowała wielokrotnie w ich historii ewolucyjnej i przybierała różne formy, niekoniecznie spotykane obecnie. Ze stanowiska Rhynie Chert znamy także przykłady tzw. mykoryzy arbuskularnej, czyli ścisłej symbiozy grzybów z roślinami. Angażowały się w nią Glomeromycota, które do dziś są specjalistami od tego typu współpracy, obejmującej 70–90% gatunków roślin. Niektóre gatunki grzybów z Rhynie były pasożytami żerującymi na roślinach.

Słowem – cytując Mickiewicza – „grzybów było w bród”.

Do akcji wkracza chemia

Typową cechą grzybów są ściany komórkowe zbudowane z polisacharydów: chityny lub (rzadziej) chitozanu – związków, które pozostawiają w skamieniałościach swój chemiczny „odcisk palca” (obecność aminocukrów takich jak glukozamina). Szkockich badaczy zastanowił całkowity brak sfosylizowanych resztek związków tego typu w szczątkach Prototaxites, choć można je było znaleźć w skamieniałościach niewątpliwych grzybów z tej samej lokalizacji, a także stawonogów, posiadających chitynowe oskórki lub pancerzyki. Nieobecność chityny i chitozanu to poważny problem dla hipotezy, że Prototaxites był grzybem. Nie wykryto także śladów perylenu, pięciopierścieniowego węglowodoru aromatycznego. Jest on produktem fosylizacji perylenochinonów, związków syntetyzowanych przez workowce. Perylen występuje w ich skamieniałościach z Rhynie Chert, a także w podłożu, na którym rósł P. taiti (jako ślad obecności workowców w jego otoczeniu). Jeśli Prototaxites nie był grzybem, to nie mógł także być porostem; nie znaleziono zresztą dowodów na obecność w nim jakiegokolwiek fotobionta.

Znaleziono natomiast w ścianach komórkowych Prototaxites związki powstające wskutek degradacji polimerów organicznych z grupy lignin. Ligniny występują powszechnie w tkankach usztywniających roślin naczyniowych, stanowiąc między innymi ważny składnik kory i drewna. To właśnie ligniny pozwalają roślinom lądowym tworzyć sztywne, wysoko wzniesione pędy i system naczyń przewodzących wodę. Ligniny nie występują u mszaków, można je za to spotkać u niektórych krasnorostów (Rhodophyta). Krasnorosty to jedno z pierwotnych odgałęzień supergrupy Archaeplastida, obejmującej rośliny w ścisłym sensie i ich bliskich kuzynów. Ligniny krasnorostów i roślin naczyniowych są raczej wynikiem niezależnej ewolucji niż dziedzictwem po wspólnym przodku, jednak związki prekursorowe, z których budowana jest lignina (jak alkohol parakumarylowy), i geny odpowiedzialne za szlaki ich biosyntezy są dość rozpowszechnione w różnych grupach eukariontów, odległych od siebie ewolucyjnie.

Zdaniem autorów badania ligniny występujące w P. taiti pozostawiły nieco inne „chemiczne odciski palca” (zawartość składników fenolowych) niż ich roślinne odpowiedniki. Prototaxites i tak zresztą nie mógł być rośliną. Świadczy o tym jego cudzożywność i odmienność anatomiczna. Z podobnych względów można wykluczyć wszelkie inne organizmy fotosyntetyzujące (w tym ramienice, zielenice, krasnorosty i brunatnice). Obecność w ścianach komórkowych śladów lignin przy jednoczesnym braku polisacharydów typu chininy wyklucza z kolei grzyby – i to nie tylko te należące do głównych grup współczesnych, bo chityna występuje przynajmniej na niektórych etapach cyklu życiowego wszystkich, nawet najpierwotniejszych linii rodowych tego królestwa jako dziedzictwo po wspólnym przodku.

Olbrzym jeszcze bardziej zagadkowy

A jeśli nie roślina i nie grzyb – to co? Rurkowata mikrostruktura pnia, brak śladów budowy tkankowej i występowanie ścian komórkowych wykluczają zaliczenie Prototaxites do zwierząt. Odpadają także organizmy powierzchownie podobne do grzybów (tworzące strzępki przypominające grzybnię), ale odległe od nich ewolucyjnie, takie jak lęgniowce (Oomycetes) albo bakterie z rzędu promieniowców (Actinomycetales). Zakładając nawet, że potrafiłyby tworzyć kilkumetrowe, sterczące pionowo struktury (ich współcześni przedstawiciele nie potrafią), „podpis” chemiczny i szczegóły anatomii nie pasują do lęgniowców, a rozmiary i stopień zróżnicowania komórek – do bakterii czy jakichkolwiek prokariontów.

Wyniki badania zostały na razie zaprezentowane jako preprint (Loron et al., 17 marca 2025) w repozytorium bioRχiv w oczekiwaniu na recenzje i – miejmy nadzieję – publikację w wersji ostatecznej. Jeżeli autorzy mają rację, to właściwie wróciliśmy do czasów, gdy stanowisko systematyczne Prototaxites pozostawało owiane tajemnicą. Jesteśmy o tyle mądrzejsi, że wiele potencjalnych identyfikacji udało się wykluczyć. Pozostaje możliwość, że największe organizmy przełomu syluru i dewonu są czymś nieoczekiwanym: nieznaną wcześniej linią ewolucyjną eukariontów, która niezależnie „wynalazła” złożoną strukturę wielokomórkową, umożliwiającą osiąganie przez osobniki wysokiego poziomu organizacji i znacznych rozmiarów. Takich przypadków w historii życia nie było wiele: zwierzęta, dwie gromady grzybów, rośliny, krasnorosty właściwe i część brunatnic. Badania Prototaxites sugerują, że jeszcze jedna grupa eukariontów podążyła podobną drogą, skolonizowała ląd i przez pewien czas była najbardziej widocznym elementem krajobrazu. Włókniste plecionki komórek o ścianach usztywnionych ligniną były jednym z pierwszych eksperymentów natury prowadzących do gigantyzmu.

Nie jest jasne, jaki nacisk selekcyjny kazał tym organizmom piąć się w górę. Nie mogła to być konkurencja o dostęp do światła słonecznego, skoro Prototaxites był saprotrofem; zresztą żeby górować nad pierwotnymi roślinami lądowymi, wystarczałaby w zupełności wysokość około metra. Nie wiadomo też, dlaczego cała ta linia ewolucyjna, która najwyraźniej doskonale sobie radziła przez kilkadziesiąt milionów lat, znikła pod koniec dewonu. Czy do jej wymarcia doprowadziły zmiany ekosystemów spowodowane przez przyśpieszającą ewolucję roślin naczyniowych, zwiększanie się ich rozmiarów i pojawienie się prawdziwych drzew (jak Wattieza lub Archaeopteris)? Czy pasożytnicze grzyby nauczyły się rozkładać ligninę i skuteczniej atakować Prototaxites? Czy żerowały na nim owady lub inne stawonogi lądowe? Czy stał się jedną z ofiar zmian klimatycznych i wielkiego wymierania późnodewońskiego (które co prawda dotknęło głównie organizmy morskie)? Być może o jego wymarciu zadecydował pechowy splot kilku niezależnych przyczyn.

Zamiast zamknąć dyskusję trwającą od ponad półtora wieku, nowe badanie może zapoczątkować jej całkiem nowy rozdział.

Przypisy

  1. Szkocja była wówczas częścią paleokontynentu Euroameryki (zwanego też Laurosją) i położona była na półkuli południowej, niezbyt daleko od równika. ↩︎
  2. Najstarsze znane ślady tego wychodzenia pochodzą z Gór Świętokrzyskich (Zachełmie) i datowane są na 390 mln lat temu (patrz wpis o rybach dwudysznych). ↩︎

Opisy ilustracji

Ilustracja w nagłówku. Współczesny wątrobowiec Marchantia polymorpha. Ponad płożącymi się po podłożu plechami wznoszą się gametofity żeńskie (archegonia) w kształcie miniaturowych palemek. Takie „lasy mszaków” o wysokości do kilku centymetrów stanowiły zapewne najniższe piętro roślinności w wielu ekosystemach sylursko-dewońskich. Jednak zapis kopalny mszaków jest ubogi, wręcz szczątkowy w porównaniu z roślinami naczyniowymi. Ze stanowiska Rhynie Chert nie znamy gatunków zidentyfikowanych jednoznacznie jako mszaki. Foto: Piotr Gąsiorowski 2023 (licencja CC BY-SA 4.0)
Ryc. 1. Prototaxites sp., fragment skamieniałego „pnia”. Ilumetsa, Estonia. Źródło: Fossilid (licencja CC BY-NC 3.0).
Ryc. 2. Współczesny grzyb próchnilec maczugowaty (Xylaria polymorpha) z gromady workowców tworzy palczaste owocniki przypominające rekonstrukcje Prototaxites, tyle że ok. 100 razy niższe. Oczywiście powierzchowne podobieństwo nie oznacza pokrewieństwa. Foto: Piotr Gąsiorowski 2024 (licencja CC BY-SA 4.0).

Lektura dodatkowa

  • Link do preprintu (Loron et al. 2025): bioRχiv .
  • Omówienie badania: Live Science.
  • Przegląd dotychczasowych poglądów na temat Prototaxites: Tomczyk 2018 (Kosmos 67/2).

Ryby dwudyszne i paradoksy genomiki

Piotr Gąsiorowski4 komentarze

My, mięśniopłetwi

Prawdopodobnie około 430 mln lat temu, czyli w środkowym sylurze, od przodka ryb promieniopłetwych (Actinopterygii) oddzieliła się linia ewolucyjna znana jako mięśniopłetwe (Sarcopterygii). Jak sama nazwa wskazuje, wyróżniały się one budową płetw parzystych, które osadzone były na dobrze umięśnionych trzonach kostnych, zopatrzonych w stawy. Zwierzęta te miały też kilka innych cech szczególnych, na przykład zęby pokryte szkliwem złożonym głównie z twardego hydroksyapatytu. I promieniopłetwe, i mięśniopłetwe (tworzące wspólnie grupę ryb kostnych) miały przed sobą wielką przyszłość. Każda z nich obejmuje dziś po ok. 50% gatunków kręgowców (pozostawiając na marginesie ryby chrzęstne oraz minogi i śluzice). Gdyby obie pozostały w środowisku wodnym, musiałyby konkurować z sobą, tak się jednak złożyło, że ogromna większość współczesnych mięśniopłetwych to zwierzęta lądowe.

Mięśniopłetwe dość szybko podzieliły się na kolejne linie rozwojowe. Pierwsza z nich to trzonopłetwe (Actinistia), których największy rozkwit przypadał na wczesny trias. W jurze i kredzie były mniej zróżnicowane, ale za to niektóre gatunki osiągnęły olbrzymie rozmiary (ponad 5 m długości). Niemal wszystkie trzonopłetwe wymarły jednak z końcem mezozoiku. Jakimś cudem do naszych czasów przetrwały podręcznikowe „żywe skamieniałości” – dwa gatunki z rodzaju Latimeria.

Pozostałe mięśniopłetwe już wkrótce – na przełomie syluru i dewonu (420 mln lat temu) – uległy kolejnemu podziałowi na dwudyszne (Dipnoi) i grupę Tetrapodomorpha, której najstarsi przedstawiciele nadal żyli w wodzie: najpierw na płyciznach u wybrzeży morskich i w lagunach, a pod koniec dewonu coraz częściej w wodach słodkich. Ponieważ jednak posiadali płuca i mogli oddychać tlenem atmosferycznym, dzięki umięśnionym płetwom potrafili także wypuszczać się poza macierzysty żywioł i człapać po lądzie. Najstarsze skamieniałe ślady takich wędrówek (390 mln lat temu) odkryto w Zachełmiu w Górach Świętokrzyskich. Nieco młodsze pochodzą z Irlandii i Australii. Te wczesne eksperymenty doprowadziły w końcu do prawdziwego wyjścia na ląd około 375 mln lat temu. Umięśnione płetwy wyewoluowały w prawdziwe kończyny zakończone dłonią lub stopą z palcami. Jako jedyne w owym czasie kręgowce lądowe, Tetrapodomorpha miały dużą swobodę zasiedlania różnych nisz ekologicznych i ochoczo z niej skorzystały. Około 340 mln lat temu, w karbonie, żył ostatni wspólny przodek wszystkich dzisiejszych czworonogów lądowych (Tetrapoda), czyli na przykład człowieka i rzekotki drzewnej.

Nasi nieco zapomniani kuzyni

Ale zostawmy na boku czworonogi i przyjrzyjmy się ich grupie siostrzanej, czyli dwudysznym. W dewonie była to spora grupa kręgowców morskich: kiedy nasi praprzodkowie podejmowali próby wyjścia na ląd, w morzach żyło około stu gatunków bardzo różnorodnych dwudysznych. Podobnie jak tetrapodomorfy, posiadały one (obok skrzeli) płuca – worki powietrzne umożliwiające oddychanie powietrzem, co pomagało im przeżyć w wodzie ubogiej w rozpuszczony tlen. Płuca wywodzą się z tych samych pierwotnych struktur co pęcherze pławne ryb promieniopłetwych, ale mają bardziej skomplikowaną budowę: są podzielone na wielką liczbę mniejszych pęcherzyków w celu zwiększenia powierzchni wymiany gazowej. Dwudyszne bardzo wcześnie wyspecjalizowały się w polowaniu na zwierzęta osłonięte twardymi skorupami lub pancerzami, rozwinęły więc unikatową formę uzębienia w postaci masywnych płytek zębowych do miażdżenia twardego pokarmu, łatwo rozpoznawalnych w zapisie kopalnym.

Ryc. 1.

Niemal wszystkie karbońskie dwudyszne przeniosły się z oceanu do wód słodkich. Jedna z ich linii, klasyfikowana jako rząd Ceratodontiformes, objęła swoim zasięgiem cały superkontynent Pangei. Ich mezozoiczne skamieniałości znane są także z Polski. Większość dwudysznych wyginęła z końcem kredy, niektóre nieco później, w eocenie. Do naszych czasów dożyli przedstawiciele jednej z podgrup Ceratodontiformes, która po rozpadzie Pangei wyodrębniła się na południowym superkontynencie, Gondwanie. W miarę jak sama Gondwana dzieliła się na część wschodnią (Antarktyda, Australia, Nowa Zelandia, Indie i Madagaskar) oraz zachodnią (Afryka i Ameryka Południowa), zamieszkujące ją dwudyszne ewoluowały niezależnie na powstających kontynentach, dając początek odrębnym rodzinom.

Australijskim reliktem tego procesu jest rogoząb (Neoceratodus forsteri) z rzek południowo-wschodniego Queenslandu, ostatni żyjący przedstawiciel rodzaju znanego od kredy. W odróżnieniu od innych dzisiejszych dwudysznych zachował dobrze rozwinięte umięśnione płetwy, duże łuski i w pełni funkcjonalne skrzela, którym towarzyszy pojedyncze płuco. Dla rogozęba ewolucja jakby się zatrzymała: wygląda bardzo podobnie do najstarszych przedstawicieli Ceratodontiformes, a na przykład budową mózgu bardziej przypomina trzonopłetwe niż swoich dwudysznych kuzynów. Nie zapada też w sen letni (estywację), aby w ten sposób przetrwać porę suchą.

Różnice te wynikają stąd, że linia rodowa rogozęba wyodrębniła się w jurze, 150–200 mln lat temu. Wspólni przodkowie pozostałych współczesnych dwudysznych zamieszkiwali Gondwanę Zachodnią aż do jej rozpadu na Afrykę i Amerykę Południową, który nastąpił 100 mln lat temu. Wówczas rozwinęły się dwie kolejne linie, każda reprezentowana dziś przez jeden rodzaj: afrykański prapłetwiec (Protopterus) z czterema żyjącymi gatunkami i południowoamerykański prapłaziec (Lepidosiren) z jednym gatunkiem (L. paradoxa).1 Prapłetwiec i prapłaziec mają wiele cech wspólnych wskazujących na bliskie pokrewieństwo (co potwierdzają badania genetyczne): węgorzowate ciało pokryte drobną łuską, płetwy parzyste zredukowane do wiotkich, nitkowatych wyrostków, parzyste płuca, skrzela uwstecznione i praktycznie niefunkcjonalne u dorosłych osobników oraz zdolność do estywacji, czyli zapadania w sen letni w kokonie z zaschniętego śluzu w komorze wykopanej w błocie.2

Rekordowe genomy

Wszystkie współczesne dwudyszne mają jeszcze jedną cechę szczególną, niewidoczną gołym okiem: ogromne genomy. Genomy te są tak wielkie, że trudno było nawet oszacować ich długość metodami dawniej dostępnymi. Dopiero w 2021 r. udało się w pełni zsekwencjonować i zestawić w całość genom rogozęba. Okazało się, że zawiera on 43 miliardy par zasad (43 Gbp), czyli jest ok. 14 razy większy niż genom człowieka (3 Gbp).3 Wówczas rogoząb został oficjalnym rekordzistą całego królestwa zwierząt (tylko zwierząt, bo genomy roślinne bywają jeszcze większe).4 Nie na długo, gdyż jak pisałem w zeszłym roku, mały skorupiak zwany krylem antarktycznym (Euphausia superba) niebawem zdetronizował rogozęba jako posiadacz genomu złożonego z 48 Gbp.

Nowe odkrycia mieszają jednak stale w takich rankingach. Ten sam zespół, który trzy lata temu zbadał genom rogozęba, powtórzył ten wyczyn z genomami prapłetwca brunatnego (Protopterus annectens) i prapłaźca. Tytuł rekordzisty wrócił do dwudysznych. Prapłetwiec brunatny, jak się okazało, ma genom zawierający 47 Gbp – większy niż rogoząb, choć nie aż tak wielki, żeby pokonać kryla. Jednak prapłaziec naprawdę wymiata: jego genom liczy aż 91 Gbp, czyli trzydziestokrotnie przewyższa objętością genom ludzki i jest niemal dwukrotnie większy niż genom kryla antarktycznego. Podawana często jeszcze większa wartość (133 Gbp) dla prapłetwca abisyńskiego (P. aethiopicus) jest możliwa, ale wynika z oszacowań, które mogą być grubo zawyżone. Nie jest zatem oficjalnym rekordem królestwa zwierząt, dopóki genom tego gatunku nie został w pełni zsekwencjonowany.

Ryc. 2.

Skąd i po co tak wielkie genomy? Nie jest to cecha, która łączyłaby wszystkie mięśniopłetwe. Kręgowce lądowe w zasadzie mają genomy średnich rozmiarów: ludzkie 3 Gbp jest bliskie wartości przeciętnej dla kręgowców. Genom latimerii jest nieco mniejszy od ludzkiego. Wyjątkiem są salamandry, czyli płazy ogoniaste. W tej grupie także mamy do czynienia z przypadkami rozrostu genomów do rzadko spotykanych rozmiarów. Niestety dotąd zbadano szczegółowo tylko niewielką część płazich genomów. Spośród tych, które zsekwencjonowano i zestawiono w całość, niektóre osiągają 32 Gbp (genom aksolotla, Ambystoma mexicanum). Z pewnością górna granica możliwości salamander leży znacznie wyżej i kto wie, czy nie są one godnymi konkurentami dla dwudysznych, ale żeby się przekonać, czy tak rzeczywiście jest, musimy cierpliwie poczekać na wyniki dalszych badań.

Puchnięcie genomów dwudysznych jest starsze niż podział na współcześnie występujące rodzaje. Zaczęło się jeszcze w karbonie (300 mln lat temu) i wyhamowało po około 100 milionach lat, a jego śladem jest widoczny u kopalnych dwudysznych systematyczny wzrost wielkości komórek tkanki kostnej. Następnie – już po oddzieleniu się Ameryki Południowej od Afryki, a prapłaźców od prapłetwców – prapłaźce znowu zaczęły dynamicznie namnażać swoje DNA. Łatwo policzyć, że jeśli w ciągu 100 mln lat odrębnego rozwoju przybyło im około 40 miliardów par zasad, to co 10 milionów lat przybywało go średnio więcej niż cała objętość genomu ludzkiego.

Szalone transpozony

Czasem za wzrost rozmiarów genomu odpowiada poliploidalność, czyli podwojenie całego zestawu chromosomów. Kilka przypadków takiego zwielokrotnienia całego genomu zdarzyło się we wczesnej historii prymitywnych kręgowców, o czym pisałem tutaj. Ale u dwudysznych nie zaszło nic podobnego. Przeciwnie, ich kariotyp, czyli układ chromosomów, jest bardzo zachowawczy i niewiele się zmienił od czasu, kiedy ich przodkowie rozstali się z przodkami czworonogów. Natomiast same chromosomy są olbrzymie: większość z nich przewyższa wielkością genom człowieka.

Tym, co spowodowało ich rozrost, było namnażanie się „samolubnego” DNA, a szczególnie retroranspozonów typu LINE. Aktywny transpozon tego typu (zwany popularnie, choć nieściśle, „skaczącym genem”) przypomina w działaniu wirusy: koduje dwa białka umożliwiające mu tworzenie własnych kopii i wklejanie ich w inne miejsca genomu. Z czasem aktywność transpozonu zanika, bo losowe mutacje prędzej czy później uszkadzają geny potrzebne do autoreplikacji. Ponieważ skutki niekontrolowanego mnożenia się kopii LINE mogą zagrażać stabilności genomu, istnieją na poziomie komórki różne mechanizmy trzymające transpozony w ryzach. Sekwencje typu LINE stanowią ok. 21% genomu człowieka; są to jednak w znakomitej większości (ok. 99,9%) transpozony już nieaktywne lub ich poszatkowane szczątki.

Tymczasem w genomie prapłaźca zidentyfikowano ponad 75 tysięcy niezdegradowanych długich retrotranspozonów LINE, w znacznej części aktywnych. U prapłetwca jest ich mniej, ale towarzyszą im także retrotranspozony SINE, powielające się w nieco inny sposób. U rogozęba (podobnie jak u salamander) dużą rolę odgrywają ponadto tzw. retrotranspozony LTR. Efekt ich aktywności jest w sumie podobny: genom stopniowo zapełnia się powtarzalnymi sekwencjami DNA różnej długości (do kilku tysięcy par zasad). Wypełniają one przestrzenie między genami i introny (niekodujące sekwencje rozdzielające kodujące odcinki genu). Jest to jedna z przyczyn, dla których tak długo nie można było dokonać złożenia w całość sekwencjonowanych genomów dwudysznych: przypominało ono próby odtworzenia układu puzzle’a, w którym większość kawałków nie różni się wyglądem. Przełom nastąpił dopiero po zastosowaniu technik tzw. trzeciej generacji, czyli sekwencjonowania nanoporowego, które umożliwia bezpośrednią identyfikację długich i ultradługich odcinków DNA.

Zidentyfikowane sekwencje powtarzalne różnego typu stanowią 93% genomu prapłaźca, 85% genomu prapłetwca i 81% genomu rogozęba (u człowieka jest to co najmniej 45%, ale według niektórych oszacowań nawet powyżej 60%). Autorzy badania zwracają uwagę na wyjątkowo niski u dwudysznych poziom ekspresji tzw. piRNA (małych, niekodujących cząsteczek RNA o średniej długości 28 nukleotydów) i na zmniejszoną liczbę genów kodujących pewne białka z domeną zwaną „palcem cynkowym”. Jedne i drugie odpowiedzialne są między innymi za wyciszanie aktywnych retrotranspozonów. Osłabienie tych mechanizmów obronnych jest zapewne jedną z przyczyn, które pozwoliły traspozonom szerzyć się w genomach tych gatunków. Mimo wszystko nie doprowadziło to do przemeblowania układu chromosomów ani do innych dramatycznych skutków. Fragmenty genomu szczególnie wrażliwe (na przykład zwarte grupy genów homeotycznych, kontrolujących rozwój morfologiczny organizmu) są nadal chronione przez dobór naturalny przeciwstawiający się wklejaniu wewnątrz nich kopii transpozonów.

Czy te miliony dodatkowych kopii są do czegoś potrzebne swoim nosicielom? Ponieważ ewolucja lubi czasem złożyć coś sensownego z nagromadzonych rupieci, także „oswojone” transpozony mają potencjał użytkowy: bywają przypadkowym źródłem korzystnych innowacji. Jednak większość z nich nie pełni żadnej konkretnej funkcji. Są tolerowane, bo w ewolucyjnym bilansie strat i zysków czyszczenie genomu z niepotrzebnych elementów może nie być dostatecznie opłacalne. Wszystkie trzy rodzaje dwudysznych mają podobną liczbę genów kodujących białka – około 20 tysięcy (mniej więcej tyle samo co człowiek) i zapewne po kilka tysięcy funkcjonalnych genów RNA (też podobnie jak człowiek). Jeśli dodać do tego różne inne typy użytecznych sekwencji niekodującego DNA, to według wszelkiego prawdopodobieństwa dwudyszne mają go – co do rzędu wielkości – podobną ilość jak człowiek. Natomiast u prapłaźca niefunkcjonalne („śmieciowe”) sekwencje DNA zajmują nie 90% (jak u człowieka), ale 99,7% genomu. Popularne wyobrażenie o tym, że natura jest oszczędna i nie znosi bezużytecznego nadmiaru, zupełnie się nie sprawdza w tym przypadku.

Paradoks wartości C, czyli nie tylko długość się liczy

Prapłetwiec brunatny i prapłaziec są bliskimi kuzynami i niewiele się różną budową ciała, fizjologią i trybem życia – dla laika wyglądają ta samo – a jednak ich genomy różnią się wielkością dwukrotnie. Ta dysproporcja (jeszcze bardziej uderzająca np. wśród salamander lub w wielu grupach roślin) nazywana jest paradoksem wartości C (chodzi o jedną z miar wielkości haploidalnego genomu). Okazuje się, że nie ma uchwytnego związku między złożonością czy „zaawansowaniem ewolucyjnym” organizmu a rozmiarami jego genomu.

Niewielka ryba z rodziny rozdymkowatych, kolcobrzuch zielony (Dichotomyctere nigroviridis), żyjąca w słonawych i słonych wodach u wybrzeży Azji Południowo-Wschodniej, ma genom o objętości 340 milionów par zasad (340 Mbp), czyli 9 razy mniejszy niż genom człowieka albo – powiedzmy – myszy domowej (Mus musculus) i prawie 270 razy mniejszy niż genom prapłaźca. Kolcobrzuch ten posiada 23 pary chromosomów (o cztery więcej niż prapłaziec, o trzy więcej niż mysz i tyle samo co człowiek), ale każdy chromosom jest wielokrotnie mniejszy od ludzkich bądź mysich, nie wspominając o prapłaźcowych. A jednak użyteczna zawartość genomu kolcobrzucha jest taka jak zwykle: około dwudziestu tysięcy genów kodujących białka, sporo genów RNA – no i zostaje jeszcze aż nadto miejsca na inne sekwencje DNA użyteczne w mniej oczywisty sposób. Natomiast u kolcobrzucha, podobnie jak u wielu jego krewnych o niewiele większych genomach5, zanikła duża część DNA położonego poza genami i w intronach. Powtarzalne sekwencje pochodzenia transpozonowego stanowią tylko kilka procent ich genomów.6

Ryc. 3.

Ewolucja wielkości genomu to gra dwóch przeciwstawnych tendencji. Z jednej strony mamy drobne, pospolite mutacje zwane indelami (insercje i delecje): wstawiają one lub usuwają krótkie fragmenty DNA lub nawet pojedyncze pary zasad. W porównaniu z insercjami delecje są statystycznie nieco częstsze i obejmują nieco dłuższe sekwencje. Gdyby zatem nie działały inne czynniki, genom kurczyłby się powoli, ale systematycznie. Ta jego część, która ewoluuje neutralnie, bo nie chroni jej dobór naturalny, ulegałaby stopniowej erozji. W końcu pozostałoby z genomu to, co niezbędne do funkcjonowania organizmu: rdzeń złożony z sekwencji, których nie da się bezkarnie pozbyć. Z drugiej strony mamy powielające się aktywne transpozony i rzadkie, ale dramatyczne przypadki podwojenia większych fragmentów chromosomów, regionów obejmujących cały gen lub wiele genów, a nawet całego genomu, jak w przypadku poliploidyzacji. O ile nie prowadzą do śmierci lub bezpłodności, mogą błyskawicznie zwiększyć rozmiary genomu, kompensując jego kurczenie się wsputek losowych delecji. Oczywiście erozja nie ustępuje i zachodzi nadal, ale robi to w żółwim tempie, więc co pewien czas tendencja do wzrostu nadmiarowego DNA wyprzedza tendencję do jego redukcji.

W końcu ustala się jakaś dynamiczna równowaga między dodawaniem DNA (co jest głównie skutkiem działania transpozonów) a jego ubywaniem (głównie wskutek skromnych delecji drążących genom jak woda skałę). Mechanizmy wyciszania transpozonów nie są niezawodne, ale przynajmniej zapobiegają rozdymaniu genomu do nieporęcznych rozmiarów. Dla większości organizmów nadmiar DNA jest niemal obojętny. Typowa wielkość genomów ssaków łożyskowych to 2,5–3,5 Gbp. Znaczna większość tego DNA jest nadmiarowa, ale jego obecność nie wiąże się z kosztem wymagającym radykalnego odchudzania.

Może się jednak zdarzyć, że rozwój danej linii ewolucyjnej idzie w kierunku zmniejszenia rozmiarów komórek i jądra komórkowego; pożądane jest wtedy także „okrojenie” chromosomów. Tak było na przykład w przypadku kręgowców latających (nietoperzy i ptaków, a prawdopodobnie także pterozaurów) w związku z ich wyjątkowo intensywnym metabolizmem stałocieplnym. Pojawia się wtedy presja selekcyjna na usunięcie choćby części zbędnego DNA. Dlatego przeciętna wielkość genomu nietoperzy to ok. 2 Gbp – o jedną trzecią mniej niż u człowieka.7 Genomy ptaków są jeszcze mniejsze (zwykle ok. 1 Gbp) i zawierają tylko 4–10% sekwencji powtarzalnych; ptasie geny mają także skrócone introny. W ewolucji obu grup aktywność transpozonów nigdy nie ustała, ale pod naciskiem doboru naturalnego punkt równowagi między dodawaniem a ujmowaniem DNA przesunął się ku niższym wartościom.

Nie znamy dokładnie przyczyn, dla których rozdymkowate pozbyły się większości śmieciowego DNA, ale nietrudno się domyślić, jak to się stało. Każdy dostatecznie efektywny mechanizm hamujący namnażanie się transpozonów prowadzi z czasem do odchudzenia genomu – wystarczy poczekać kilkadziesiąt milionów lat. I odwrotnie: jeśli pozwalamy transpozonom „iść na całość”, to po kilkudziesięciu milionach lat mamy genom wypchany ich kopiami (w większości nieaktywnymi). Dwudyszne są przeciwieństwem ptaków i nietoperzy: ich metabolizm jest spowolniony, a komórki i jądra komórkowe – bardzo duże. Dożywają od ośmiu (prapłaziec) do kilkudziesięciu, a nawet ponad stu lat (rogoząb), spędzając życie w mulistych rzekach i jeziorach i nigdzie się nie śpiesząc. Do tego prapłetwce i prapłaźce zapadają sezonowo w sen letni, podczas którego tempo przemiany materii spada jeszcze sześćdziesięciokrotnie. Nie podlegają zatem silnemu naciskowi doboru przeciwko samolubnym transpozonom.

Przypisy

  1. Oficjalnie istnieje zatem sześć gatunków współczesnych dwudysznych (cztery w Afryce i po jednym w Australii i Ameryce Południowej), jednak z badań genetycznych wynika, że populacje prapłaźców z dorzeczy Amazonki i Parany rozdzieliły się się kilka milionów lat temu i różnice genetyczne między nimi są podobnego rzędu jak między gatunkami prapłetwców. Mamy zatem prawdopodobnie do czynienia z gatunkami kryptycznymi (nieodróżnialnymi morfologicznie). ↩︎
  2. Nie jest to jednak wyłącznie cecha tej grupy dwudysznych, bo estywacja podobnego typu występowała już u dość pierwotnych Ceratodontiformes z rodzaju Gnathorhiza, który żył od późnego karbonu do wczesnego triasu. Świadczą o tym skamieniałości tych zwierząt, zachowane w wykopanych przez nie norach. ↩︎
  3. Tu i w dalszym ciągu mówimy o genomie haploidalnym, czyli takim, jaki występuje w komórkach płciowych, zawierających jeden komplet chromosomów. ↩︎
  4. Ze wszystkich dotąd zbadanych organizmów największy genom ma Tmesipteris truncata, australijska paproć z rodziny psylotowatych. Zawiera on 160 miliardów par zasad, czyli ok. 50 razy więcej niż genom człowieka. ↩︎
  5. Należy tu szereg gatunków rozdymkowatych, między innymi rozdymka tygrysia (Takifugu rubripes), której genom liczy około 400 Mbp (7,5 raza mniej niż genom ludzki). Dzięki temu kompaktowemu genomowi rozdymka tygrysia zdobyła sławę jako drugi po Homo sapiens gatunek, którego DNA zsekwencjonowano w całości. Bardzo małe genomy (nieco ponad 400 Mbp) mają także najmniejsze znane promieniopłetwe, jednocentymetrowej długości rybki karpiowate z rodzaju Paedocypris. ↩︎
  6. Co ciekawe, u kolcobrzucha znaleziono ponad trzy razy więcej typów transpozonów niż u ludzi, ale mają one średnio po kilka tysięcy kopii, podczas kiedy u ludzi są tych kopii miliony. ↩︎
  7. Nietoperze znane są jako naturalny rezerwuar wirusów, nic więc dziwnego, że w ich genomach można znaleźć wielką liczbę retrowirusów endogennych, natomiast liczba transpozonów jest zredukowana, a szczególnie częste u człowieka retrotranspozony LINE-1 zupełnie zanikły u owocożernych nietoperzy z rodziny rudawkowatych. ↩︎

Opisy ilustracji

Ilustracja w nagłówku. Schemat struktury retrotranspozonu LINE-1. ORF1 i ORF2 to tzw. otwarte ramki odczytu (open reading frames), które mogą ulec translacji na białka. LINE-1 koduje dwa białka umożliwiające mu wklejenie własnej kopii w innej lokalizacji w genomie. Źródło: Michelle Tetreault Carlson 2022, blog Active Motif (fair use).
Ryc. 1. Kopalna ryba dwudyszna Dipterus valenciennesi ze środkowego dewonu (ok. 385 mln lat temu). Skamieniałość i rekonstrukcja wyglądu. Źródło: Orkney Landscapes (licencja CC BY-NC-SA 2.0).
Ryc. 2. Południowoamerykański prapłaziec (Lepidosiren paradoxa), chwilowy rekordzista w kategorii długości genomu w królestwie zwierząt. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 2.5).
Ryc. 3. Kolcobrzuch zielony (Dichotomyctere nigroviridis), kręgowiec o rekordowo małym genomie. Foto: FishWise Professional. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC-SA).

Lektura dodatkowa (dla dociekliwych)

Czy ewolucja nadal nas dotyczy? Część 3: Dobór naturalny, nasz wróg i przyjaciel

Piotr GąsiorowskiLeave a comment 
Inne wpisy z tej serii
Część 1: Prolog
Część 2: Każdy z nas jest mutantem
Część 4: Jak żyć z doborem?
Część 5: Inne mechanizmy zmian
Część 6: Podsumowanie

Dobór, który czyni cuda, ale bywa niemiły dla jednostek

Dobór naturalny to zjawisko godne podziwu. Różnorodność życia na Ziemi jest w znacznej mierze skutkiem faktu, że poszczególne gatunki dostrajają się do środowisk, w których żyją. Część biologów ewolucyjnych popularyzujących swoją dyscyplinę, z Richardem Dawkinsem na czele1, podkreśla przede wszystkim zadziwiającą zdolność doboru do budowania przystosowań – misternych struktur i systemów, które wyglądają, jak gdyby były starannie i celowo zaprojektowane, aby zapewnić swoim posiadaczom odpowiednio długie przeżycie i sukces reprodukcyjny. Dobór osiąga ten efekt poprzez filtrowanie mutacji: te, które sprzyjają dostosowaniu organizmu (fenotypu), szerzą się kosztem tych, które w tym przeszkadzają. O ile mutacje i dryf genetyczny to zjawiska losowe (przy czym wypada zaznaczyć, że przypadek i kaprysy losu również odgrywają w ewolucji ogromną, czasem konstruktywną rolę), dobór działa w określonym kierunku, dążąc do optimum przystosowania. Choć korzystne mutacje są rzadkie w porównaniu ze szkodliwymi i neutralnymi, dobór jest ich potężnym wzmacniaczem. Z punktu widzenia kondycji gatunku i jego puli genetycznej skutecznie działający dobór jest zjawiskiem zdrowym i pożądanym.

Ponieważ jednak jesteśmy istotami rozumnymi, u których wraz z rozumem rozwinęły się cechy takie jak indywidualizm, empatia, zdolność przewidywania i świadomość kruchości własnego istnienia, trudno nam się pogodzić z poglądem, że fenotyp (czyli znajoma postać, którą widzimy, patrząc w lustro) wyewoluował jako jednorazowe opakowanie ochronne dla genomu, o którym mało wiemy i z którym raczej nie jesteśmy związani uczuciowo. Niezbyt pociesza nas fakt, że jeśli z powodu jakichś dziedzicznych defektów umrzemy młodo i bezpotomnie, będzie to z korzyścią dla puli genetycznej gatunku. Jako istoty społeczne cenimy sobie współpracę, wzajemną pomoc i opiekę. Kochamy nasze rodziny i przyjaciół. Oczekujemy, że jeśli zachorujemy lub znajdziemy się w niebezpieczeństwie, inni członkowie społeczności pomogą nam, zamiast się cieszyć, że natura uwalnia ich od osobnika słabego i bezradnego. Zresztą to właśnie dobór naturalny ukształtował w ten sposób naszych dalekich przodków, premiując genetyczne predyspozycje do współpracy i altruizmu.2 Sprzyjanie rozwojowi społeczności i zachowań prospołecznych to jedna ze strategii zwiększających sukces ewolucyjny genów (zwłaszcza tych, które odpowiadają za powyższe predyspozycje) i ich nosicieli.

Ryc. 1.

Odkąd ewolucja kulturalna nabrała rozmachu, zaczęliśmy się dość skutecznie zabezpieczać przed naturalną eliminacją. Zamiast czekać biernie, aż o naszym przeżyciu zdecyduje dobór naturalny, stawiamy mu czoło, wspomagani przez społeczeństwo i jego wytwory. O ile dla gatunku dobór jest przyjacielem, to indywidualnie traktujemy go raczej jako wroga. Tylko niewielka część ludzkości żyje w warunkach zbliżonych do tych, które stanowiły środowisko naszych przodków dziesiątki tysięcy albo choćby i kilka tysięcy lat temu. Czynniki, które dziesiątkowały wówczas nasz gatunek, działały selektywnie: osobniki lepiej przystosowane w sensie biologicznym (zdrowsze, płodniejsze, sprawniejsze fizycznie, odporniejsze na patogeny) z większym prawdopodobieństwem dożywały wieku reprodukcyjnego i zostawiały po sobie większą liczbę potomstwa. Inteligencja (indywidualna i społeczna), współpraca i wzajemna ochrona ogólnie zwiększały przeżywalność, doprowadzając do ekspansji geograficznej i demograficznej Homo sapiens, ale naturalna selekcja działała nadal. Ryzyko śmierci w danym przedziale czasu (np. jednego roku) podlegało ogromnym wahaniom ze względu na losowe zagrożenia, takie jak epidemie, wobec których przednaukowa medycyna była praktycznie bezradna (ale nasz układ odpornościowy – niekoniecznie).

Rewolucja cywilizacyjna i jej skutki

Równowaga ewolucyjna, która ustaliła się w dalekiej przeszłości, polegała do niedawna na tym, że kobieta teoretycznie w ciągu życia mogła wydać na świat kilkanaścioro dzieci (w tym często kilkoro, zanim osiągnęła wiek 25 lat), Około 60% z nich (z dużym rozrzutem statystycznym) dożywało wieku reprodukcyjnego. Pierwsze lata życia były krytyczne: śmiertelność była szczególnie wysoka wśród noworodków i najmłodszej grupy wiekowej dzieci. Dążenie do wysokiej dzietności równoważyło te straty, ale z drugiej strony powodowało nowe kłopoty, których rozwój cywilizacji nie usuwał. Mógł je nawet pogłębiać, bo warunki życia w przeludnionych wielkich miastach oznaczały dla większości ludzi biedę, głód, brak higieny i łatwe szerzenie się chorób zakaźnych. Radykalne zmiany (które bynajmniej nie objęły od razu całego świata) nastąpiły dopiero w ciągu XIX i XX w. W wysoko rozwiniętych społeczeństwach industrialnych śmiertelność dzieci do piątego roku życia nie przekracza dziś 1%, a niemal 100% pięciolatków dożywa wieku 15 lat. Oczekiwana długość życia nowo urodzonych przedstawicieli Homo sapiens, która przez prawie całą historię naszego gatunku oscylowała w okolicy 30 lat, obecnie wynosi ponad 70 lat (średnia globalna), mimo że maksymalny wiek osiągany w indywidualnych przypadkach nie uległ zmianie.

Nie jest to wynik ewolucji biologicznej, tylko zmiany warunków życia i postępów medycyny, a zwłaszcza redukcji śmiertelności dzieci i skutecznej walki z wieloma chorobami ludzi dorosłych, których skutki dawniej kumulowały się, podkopując zdrowie jednostek i prowadząc do przedwczesnej śmierci. Podobnie np. średni wzrost pokoleń żyjących w czasach względnego dobrobytu w minimalnym stopniu zależy od czynników dziedzicznych i działania doboru naturalnego. Przede wszystkim działa tu środowisko: dobre odżywienie, zdrowy tryb życia i opieka medyczna. Poważną rolę odgrywają też zapewne mechanizmy epigenetyczne (wpływające na ekspresję genów, ale niezmieniające sekwencji DNA); jednak odziedziczalność efektów epigenetycznych jest ograniczona i zwykle nie rozciąga się na więcej niż kilka pokoleń. Żyjemy średnio dłużej, rośniemy wyżsi i dłużej cieszymy się zdrowiem nie dlatego, że ewoluujemy, tylko dlatego, że udaje nam się uciec przed różnymi formami doboru naturalnego.

Eksplozja, która wyczerpuje własne paliwo

Dostosowujemy też swoje przyzwyczajenia, tradycje i styl życia do zmieniającego się środowiska antropogenicznego i warunków społeczno-ekonomicznych. Dominujący model rodziny klasy średniej w społeczeństwach typu „zachodniego” to rodzice z mniej więcej dwojgiem dzieci. W przeszłości oznaczałoby to duże prawdopodobieństwo śmierci jednego lub obojga potomków we wczesnym dzieciństwie. Nawet w rodzinach, które żyły w bardziej komfortowych warunkach niż niemal cała reszta ludzkości, starano się o wiele dzieci, żeby choć niektóre z nich miały szansę na osiągnięcie dojrzałości. Sukces reprodukcyjny poszczególnych rodzin był skrajnie zróżnicowany i stwarzał pole dla działania doboru naturalnego. W naszych czasach ten rozrzut dzietności znacznie zmalał. Typowy rozmiar rodziny ustabilizował się z przyczyn kulturowych, niezależnie od czynników genetycznych.

Ryc. 2.

Poprawie warunków życia zwykle towarzyszy eksplozja demograficzna, która wygasa, kiedy społeczeństwo oswaja się z nową rzeczywistością. Mówiąc brutalnie, „rezerwa” dzieci zaczyna być odczuwana jako zbędna wobec ich nikłej śmiertelności, zwłaszcza gdy koszty wychowania dzieci rosną. Ludność typowych krajów Europy wzrosła co najmniej dziesięciokrotnie od średniowiecza, w tym około pięciokrotnie od początku XIX w.3 Jednak np. w Polsce współczynnik dzietności, który utrzymywał się powyżej 6 przez całą pierwszą połowę XIX w., zmniejszył się do ok. 3–4 w pierwszych latach po II wojnie światowej, a w latach dziewięćdziesiątych spadł poniżej 2 (obecnie wynosi ok. 1,25), czyli nie może zapewnić prostego zastępstwa pokoleń. W tym czasie liczba ludności Polski rosła, osiągnęła historyczny szczyt (38,67 mln) w 1998 r., po czym zaczęła maleć. W większości krajów Afryki podobne zmiany zaczęły zachodzić dopiero ok. 40 lat temu, ale schemat znany z Europy powtarza się i tam, tyle że z półtorawiekowym opóźnieniem.4 Ludność świata przekroczyła 8 mld (podwoiwszy się przez ostatnie 48 lat), niemniej jest oczywiste, że wzrost ten nie może trwać bez końca. Zwróćmy jeszcze raz uwagę na paradoks: eksplozji demograficznej towarzyszy dzietność malejąca, nie rosnąca. O dziwo, ten prosty fakt zaskakuje polityków, być może dlatego, że nigdy się nad nim nie zastanawiali.

W kolejnej części cyklu przyjrzymy się kilku przykładom działania doboru naturalnego na człowieka w stosunkowo niedawnych czasach i zastanowimy się, jakie czynniki nadal mają znaczący wpływ na nasze przeżycie i sukces reprodukcyjny.

Przypisy

  1. Richard Dawkins jest kojarzony z genocentryzmem (poglądem, że to gen jest podstawową jednostką doboru naturalnego, co sprowadza organizm do roli „nośnika replikatorów”) i adaptacjonizmem w formie dogmatycznej (podkreślaniem wyjątkowej roli doboru naturalnego i kształtowanych przezeń przystosowań przy pomniejszaniu znaczenia innych mechanizmów ewolucji). Dla porządku zaznaczę tylko, że oba poglądy są kontrowersyjne ze względu na swoją skrajność i nie należy ich utożsamiać ze współczesną teorią ewolucji, obejmującą wiele innych nurtów. ↩︎
  2. Jednocześnie jednak mamy predyspozycje do wysoce zorganizowanej agresji, między innymi przeciwko tym przedstawicielom własnego gatunku, których uznajemy za „obcych”. ↩︎
  3. Ze sporym marginesem zróżnicowania i szczególnymi wyjątkami. Na przykład Irlandia po szybkim wzroście demograficznym na początku XIX w. straciła tak wiele ludności w następstwie Wielkiego Głodu (1845–1852), że jej populacja jest nadal znacznie mniejsza niż w roku 1844. ↩︎
  4. Na przykład ludność Nigerii podwoiła się przez ostatnie 30 lat i przekracza obecnie 200 milionów. W tym samym czasie dzietność spadła z ok. 6,3 do 5 i obecnie maleje systematycznie o ok. 1,3% rocznie. ↩︎

Lektura dodatkowa

  • Mechanizmy gwałtownego wzrostu demograficznego: Roser 2019.
  • Śmiertelność niemowląt i dzieci do 5. roku życia: WHO.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Opisano dotąd ok. 400 tys. gatunków chrząszczy (Coleoptera), co czyni z nich największy dobrze poznany (choć niekoniecznie rzeczywiście największy) rząd zwierząt. Chrząszcze wyewoluowały ok. 300 mln lat temu, ale ich dzisiejsza różnorodność jest wynikiem wielkich radiacji przystosowawczych, z których jedna zaczęła się w jurze (200 mln lat temu), a druga – szczególnie wielka – po globalnej katastrofie 66 mln lat temu. Chrząszcze zajęły ogromną liczbę nisz ekologicznych, a dobór naturalny wyposażył je w przystosowania dostrojone do każdej z nich. Fragment kolekcji Uniwersytetu Teksańskiego w Austin. Źródło: Wikimedia (domena publiczna).
Ryc. 2. Cukierkowo pogodna impresja sztucznej inteligencji (Microsoft Copilot/Bing) na zadany temat: ekspolozja demograficzna. Pojawia się jednak niepokojące pytanie: a gdzie się podziały dzieci?