Μια έκπληξη για την εξέλιξη στο γιγάντιο δέντρο της ζωής
Οι μελιτοφόροι, μικρά πουλιά που κατοικούν στα νησιά της Χαβάης, έχουν μια πλούσια ποικιλία σχημάτων ράμφους. Μερικά είδη έχουν μακριά, λεπτά ράμφη κατάλληλα για το μάδημα εντόμων από τα φύλλα. Άλλοι έχουν χοντρά ράμφη καλά για να σπάνε ανοιχτούς σκληρούς σπόρους. Σύμφωνα με την κλασική άποψη της εξέλιξης, η φυσική επιλογή οδήγησε την ανάπτυξη αυτών των διαφορετικών ειδών. Κάθε παραλλαγή προσαρμόστηκε για να ταιριάζει σε διαφορετική οικολογική θέση. Αλλά ο Μπλερ Χέτζες, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Temple στη Φιλαδέλφεια, έχει προτείνει μια προκλητική εναλλακτική:Η προσαρμογή δεν είχε καμία σχέση με αυτό. Ήταν απλώς θέμα τύχης και χρόνου.
Αυτή η αμφιλεγόμενη πρόταση προέρχεται από τις προσπάθειες των Hedges και των συνεργατών τους να χτίσουν το πιο ολοκληρωμένο δέντρο της ζωής στον κόσμο - ένα διάγραμμα που απεικονίζει τις συνδέσεις μεταξύ 50.000 ειδών του τεράστιου θηριοτροφείου της Γης. Η ανάλυσή τους υποδηλώνει ότι η ειδογένεση είναι ουσιαστικά τυχαία. Ανεξάρτητα από τη μορφή ζωής - φυτό ή ζώο, έντομο ή θηλαστικό - χρειάζονται περίπου 2 εκατομμύρια χρόνια για να σχηματιστεί ένα νέο είδος. Τα τυχαία γενετικά συμβάντα, όχι η φυσική επιλογή, παίζουν τον κύριο ρόλο στην ειδογένεση.
Οι εξελικτικοί βιολόγοι βρίσκουν την ερευνητική προσπάθεια ενδιαφέρουσα, ιδιαίτερα ως προς το μέγεθος και το εύρος της, αλλά είναι επίσης κάπως δύσπιστοι για τις προκλητικές ιδέες που έχουν προκύψει. «Είναι μια τεράστια περιοδεία», είπε ο Arne Mooers, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Simon Fraser στη Βρετανική Κολομβία. "Υπάρχουν πολλοί ενδιαφέροντες ισχυρισμοί - ο διάβολος θα είναι στις λεπτομέρειες."
Για την κατασκευή του δέντρου, ο Hedges, ο συνάδελφός του στο Ναό Sudhir Kumar και οι συνεργάτες τους συγκέντρωσαν δεδομένα από σχεδόν 2.300 δημοσιευμένες μελέτες, που προέκυψαν από την καθεμία τη στιγμή που δύο είδη αποκλίνονταν από έναν κοινό πρόγονο. Χρησιμοποίησαν αυτά τα δεδομένα για να κατασκευάσουν έναν χάρτη των σχέσεων μεταξύ διαφορετικών ειδών, γνωστό ως «χρονοδέντρο». Για να σχηματίσουν έναν κλάδο, οι ερευνητές ξεκίνησαν με τα δύο είδη σε μια στενά συγγενή ταξινομική ομάδα που έχουν τον πιο πρόσφατο κοινό πρόγονο. Στη συνέχεια πρόσθεσαν το επόμενο πιο κοντινό είδος, και ούτω καθεξής. (Σε ένα οικογενειακό δέντρο, αυτό είναι παρόμοιο με το να ξεκινάς με αδέρφια και μετά να προσθέτεις πρώτα ξαδέρφια και δεύτερα ξαδέρφια.) Το να συγκεντρώσεις όλα αυτά τα κλαδιά έχει ως αποτέλεσμα ένα ολοκληρωμένο χρονοδιάγραμμα ζωής.
«Είναι μια εκπληκτικά μεγάλη άσκηση που έχουν κάνει», είπε ο Μάικλ Μπέντον, παλαιοντολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στην Αγγλία. "Πολλοί άνθρωποι στον τομέα δεν θα μπορούσαν να το κάνουν αυτό."
Θα χρειαστεί λίγος χρόνος μέχρι οι επιστήμονες να ταξινομήσουν τις τεχνικές λεπτομέρειες της εργασίας, η οποία δημοσιεύτηκε τον Απρίλιο στο περιοδικό Molecular Biology and Evolution . Και ενώ ορισμένοι επιστήμονες ήταν συμπληρωματικοί, άλλοι αμφισβήτησαν αμέσως τα αποτελέσματα, αμφισβητώντας τόσο την ακρίβεια του δέντρου όσο και τα συμπεράσματα που έβγαλε ο Hedges. "Είμαι πολύ δύσπιστος σχετικά με το συμπέρασμα μοτίβων ειδογένεσης από μια τόσο ευρεία επισκόπηση του δέντρου της ζωής", δήλωσε ο Chris Jiggins, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Cambridge στην Αγγλία.
Είδος Αίνιγμα
Ένας λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες είναι δύσπιστοι είναι ότι το ρολόι του Hedges έρχεται σε σύγκρουση με την παραδοσιακή εικόνα του πώς εκτυλίσσεται η εξέλιξη. «Η κλασική άποψη της εξέλιξης είναι ότι συμβαίνει και ξεκινά», είπε ο Benton. Μια αλλαγή στο περιβάλλον, όπως η αύξηση της θερμοκρασίας μετά από μια εποχή παγετώνων, μπορεί να προκαλέσει μια έκρηξη ειδοειδών καθώς οι οργανισμοί προσαρμόζονται στο νέο τους περιβάλλον. Εναλλακτικά, μια μοναδική αξιοσημείωτη προσαρμογή, όπως η πτήση στους προγόνους των πτηνών ή τα μαλλιά σε θηλαστικά, μπορεί να προκαλέσει μια τεράστια επέκταση ζώων με αυτά τα χαρακτηριστικά.
Ο Hedges υποστηρίζει ότι ενώ τέτοιες εκρήξεις συμβαίνουν, η συντριπτική πλειοψηφία των ειδών είναι πιο πεζή και ομοιόμορφα χρονικά. Αρχικά, δύο πληθυσμοί χωρίζονται, χωρίζονται από τη γεωγραφία ή άλλους παράγοντες. Νέα είδη αναδύονται κάθε 2 εκατομμύρια χρόνια, κατά μέσο όρο, με μετρονομικό ρυθμό που εκμεταλλεύεται η τυχαία φύση των γενετικών μεταλλάξεων. Παρομοιάζει τη διαδικασία με ραδιενεργό διάσπαση. Είναι αδύνατο να προβλεφθεί πότε θα διασπαστεί ένας μεμονωμένος ραδιενεργός πυρήνας, αλλά μια συστάδα πολλών ατόμων θα διασπαστεί με έναν εξαιρετικά προβλέψιμο ρυθμό που είναι γνωστός ως χρόνος ημιζωής του υλικού. Ομοίως, οι μεταλλάξεις χτυπούν το γονιδίωμα τυχαία, αλλά για αρκετό καιρό η συσσώρευση μεταλλάξεων ακολουθεί ένα πρότυπο. "Υπάρχει ένα είδος ρολογιού ειδογένειας" είπε ο Hedges.
Emily Fuhrman για το περιοδικό Quanta
Σε αυτό το διαδραστικό infographic, τρεις γραμμές ανιχνεύουν πόσο συχνά οι οργανισμοί ειδοποιούνται με την πάροδο του χρόνου. Σε όλο τον φυσικό κόσμο - σε σπονδυλωτά, αρθρόποδα και φυτά - νέα είδη εμφανίζονται συχνότερα μετά από λίγο περισσότερα από 2 εκατομμύρια χρόνια. Αυτή η συνέπεια υποδηλώνει σε ορισμένους ερευνητές ότι οι τυχαίες γενετικές μεταλλάξεις και όχι η φυσική επιλογή οδηγούν την ανάπτυξη νέων ειδών.
Σκεφτείτε τους μελισσοκόμους της Χαβάης. Το ρολόι των ειδών ξεκίνησε μόλις τα πουλιά μετανάστευσαν σε ένα νέο νησί και άρχισαν να συσσωρεύουν τυχαίες μεταλλάξεις. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των μεταλλάξεων ήταν ουδέτερες, χωρίς καμία επίδραση στην εμφάνιση ή τη συμπεριφορά των πτηνών. Περιστασιακά εμφανιζόταν μια ευεργετική μετάλλαξη, όπως μια που έκανε το ράμφος μακρύτερο και τον φέροντα του έναν πιο αποτελεσματικό κυνηγό. Σύμφωνα με το παραδοσιακό μοντέλο της ειδογένεσης, οι προσαρμογές έκαναν τελικά τους δύο πληθυσμούς πολύ διαφορετικούς ώστε να διασταυρωθούν ακόμη και αν επρόκειτο να έρθουν ξανά σε επαφή. Σε αυτό το σενάριο, οι προσαρμογές οδηγούν στη δημιουργία ενός νέου είδους.
Αλλά ο Hedges υποστηρίζει ότι η ειδογένεση και η προσαρμογή είναι δύο ξεχωριστές διαδικασίες, που η καθεμία προχωρά στο δικό της μονοπάτι. (Μια ομάδα με επικεφαλής τον Mark Pagel, έναν εξελικτικό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Reading στην Αγγλία, έκανε παρόμοια πρόταση, αν και για διαφορετικούς λόγους.) Σύμφωνα με το μοντέλο του Hedges, μετά από περίπου 2 εκατομμύρια χρόνια οι δύο ομάδες πουλιών συγκέντρωσαν τόσα πολλά τυχαίες γενετικές διαφορές που έγιναν ασύμβατες. Δεν ήταν προσαρμοστικές μεταλλάξεις που κατέστησαν αδύνατη την ανάμειξη των πτηνών, αλλά μάλλον η συσσώρευση αρκετών μεταλλάξεων συνολικά, οι περισσότερες από αυτές ουδέτερες. Η γεωγραφική απομόνωση παρείχε την απαραίτητη σπίθα για την ειδογένεση, αλλά ο απλός χρόνος οδήγησε τη διαδικασία στο τέλος της.
Τα μπερδεμένα δέντρα
Ο σπόρος για το δέντρο του Hedges φύτρωσε πριν από 17 χρόνια, όταν αυτός και ο Kumar άρχισαν να συναρμολογούν μια βάση δεδομένων για την απόκλιση των ειδών - την εποχή που δύο είδη χωρίστηκαν από έναν κοινό πρόγονο. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο ικανή να συνθέσει τη συλλογή δεδομένων σε ένα μεγάλο δέντρο της ζωής.
Ο Hedges συγκάλεσε ένα μικρό συνέδριο για τη βιολογική ποικιλότητα στο Temple τον περασμένο μήνα, όπου αυτός και άλλοι παρουσίασαν τη δουλειά τους. Πολλοί από το κοινό ήταν πρόθυμοι να εφαρμόσουν τεχνικές που είχαν αναπτύξει ο Hedges και η ομάδα του, ιδιαίτερα μια αποτελεσματική μέθοδο για τον εντοπισμό ημερομηνιών στα δέντρα. "Έγινε τρεχούμενο αστείο ότι όλοι είχαμε αφιερώσει χρόνια στον υπολογιστή χτίζοντας τα δικά μας χρονολογημένα δέντρα, ενώ θα μπορούσαμε να το είχαμε κάνει ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα χρησιμοποιώντας την προσέγγισή τους", είπε ο Mooers.
Υπήρχε όμως ένα υπόγειο ρεύμα αμφιβολίας κάτω από τον ενθουσιασμό. Η κατασκευή φυλογενετικών δέντρων, πόσο μάλλον γιγάντων, είναι μια διαδικασία γεμάτη διαφωνίες. Ενώ οι επιστήμονες τα κατασκευάζουν εδώ και δύο δεκαετίες, μόνο τα τελευταία πέντε χρόνια μπόρεσαν να χτίσουν μεγάλα δέντρα με περισσότερα από χίλια είδη. Η δομή ενός δέντρου μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με τα δεδομένα που περιλαμβάνονται σε αυτό και τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη συναρμολόγησή του. Για να κατασκευάσει ένα ολοκληρωμένο δέντρο βασισμένο σε χιλιάδες μεμονωμένες μελέτες, η ομάδα του Hedges έπρεπε να βρει πώς να αντιμετωπίσει τα δέντρα που χτίστηκαν χρησιμοποιώντας πολύ διαφορετικές μεθόδους. "Οποιεσδήποτε μικρές προκαταλήψεις στις μελέτες που πραγματοποιούνται μπορεί να διεισδύσουν και να ενισχυθούν", είπε ο Mooers - ένα πρόβλημα για κάθε μελέτη που περιλαμβάνει χιλιάδες είδη.
Επιπλέον, πολλές από τις ημερομηνίες σε αυτά τα δέντρα είναι αβέβαιες ή αντικρουόμενες. Οι εκτιμήσεις για το πότε θα χωριστούν δύο είδη μπορεί να κυμαίνονται από 3 εκατομμύρια έως 8 εκατομμύρια χρόνια πριν, και οι επιστήμονες πρέπει να αποφασίσουν ποιο νούμερο θα χρησιμοποιήσουν. «Πρέπει να ληφθούν πολλές αντικειμενικές αποφάσεις», είπε ο Hedges. "Πρέπει να συμβιβάσετε τις διαφορές και με κάποιο τρόπο να τις συνδυάσετε σε μια ενιαία συναίνεση."
Το δέντρο του Hedges εξαιρεί επίσης ομάδες για τις οποίες δεν υπάρχουν διαθέσιμα γενετικά δεδομένα, μια κατηγορία που περιλαμβάνει πολλούς οργανισμούς που έχουν εξαφανιστεί. Οι Παλαιοβιολόγοι λένε ότι αυτή η επιλογή μπορεί να παραμορφώσει το αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, ο αποκλεισμός εξαφανισμένων ειδών από την ανάλυση μπορεί να κάνει να φαίνεται ότι ο αριθμός των ειδών αυξάνεται ακόμα κι όταν δεν αυξάνεται, είπε ο Τσαρλς Μάρσαλ, παλαιοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.
«Τα βαθιά μοτίβα θα απαιτήσουν πολλή τεχνική αξιολόγηση», είπε ο Mooers. «Μπορείς να διαφωνήσεις με το ήμισυ της εφημερίδας και να βρεις πολλά να συζητήσεις και να συμφωνήσεις». Ήδη, ορισμένοι ερευνητές αμφισβητούν τα βασικά αποτελέσματα. Πολλές από τις γεωλογικές ηλικίες των κόμβων δεν ταιριάζουν με αυτό που έχουν σταχυολογήσει οι επιστήμονες από το αρχείο απολιθωμάτων ή από μικρότερα δέντρα, είπε ο Μάρσαλ.
Επιπλέον, ορισμένοι επιστήμονες διαφωνούν με ένα από τα κύρια συμπεράσματα της ανάλυσης - ότι μια μεγάλη ποικιλία ειδών φαίνεται να εξελίσσεται σε μια χρονική κλίμακα περίπου 2 εκατομμυρίων ετών. Ακόμη και ο Hedges εξεπλάγη από το εύρημα, δεδομένων των τεράστιων διαφορών μεταξύ, ας πούμε, μιας σφήκας και μιας φάλαινας. Εκατό γενιές εντόμων μπορεί να περάσουν στη διάρκεια της ζωής ενός θηλαστικού, επομένως θα μπορούσε κανείς να περιμένει από το πρώτο να αναπτύξει νέα είδη πιο γρήγορα. Ο Hedges κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν το κάνουν. «Υπάρχουν τεράστιες βιολογικές και οικολογικές διαφορές σε αυτές τις ομάδες», είπε. "Και όμως ο χρόνος ειδοποίησης είναι πολύ παρόμοιος."
Αυτό το εύρημα έρχεται σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες, οι οποίες έδειξαν μεγάλες διαφορές στο πόσο γρήγορα αναπτύσσονται νέα είδη. «Η εργασία μας δείχνει ότι οι ρυθμοί ειδογένεσης είναι πράγματι σταθεροί μέσα σε ομάδες οργανισμών, όπως μέσα σε μέλισσες, γαϊδουράγκαθους ή σκύλους», είπε ο Pagel, «αλλά ότι τα ποσοστά ειδοποίησης μπορεί να διαφέρουν μεταξύ των ομάδων».
Ο Hedges υποστηρίζει ότι οι σταθεροί χρόνοι ειδοποίησης καθοδηγούνται από τον σχετικά σταθερό ρυθμό των γενετικών μεταλλάξεων στον φυσικό κόσμο. Αλλά είναι πιθανό τα σταθερά ποσοστά ειδοποίησης του Hedges να προκύπτουν από τον μέσο όρο διαφορετικών ρυθμών σε μια σειρά οργανισμών, είπε ο Benton. «Το να προτείνει κανείς ένα είδος κανονικού μοτίβου είναι πολύ δύσκολο για τους ανθρώπους», είπε. "Βλέπω από πού το παίρνουν, αλλά νομίζω ότι υπάρχουν άλλες πιθανές εξηγήσεις."
Ενώ οι ερευνητές συζητούν τα ευρήματά τους, η ομάδα του Hedges εργάζεται ήδη σε ένα ακόμη μεγαλύτερο δέντρο - ένα με ίσως μισό εκατομμύριο από τα περίπου 1,5 εκατομμύρια γνωστά είδη. "Αυτό θα μας δώσει μια πιο ακριβή εικόνα της εξέλιξης της ζωής και του τρόπου με τον οποίο η βιοποικιλότητα θα αλλάξει στο μέλλον από τις ανθρώπινες δραστηριότητες", είπε ο Hedges.
