Używamy ciasteczek, dzięki którym strona działa poprawnie.
Koszyk ( 0 )
Suma 0,00 zł
0,00 zł
Nowe funkcje, stare struktury
dr Daniel Tyborowski
12 lutego 2021

 

Biolodzy ewolucyjni po cichu przyznają, że podstawowymi zjawiskami, które umożliwiają ewolucję w świecie pełnym zmieniających się warunków środowiskowych są adaptacje. W klasycznym ujęciu adaptacja to cecha danego organizmu, która przyczynia się do lepszego dostosowania.

Lubimy patrzeć na takie cechy jak na coś niezmiennego, stałego, coś, co powstało, aby zapewnić dostosowanie w określonym środowisku. I choć przeważnie tak jest, to taka definicja adaptacji nie uwzględnia czasu geologicznego, który dana cecha ma za sobą. Jak się okazuje, dana cecha (np. struktura anatomiczna), która w jednych warunkach środowiskowych pełni daną funkcję, w całkowicie innych warunkach może okazać się przydatna do czegoś zupełnie innego. Takie cechy nazywamy darwinowskimi preadaptacjami lub darwinowskimi egzaptacjami. W zapisie kopalnym egzaptacje są powszechne i często powiązane z przełomowymi wydarzeniami w historii biosfery.

Mineralne szkielety

Jednym z najważniejszych wydarzeń w dziejach życia na Ziemi była tak zwana kambryjska eksplozja życia. Miała ona miejsce na początku okresu kambryjskiego (542 miliony lat temu) i jednocześnie u zarania ery paleozoicznej, pierwszej ery eonu fanerozoicznego (czyli tego, w którym ciągle żyjemy). Nawiasem mówiąc, nazwa „eon fanerozoiczny” jest ściśle powiązana ze zjawiskiem eksplozji kambryjskiej. Słowo „fanerozoik” oznacza „jawne życie”, ponieważ to właśnie w tym eonie (od 542 milionów lat temu do dziś) występują organizmy posiadające twarde, zmineralizowane szkielety. Dla paleontologa ma to kluczowe znaczenie. Szkielet mineralny ma o wiele większe szanse na zachowanie się w postaci skamieniałości niż szczątki miękkociałych organizmów, które takiego szkieletu nie posiadały. Ów szkielet ma, jak to się fachowo mówi, „wysoki potencjał fosylizacyjny”.

To właśnie w trakcie eksplozji życia w kambrze powstały pierwsze zmineralizowane szkielety: muszle, pancerze, kolce, skleryty itp. Szkielet mógł być zbudowany z różnego rodzaju substancji, np. węglanu wapnia, fosforanu wapnia lub krzemionki (dwutlenku krzemu). Badacze uważają, że pierwotnie szkielety mogły pełnić zupełnie inne funkcje niż te, z którymi kojarzymy je obecnie. W dzisiejszej biosferze egzoszkielet pełni głównie funkcje obronne. Zwierzę chce, aby drapieżniki miały utrudniony dostęp do jego miękkich tkanek, które kryją się we wnętrzu szkieletu. Kojarzymy liczne przykłady małżów, ślimaków, ramienionogów czy głowonogów, które wykorzystują swój zewnętrzny szkielet właśnie w taki sposób. Wiele jednak wskazuje, że u zarania kambru, kiedy znane nam z dzisiejszych ekosystemów relacje pokarmowe dopiero się formowały, szkielety pełniły funkcję detoksykacyjną. Jony wapnia były usuwane z tkanek miękkich, tworząc twardy egzoszkielet. Z czasem, kiedy w kambryjskich morzach pojawiły się drapieżniki, szkielety mogły zmienić swą funkcję na obronną. Zadziało się to niejako przypadkiem. Funkcja obronna została zastosowana „niechcący”. Głównie szkielet miał odtruwać organizm z nadmiaru jonów, jednak przy okazji okazało się, że doskonale nadaje się również jako twarda tarcza, której nie są w stanie przebić nawet najgroźniejsi drapieżcy.

Wyjście życia na ląd

150 milionów lat później doszło do kolejnego istotnego wydarzenia ewolucyjnego, z którym powiązane były spektakularne egzaptacje. Mowa tu o wyjściu pierwszych kręgowców na ląd. Ta niewątpliwie ważna transformacja ewolucyjna miała miejsce w dewonie (między 390 a 360 milionów lat temu) i wiązała się z wieloma modyfikacjami zarówno w budowie szkieletu (zdolności lokomotoryczne, ochrona trzewi), fizjologii (oddychanie powietrzem atmosferycznym, rozmnażanie, odżywianie, wydalanie), jak i w przemianach narządów zmysłów (wzrok, słuch, powonienie). Pierwsze prawdziwe czworonogi (Tetrapoda) pojawiły się na terenie prakontynentu Laurosji, który był w tamtym czasie zlepkiem dzisiejszej Europy i Ameryki Północnej.

Przykładem ciekawej egzaptacji, która miała miejsce w tamtym czasie, może być zmiana funkcji kości gnykowo-żuchwowej (hyomandibulare). U rybich przodków kość ta wspiera szczękę, u zaawansowanych ewolucyjnie tetrapodomorfów (form przejściowych między środowiskiem wodnym a lądowym) i u najpierwotniejszych czworonogów jest ona elementem architektonicznym tylnej części czaszki, a u zaawansowanych kręgowców lądowych ulega przekształceniu w pierwszą z trzech kosteczek ucha środkowego – strzemiączko (stapes). W swojej ostatecznej postaci kosteczka ta pełni funkcję przenoszenia wibracji do ucha środkowego. Zatem mimo że pierwotnie kość gnykowo-żuchwowa pełniła funkcję wspierającą szczęki, to okazała się mieć dobre właściwości związane z przekazywaniem drgań, w efekcie czego została zaadaptowana do pełnienia nowej funkcji. Jest to doskonały przykład tego, że struktura, którą kojarzymy z wykonywaniem określonej funkcji, może w innych warunkach środowiskowych ulec ewolucyjnemu „przebranżowieniu”. Ta egzaptacja powstała najprawdopodobniej niezależnie w kilku liniach ewolucyjnych.

Na zmianie funkcji kości gnykowo-żuchwowej w czasie podboju lądów przez kręgowce ciekawe egzaptacje się nie kończą. Warto tutaj również wspomnieć o powstaniu palców i ich wczesnej ewolucji. Palce są czymś tak dla nas oczywistym, że przeważnie nie zastanawiamy się nad ich pochodzeniem i tym, że kiedyś mogły one służyć naszym odległym przodkom do czegoś zupełnie innego niż np. trzymanie przedmiotów, manipulowanie różnymi obiektami czy łapanie szybko uciekającej zdobyczy. Dostępne dane paleontologiczne jasno wskazują na to, że palce powstały jeszcze w środowisku wodnym u naszych rybich przodków. Dobrym tego przykładem jest (bez wątpienia ryba) Panderichthys – zaawansowany tetrapodomorf, którego skamieniałe szczątki odnaleziono na terenie Łotwy. Było to zwierzę nieposiadające szyi (jak na porządną rybę przystało), którego płetwy piersiowe posiadały wyraźny szkielet przynajmniej pięciu palców. Niektórzy badacze doszukują się u panderichtisa nawet sześciu lub siedmiu palców. Taka polidaktylia (zwielokrotnienie liczby palców) nie jest zresztą czymś niezwykłym nawet wśród właściwych czworonogów. Jednak Panderichthys był rybą i żył w środowisku wodnym. Pierwotne palce służyły mu i jemu podobnym do odpychania się od elementów stałych na dnie oraz do przytrzymywania się dna. Mimo że w trakcie przemiany ryby-czworonogi pojawiały się preadaptacje do życia na lądzie niezależnie w kilku liniach rozwojowych w obrębie tetrapodomorfów, to same czworonogi uznaje się za grupę monofiletyczną, czyli taką, której wszyscy członkowie wywodzą się od jednego przodka.

Pióra nie tylko do latania

Najpopularniejszym przykładem preadaptacji/egzaptacji w zapisie geologicznym jest zmiana funkcji upierzenia, która dokonała się w erze mezozoicznej (najprawdopodobniej gdzieś między 200 a 150 milionów lat temu – w okresie jurajskim). Miało to miejsce na linii ewolucyjnej między nieptasimi dinozaurami a prawdziwymi ptakami. Szokiem może być dla niektórych fakt, że wszystkie dziś żyjące ptaki są w rzeczywistości linią rozwojową w obrębie teropodów (dinozaurów, które dla uproszczenia można nazywać dinozaurami drapieżnymi). Wiemy na podstawie chińskich skamieniałości, że istniały takie teropody (nieptasie), których ciała pokryte były czymś w rodzaju puchu oraz prawdziwych piór. Doskonałym przykładem niech będzie Sinosauropteryx – zwierzątko wielkości szopa, które zresztą miało okrycie ciała przypominające wspomnianego ssaka. Warunki fosylizacyjne panujące w chińskim zbiorniku, w którym zostały złożone szczątki Sinosauropteryx, sprzyjały zachowaniu się miękkiej okrywy ciała. Dzięki temu udało się zrekonstruować upierzenie tego niewielkiego dinozaura. Miał on pręgowany ogon niczym wspomniany szop pracz. Całe ciało było zaś pokryte piórami szczeciniastymi. Ten typ piór charakteryzuje się brakiem chorągiewek i pełni funkcję narządu czuciowego.

Inne dinozaury znalezione na chińskich stanowiskach były już wyposażone w pióra bardzo przypominające najzwyklejsze pióra dzisiejszych ptaków. Przypominający z wyglądu nieco indyka lub kuropatwę Caudipteryx miał pióra puchowe. Są to pióra bez stosiny lub z bardzo krótką stosiną, puszyste i bardzo miękkie. Pióra puchowe charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi. Posiadające zdolność aktywnego lotu Microraptor oraz słynny Archaeopteryx znaleziony w górnojurajskich wapieniach litograficznych Solnhofen w Bawarii, miały już wszystkie rodzaje piór potrzebne do lotu. Były to lotki pierwszego i drugiego rzędu, które znajdowały się wzdłuż skrzydeł. Pióra te wyrastały nawet z tylnych kończyn! Były to zatem zwierzęta czworoskrzydłe, przypominające hipotetycznego „tetrapteryksa” – model wczesnej ewolucji ptaków, który postulowali niektórzy badacze zajmujący się początkami latania. Zatem widzimy tutaj ewolucję piór od funkcji czuciowej, przez termoizolacyjną, aż po funkcję związaną z lataniem. Przy czym należy pamiętać, że to nie jest tak, że ewolucja działa „celowo”, aby pióra służyły do latania. Gdybyśmy cofnęli się do wczesnej jury (190 milionów lat temu), zapomnieli o tym, jak wyglądają dzisiejsze ptaki i zobaczyli dinozaury okryte piórami szczeciniastymi lub puchowymi, to prawdopodobnie nie bylibyśmy w stanie odgadnąć tego, jakie funkcje pióra będą pełnić w przyszłości.

Eksperyment myślowy z sercem

Skoro znamy już ciekawsze przykłady egzaptacji z zapisu kopalnego, możemy teraz spróbować pobawić się podstawowymi właściwościami, które rządzą tymi ewolucyjnymi zjawiskami i odnieść je do dzisiejszej biosfery. Zapewne większość czytelników kojarzy serce z funkcją pompowania krwi. Z punktu widzenia życia człowieka jest to najważniejsza funkcja, którą ten organ pełni. Jednak podczas pompowania krwi, serce generuje także dźwięki i powoduje ruch płynu w worku osierdziowym. Możemy sobie zatem wyobrazić hipotetyczny scenariusz, według którego serce zostało „wybrane” jako organ ze względu na to, jak doskonały stanowi aparat rezonansowy i jak rewelacyjnie wyłapuje ono wibracje związane ze zbliżającym się trzęsieniem ziemi.

Wydaje się to być absurdalne, przecież wiemy, że serce nie służy do wyłapywania dźwięków. Jednak należy pamiętać, że patrzymy na dane funkcje z perspektywy naszego horyzontu czasowego. Musimy mieć na uwadze fakt, jakim jest czas ewolucji, który każda struktura ma za sobą. W ciągu milionów lat ewolucji w nieustannie zmieniającym się świecie dana struktura może z czasem zostać „zmuszona” do wspomnianego wyżej „przebranżowienia się”. Czasem kojarzymy jakiś organ z określoną funkcją, ale może być tak, że będzie miał on właściwości, które staną się podstawą do podjęcia przez niego nowej roli.

Świat poza fizyką

Od samego początku, kiedy to życie zaczęło rozwijać się na naszej planecie, rozpoczęła się niełatwa sztuka adaptacji – przystosowywania się do nierzadko trudnych warunków środowiska, w którym żyją organizmy. Okazuje się jednak, że wraz ze zmieniającymi się warunkami środowiska, dane adaptacje również podlegają zmianom. Często jedna struktura anatomiczna lub inna cecha żywego organizmu może zostać później wykorzystana w zupełnie innych okolicznościach. Adaptacje, w tym również preadaptacje/egzaptacje są zjawiskiem koniecznym. Gdyby nie taka swoista plastyczność funkcjonalna pewnych cech i struktur, to dane populacje, gatunki i całe linie ewolucyjne nigdy nie przetrwałyby do naszych czasów. To właśnie preadaptacjom zawdzięczamy istnienie szkieletu, kręgowców lądowych (w tym ludzi) czy piór ptaków. Jak dokładnie działają preadaptacje? Czy można wyprowadzić ogólne prawa rządzące tym ewolucyjnym zjawiskiem? I w końcu, czy można przewidzieć zmiany funkcji danych cech w przyszłości? Odpowiedzi na te pytania znajdują się w książce Świat poza fizyką.

Autor: dr Daniel Tyborowski

 

 

Komentarze
DODAJ komentarz
Oceń
W przypadku naruszenia regulaminu Twój wpis zostanie usunięty.
Najnowsze artykuły
12 lutego 2021
Wywiad z Venkim Ramakrishnanem cz. 2

 

"Także Nobel daje widoczność i pewną platformę komunikacyjną. To, jak się to wykorzysta – zależy już od danej osoby. Niektórzy nobliści wykorzystują to bardzo dobrze, budują środowisko, edukują społeczeństwo. Inni po prostu latają od miasta do miasta, zbierając wynagrodzenia za wykłady i spotkania. Do mnie ta druga forma korzystania z nagrody nigdy specjalnie nie przemawiała…"

 

12 lutego 2021
Wywiad z Venkim Ramakrishnanem cz. 1

 

"Jeśli w nauce jest jakiś unikalny cel, jedno rozwiązanie, które zawsze będzie tak samo fundamentalne – nieważne, kto na nie wpadnie i kto je rozwikła – zawsze w takiej sytuacji będzie konkurencja".

 

12 lutego 2021
Nowe funkcje, stare struktury

 

Biolodzy ewolucyjni po cichu przyznają, że podstawowymi zjawiskami, które umożliwiają ewolucję w świecie pełnym zmieniających się warunków środowiskowych są adaptacje. W klasycznym ujęciu adaptacja to cecha danego organizmu, która przyczynia się do lepszego dostosowania.

12 lutego 2021
Rybosom - początek życia, śmierć choroby?

 

W poszukiwaniu odpowiedzi, w jaki sposób chronić zdrowie i życie ludzi, naukowcy zawędrowali głęboko w gąszcz struktur komórkowych. Dzięki coraz to nowszym metodom mogą przyglądać się im dokładniej. Kiedyś to co jednolite i niezmienne, dziś okazuje się złożonym, dynamicznym i zróżnicowanym elementem. Strukturami komórkowymi, o których mowa, są rybosomy - niewielkie fabryki tłumaczące język genetyczny na cząsteczki białek w procesie zwanym translacją. Jak są zbudowane? Dlaczego są dobrym celem w terapiach? Z czym, dzięki coraz większej wiedzy na ich temat, możemy walczyć?