Ostatnio przeglądając stare czasopisma naukowo – techniczne, znalazłem ciekawy opis ewolucji w działaniu, dotyczący sposobu w jaki rośliny bronią się przed roślinożercami. Konkretnie chodziło o pojawienie się kolców: „Rośliny danego gatunku były zawsze niszczone przez zwierzęta, wytwarzały więc niedużo nasion. Pewnego roku jedna z młodych roślinek wyrosła zmieniona – była, jak mówią biologowie – mutantem. Zmiana polegała na tym, że zamiast gładkiej kory cała roślina była pokryta kolcami. Oczywiście nie znalazł się nikt chętny na tak niemiły pokarm. Roślina ta wydała więcej nasion. Z roku na rok, potomstwo kolczastej rośliny miało większe szanse wyprodukowania nasion…1”.
Czytając taki opis trudno się nie oprzeć wrażeniu, że ewolucja jest w jakiś sposób celowa – do tego stopnia, że można ją uznać za szczególny przypadek kreacjonizmu. Scenariusz ewolucji jawi się tu jako ciąg poważnych przełomów wynikających w jednostkowych mutacji. Do tego z mutacji o charakterze bardzo znaczącym. Od w jednym pokoleniu łodyga jest gładka, a w następnym mamy kolce. Dlaczego więc, obserwując powstawanie kolejnych pokoleń na przykład pomidorów, nie trafiamy na takie które mają oczy, albo którym wyrosły skrzydła, lub chociaż nogi. Nasze codzienne obserwacje wyraźnie przeczą tak rozumianej ewolucji. Dlatego postaram się pokazać obraz ewolucji z nieco innej strony podbierając się trochę – matematyką.
Bo zmiany skokowe są możliwe, ale to nie one są główna siłą ewolucji. Poleganie na mutacjach jednostkowych jest ryzykowne. Pojedynczy osobnik może być co prawda lepiej przystosowany, ale i tak może nie mieć szczęścia. Poza tym liczba możliwych mutacji negatywnych jest znacząco większa, bo pamiętajmy że kodowany jest nie tylko kształt – ale przede wszystkim struktury białek, a tu większość pomyłek jest tragiczna w skutkach.
Ewolucja postępuje jako drobne modyfikacje które zwiększają szansę przetrwania, ale modyfikacje występujące powszechnie. Bo większość mutacji nie ma specjalnego znaczenia prowadząc jedynie do różnorodności genetycznej. Gdyby powstała proponowana w cytowanym artykule roślinka, to ze względu na krzyżowanie, jej geny mogłyby się rozprzestrzenić po populacji, i współdziałając z innymi genami wytworzyłaby wiele różnych form zgrubień na powierzchni łodyg. Dopiero pojawienie się roślinożercy który miałby wybór, mogłoby zaburzyć równowagę genową w populacji danej roślinki.
Co ważne, ani zmiany powierzchni łodygi nie muszą być znaczne, ani roślinożerca nie musi być specjalnie wybredny, Wystarczy, że chętniej skubnie te rośliny które nie są tak niewygodne w przeżuwaniu, bez względy na to czy niewygodę powodują kolce czy większa zawartość garbników czy też śluz lub sok. Wystarczy drobna nierównowaga – powiedzmy – 1%.
Jedne procent wydaje się nieistotnie mały. Bo jeśli prawdopodobieństwo zjedzenia roślinki gorzej przystosowanej – bo nie mającej mechanizmów obronnych (to znaczy mającej je w nieco mniejszym stopniu) będzie większe o 1%, to dokładnie o tyle powinna przesunąć się równowaga.
No nie całkiem, bo z osobników które przetrwały, każdy wyda potomstwo które zajmie istniejącą niszę. Ograniczmy się do cechy różnicującej występującej jedynie w dwóch równolicznych wariantach – A i B. A, jest lepiej przystosowane, i pozwala na przeżycie 1% więcej osobników. Niech nasza nisza pozwala na wyżywienie jednego miliona roślin. Są to oczywiście ogromne uproszczenia, ale pozwalają na zapoznanie się z działaniem procentów składanych.
W roku zerowym – w którym pojawia się różnicujący roślinożerca – populacja liczy 500.000 A i 500.000 B. Po roku, A jest o 1% więcej, stanowi więc 50,5% populacji, po dwóch latach… No właśnie ile? To obliczenia mogą się nieco skomplikować, bo proste dodawanie po pół procenta, doprowadziłoby do sytuacji gdy po 200 latach A stanowi już 150% populacji, a to chyba byłoby nie do końca możliwe.
Rozwój populacji rozpatrzymy to w dwóch krokach: w pierwszym, mamy do czynienia z regulacją związaną z działaniem czynnika zewnętrznego. W drugim – działa ograniczenie związane z wielkością niszy. Teraz takie kroki musimy wykonać odpowiednią liczbę razy. Najprościej jest użyć do tego arkusza kalkulacyjnego w którym raz wprowadzone formuły można skopiować wielokrotnie. Patrząc na kilka kroków – możemy zobaczyć, że w naszej populacji rzeczywiście osobniki A są coraz bardziej liczne, ale warto spojrzeć na to co się dzieje w powiedzmy – pierwszym tysiącu pokoleń:
Wygląda dziwnie. Nawet przy tak niewielkim różnicowaniu – tysiąc pokoleń wystarczy by z naszej populacji zupełnie zniknęły. W przypadku roślin – tysiąc pokoleń – to góra kilka tysięcy lat – a to niewielki czas z punktu widzenia ewolucji. Jeśli pobawimy się liczbami, zobaczymy, że nawet przy różnicy przeżywalności na poziomi 0,1% - po 1000 pokoleń osobniki A będą czterokrotnie liczniejsze niż B.
Rzeczywiste przypadki są znacznie bardziej złożone. Poszczególne geny są często odpowiedzialne za kilka cech, a mechanizm pozwalający na dezaktywację pewnych genów poprzez przykrycie ich genem dominującym pozostawia pewien margines populacji w którym zbędne geny są mimo wszystko przechowywane w populacji, bo jeśli tylko warunki się zmienią…
Dlaczego więc ewolucji nie obserwujemy na co dzień? Ależ obserwujemy, a nawet jesteśmy jedną z jej „sił środowiskowych”. Z taką ewolucją, w obserwowalnej skali jest – ewolucja wirusów i bakterii. Przykładem może być choćby wirus grypy, który z szybkich mutacji zbudował sobie nawet sposób na przetrwanie, bo mutuje na tyle szybko, że systemy immunologiczne muszą się uczyć walczyć z kolejnymi2 pokoleniami – w zasadzie od początku, bo ich po prostu nie rozpoznają3. Innym przykładem jest powstawanie bakterii odpornych na wszystkie znane antybiotyki – poprzez usuwanie z populacji szczepów mniej odpornych.