“…a darwini elmélet óta az ember helyéről is merőben megváltozott a véleményünk: nem vagyunk többé valamiféle előkelő különítmény az élővilágban, akinek bármi felett hatalma lehet.”
Vágási I. Csongor, Babeș-Bolyai Tudományegyetem, Magyar Biológiai és Ökológiai Intézet
Az evolúcióról való kötetlen beszélgetések közben én gyakorta azt tapasztalom, hogy az evolúció témája olyan, mint a foci, az időjárás vagy a politika témája: sok laikus olyan meggyőződéssel nyilatkozik, mintha a szakma művelője lenne. Ugyanezt érezhette Jacques Lucien Monod (1910–1976), orvosi Nobel-díjjal kitüntetett genetikus is, aki ennek kapcsán találóan megjegyezte:
„A curious aspect of the theory of evolution is that everybody thinks he understands it.”
[Az evolúciós elmélet furcsasága, hogy mindenki azt gondolja, érti.]
A laikusok téves állításai („az evolúció csak egy elmélet, amit még nem bizonyítottak”, „az ember a majomból származik”, „az emberi evolúció megállt”, „a természetes kiválasztódás egy véletlen folyamat”, „komplex tulajdonságok tervezéssel keletkezhetnek” stb.) az evolúciós elmélet félreértéséből vagy meg nem értéséből származik. Nem célom rendet tenni a félreértések között, ez nagy feladat lenne, és túlontúl bele kellene mélyülni az evolúciós elmélet részleteibe. Célom inkább olyan példák bemutatása, ami érthetővé teheti az evolúció működését. Ehhez felvezetésként röviden elmagyarázom, hogy mit állít az evolúciós elmélet, majd bemutatok néhány látványos tudományos példát természetes kiválasztódásról, amelyekben az evolúció viszonylag rövid idő alatt, több esetben a szemünk láttára ment végbe.
Mi az evolúció?
Evolúció akkor megy végbe, ha egy populáció genetikai összetétele időben megváltozik, azaz bizonyos génváltozatok és általuk meghatározott tulajdonságok gyakoribbá, míg az alternatív változatok ritkábbá válnak generációról generációra. Evolúció több mechanizmus révén is végbe mehet, ezek egyike a természetes kiválasztódás/szelekció. A természetes kiválasztódás általi evolúció az egyedüli olyan folyamat, amely környezethez való alkalmazkodást eredményez. Ennek a folyamatnak három, a legtöbb biológiai populációban pofon egyszerűen teljesülő felétele van: (1) legyen változatosság biológiai tulajdonságokban a populációban (pl. legyenek kicsik és nagyok, zöldek és barnák); (2) ez a változatosság mutatkozzon meg szaporodási és/vagy túlélési sikerben is (pl. kicsik vagy zöldek nagyobb sikerrel szaporodnak vagy élnek túl, mint a nagyok vagy barnák); (3) az adott biológiai tulajdonság (pl. testméret vagy testszínezet) legyen valamilyen mértékben örökölhető, vagyis az utódok jobban hasonlítsanak szüleikre (pl. méretben vagy színben), mint a populáció többi tagjára.
Lássuk ezt egy fiktív példán keresztül is. Gondoljunk egy mezőgazdasági területre, ahol a barna talajon él egy bogárfaj, melyet itt nevezzünk barna-zöld bogárkának. Ennek a bogárfajnak két színváltozata egyidőben előfordul ezen a területen, ugyanabban a populációban: egyesek barna színezetűek, míg mások zöldek. Tehát a változatosság (1. feltétel) adott. A két színváltozatot ugyanannak a génnek a két változata (allélja) okozza: ha bogarunk a b génváltozatot (allélt) hordozza, barna színezetű lesz, ha b alléllal nem rendelkezik, hanem z allélt hordoz, zöld színezetű lesz.
Egy természetismereti szakkörön azt a feladatot kapjuk, hogy gyűjtsünk be élve 10–10 példányt mindkét színváltozatból. Míg a zöldeket a barna talajon könnyen észrevesszük, mire 10-et gyűjtünk belőlük, a barnákból csak kettőt sikerült észlelni. Kis kedvenc bogarunknak – sajnálatára – vannak ártalmasabb ellenségeik is, például természetes ragadozóik, akik energiaszükségletüket ezzel a bogárral táplálkozva fedezik. Ők is sikeresebben támadnak a környezet színébe kevésbé beolvadó, kevésbé jó rejtő színezetű zöld változat egyedeire (lásd a lentebbi szemléltető rajzot). Ennek a ragadozásnak köszönhetően a zöld egyedek minden generációban kisebb sikerrel élnek túl addig, hogy utódokat tudjanak hátrahagyni, szemben barna fajtársaikkal, akik elég sikeres rejtőzködők ahhoz, hogy utódokat hozzanak létre.Tehát az eltérősiker (2. feltétel) szintén adott.A sikeresen túlélő és szaporodó barna szülők barna színezetű utódokat nemzenek. Vagyis a színezet örökölhetősége (3. feltétel) szintén adott. A barna egyedek nagyobb túlélési és szaporodási sikere együtt a színezet örökölhetőségével azt eredményezi, hogy a barna egyedek aránya, és vele együtt a barna szín meghatározásáért felelős b génváltozat aránya is generációról generációra gyakoribbá válik. Vagyis evolúció megy végbe a populációban, hiszen a ragadozó általi szelektív zsákmányolás okozta túlélési különbségek miatt időben megváltozott a populáció genetikai összetétele, a barna színt okozó b génváltozat javára billent. Elegendő idő / generáció elteltével a barna színezet egyeduralkodóvá válhat, a zöld színű egyedek és ezt a színt kódoló z génváltozat teljesen eltűnhet a populációból. Emiatt azt mondhatjuk, hogy ebben a környezetben (barna talaj ezzel a ragadozóval) a barna színezet egy olyan adaptáció (alkalmazkodás), ami a rejtőzési sikert és ezáltal a túlélési sikert növeli.
Most történetünket pörgessük vissza néhány generációval, menjünk vissza bogarunk múltjába, amikor még mindkét színváltozat jelen volt a populációban. Képzeljük el, hogy egy 6-sávos autópálya megépülése következtében a bogárkánk élőhelye kettészakad. Az autópálya mindkét oldalán lesznek barnák és zöldek egyaránt. Bogárkánk rossz repülési képességekkel bír, képtelen átrepülni az autópálya egyik oldaláról a másik oldalra. Az egyik oldalon természetvédők intézkedésének köszönhetően a mezőgazdasági területet restaurálják és visszaállítanak egy fajgazdag kaszálórétet. Emiatt ezen az oldalon a barna háttérszínezet zöldre vált. Ezen az oldalon a ragadozók a zöld bogarakat találják meg és zsákmányolják nehezebben a barnával szemben, így a zöldek válnak gyakorivá generációról generációra ennek a ragadozó által vezérelt természetes kiválasztódásnak köszönhetően (ugyanúgy, ahogy a másik oldalon szintén a természetes kiválasztódás miatt vált gyakorivá a barna színváltozat). Most tekerjünk előre filmünkben 1000 generációt. Egy orkán erejű szél támad és átröpít innen zöld bogarakat a másik oldalra, ahol a barnák a gyakoribbak. Noha újra találkoznak, időközben a két elkülönülő élőhelyfoltban ezek annyira különbözővé váltak, hogy képtelenek egymással kereszteződve életképes utódokat létrehozni. Barna csak barnával, zöld csak zölddel képes szaporodni. Ettől a pillanattól két különálló fajról beszélhetünk, amelyeket a biológusok elneveznek barna bogárkának és zöld bogárkának. Két olyan testvérfajról beszélünk, akik egy közös őstől származnak, a barna-zöld bogárkától, de a saját élőhelyeiken zajló evolúció következtében idővel elkülönültek egymástól. Így okozhat a természetes kiválasztódás fajképződést.
Charles R. Darwin 1859-ben A fajok eredete című könyvében publikálta a természetes kiválasztódás általi evolúciós elméletét. Ennek a darwini evolúciós elméletnek a két fő alappillérét mutatja be a fenti fiktív példában bemutatott két esemény. Egyik alappillér a természetes kiválasztódás általi evolúció: barna egyedek gyakoribbá válása a barna színezetű környezetben. A másik alappillér a fajképződés közös őstől való leszármazással: feldarabolódás miatt elkülönülő élőhelyfoltok egyikében gyakoribbá válik a zöld, másikban a barna színváltozat, akik később képtelenek egymással szaporodni.
Mindez tudományos fikció vagy tudományos valóság? – kérdezheti a kedves olvasó. A továbbiakban bemutatok néhány válogatott tudományos evidenciát a tengernyi közül, ami bizonyítja, mindez ténylegesen működik és tetten érhető valós fajok természetes populációiban. Kalandra fel!
Természetes kiválasztódás általi evolúció
Ennek a folyamatnak az időléptéke rendszerint hosszú, sokezer generációt átívelő, de nem ritka az sem, hogy látványosan gyorsan megy végbe. Ilyen gyors ütemű evolúcióra tudományos bizonyítékok az alábbi esetek.
#1 példa: színezet evolúciója a pettyes szürkearaszoló lepkénél 50 év alatt (Cook 2003)
Világos (bal) és sötét (jobb) színváltozatú pettyes szürkearaszoló. Forrás: Wikipédia
A pettyes szürkearaszoló lepkének két színváltozata ismert, egy világos és egy sötét típus (lásd képek). Nyírfaaraszoló néven is emlegetjük, hiszen ez a lepkefaj nyírfák kérgén tanyázik. Az Egyesült Királyságban fellelhető gyűjtési anyagokban a világos típus volt a gyakori a 18. században. A sötét típus a 19. század derekán jelenik meg először a gyűjtésekben, ekkor még nagyon ritka, majd a 19. század végére – mindössze 50 év, 50 lepkegeneráció leforgása alatt – 95 %-os gyakoriságot ér el olyan területeken, ahol magas a légszennyezés (pl. Manchester környékén). Ezeken a területeken a fellendülő ipari tevékenységgel sok korom került a levegőbe, ami sötétre festette a nyírfák kérgét. Az ipartól távoli nem szennyezett területen azonban a világos típus maradt a gyakori ugyanebben az időszakban. Kísérletek bizonyították, hogy a világos nyírfa-kérgen a lepkékre vadászó rovarevő madarak (ragadozó = szelekciós tényező) nehezebben veszik észre a világos típust, míg ipari területek közelében a sötét nyírfa-kérgen könnyebben észreveszik a világos típust. Ennek köszönhetően világos kéregfelületen a világos színezetű lepkék nagyobb valószínűséggel élnek túl és hoznak létre utódokat, akik szintén világos színezetűek, míg sötét kéregfelületen a sötét típus él túl nagyobb valószínűséggel és válik idővel gyakoribbá. A sötét típus felemelkedését majd követte a bukása: a 20. század végén érvénybe lépő környezetszennyezési szabályozások miatt a levegő minősége jelentősen javult a királyságban, amellyel párhuzamosan a sötét típus újra megritkult. Ezzel az intézkedéssel megfordult a természetes kiválasztódás iránya és ezzel újabb bizonyítékot kaptunk arra, hogy az egyazon populációban élő különböző változatok aránya megváltozik, hogyha ezek eltérő sikerrel élnek túl és/vagy szaporodnak. Ez a természetes kiválasztódás általi evolúció alaptétele.
#2 példa: egerek bundaszínének evolúciója a szemünk láttára (Barrett és munkatársai 2019)
Következzen egy kiemelkedő, friss kutatás, ami egyszerre ellenőrizte a természetes kiválasztódás általi evolúció minden feltételét és ezekre támogató eredményeket kapott. A vizsgálati területen volt világos és sötét színezetű talaj is, térben közel egymáshoz. A vizsgált egérfaj mindkét talajtípuson előfordul. Akárcsak a pettyesaraszoló lepkék esetében, a világos talajon élők bundája világos barna, míg a sötét talajon élőké sötétbarna. Mindkét talajtípuson elkerítettek 4–4 kísérleti területet, amelyek felül nyitottak voltak, eltávolítottak minden ott élő egeret, majd a környéken befogtak több száz egyazon fajhoz tartozó egeret mindkét talajtípusú élőhelyről (tehát világosokat és sötéteket egyaránt), vettek tőlük DNS mintát, lefényképezték őket és elengedték a kísérleti területen. A világos és sötét talajú kísérleti területeken egyaránt engedtek el világos és sötét bundájú egereket is. Baglyok tizedelik az egereket természetes élőhelyükön és ez így volt a kísérleti területeken is. A kutatók visszamentek három hónappal a kísérlet elkezdése után és kifogtak minden egeret, aki túlélt. Összevetve az elengedéskor kialakított világos/sötét bundájúak arányával, azt találták, ismétlem, csupán három hónap elteltével, hogy a világos talajú kísérleti területen megnövekedett a világos bundájú egerek aránya, míg a sötétek aránya emelkedett a sötét talajú területeken, ugyanis mindkét talajtípus esetén nagyobb valószínűséggel távolították el a baglyok a háttértől elütő színezetű egyedeket (világosokat a sötét talajon, sötéteket a világos talajon). Vagyis a természetes szelekció általi evolúciónak megfelelően a környezet színe függvényében eltérő sikerrel bír a két bundaszínezet típus, aminek köszönhetően a populáció összetétele megváltozik időben. A DNS minták alapján azt találták, hogy a populáció genetikai összetétele is megváltozott: a színezetért felelős Agouti gén olyan mutációi (változatai), amelyek világosabb bundaszínt okoznak gyakoribbá váltak a világos talajon élő kísérleti egérpopulációkban és ritkábbá a sötét talajon élő populációkban.
#3 példa: humán immunhiányt okozó vírus (HIV) gyógyszer rezisztenciája 2 hét alatt (Schuurman és munkatársai 1995)
HIV (vörös) szaporodása bimbózással egy T-limfocita (kék) felületén, 13000× nagyítás. Forrás: https://www.sciencephoto.com/media/916018/view/t-cell-infected-with-hiv-sem
A HIV egy sejten belüli kórokozó, amely a fertőzött személy bizonyos fehérvérsejt típusát (T-limfocitákat) pusztítja el és ezzel előidézi az ún. szerzett immunhiányos tünetegyüttest (AIDS). A fertőzés gyakran halálos kimenetelű. A HIV 17000 halálesetet okozott csupán az Amerikai Egyesült Államokban 2005-ben, globálisan a HIV-okozta halálesetek száma jelentősen magasabb. Érhető tehát, hogy a humán orvoslás egyik legfőbb igyekezete a HIV leküzdése, egy működő gyógyszeres kezelés kifejlesztése. Számos próbálkozás azonban kudarcba fulladt, ilyen pl. a 3TC vagy forgalomban lamivudine néven ismert gyógyszer esete is. Miért?
A HIV rendkívül magas szaporodási rátával bír, naponta egy billió (!) új vírus keletkezik, vagyis ennyi alkalommal készül másolat az örökítő anyagjáról. Bizonyos gyakorisággal előfordulnak másolási hibák, amelyek mutációkat eredményeznek. Ezen mutációk közül egyesek megváltoztatják a HIV szaporodásához fontos enzim összetételét. Amíg 3TC gyógyszerrel nem kezelték a pácienseket, a nem-mutáns és mutáns vírusok enzimje ugyanolyan jól működött, vagyis a HIV sikeresen szaporodott minden páciensben. A 3TC-vel való kezelés azonban a nem-mutáns vírusok enzimjét megzavarja, és ezzel ellehetetleníti a HIV szaporodását. Nagy öröm ez, hiszen pár nap alatt a 3TC kezelés jelentősen lecsökkentette a fertőzött páciensekben a vírusok számát. Azonban a mutáns vírusok a 3TC kezelés esetén is képesek vígan szaporodni. Hová vezet ez?
A fertőzött gazda gyógyszeres kezelése a HIV számára megváltozott környezetet jelent. A gyógyszer jelenlétében a mutáns vírusok képesek szaporodni, míg a nem-mutáns vírusok képtelenek. A két vírus típus eltérő szaporodási sikere oda vezet, hogy mindössze két hét (!) leforgása alatt természetes kiválasztódás általi evolúción megy át a HIV populáció, megváltozik időben az összetétele, gyakoribbá válnak a mutáns vírusok, ami egyet jelent azzal, hogy a 3TC gyógyszerrel szemben rezisztenssé válik. Nem meglepő az a felismerés miszerint az orvoslásban az evolúciós gondolkodás alkalmazása nagy áttörést jelentene. Ez a felismerés volt a nagyhírű Science tudományos szaklap 2005-ös évvégi kiáltványa (Nesse és munkatársai 2005).
#4. példa: a kólibaktérium evolúciója akcióban egy 1988-tól napjainkig tartó kísérletben (Pennisi 2013)
A kólibaktérium egy Gram-negatív baktérium, amely emberek tápcsatornájának baktérium flórájához tartozik, bizonyos törzsei ételmérgezést okozhatnak. Laborban könnyen tenyészthető cukros (glükózos) táptalajon, ami kísérletek egyik kedvelt alanyává tette. Ilyen kólirajongó (nem kólarajongó) Richard E. Lenski is, a Michigani Állami Egyetem professzora, aki 1988-ban egy merész, nem sok kilátással kecsegtető kísérletbe kezdett. Ekkor kólit oltott táptalajra 12 különböző üvegcsébe, hagyta mind a 12 populációt felszaporodni majd 24 órával később mindenik populáció 1%-átátoltotta újabb 12 üvegcsébe. Ebben a kísérletben 24 óra alatt 6,6 kóli generáció váltakozik. Ezt az átoltási műveletet azóta is töretlenül folytatják minden egyes nap kihagyás nélkül. Minden 75. napon (kb. 500 kóli generáció) mintát vesznek az aktuális üvegcsékből és a mintát fagyasztóban tárolják. A gigantikus kísérlet immár a 32. kísérleti évben jár, jelenleg (2020.02.20-án 20:20-kor) a 73807. generációnál tartanak (http://myxo.css.msu.edu/index.html). A Lenski-csoport kísérlete tehát egy nagyon tág evolúciós időtartamot fed le máris (és a kísérlet tovább tart), mialatt számos evolúciós változás végbemehetett. Emberi léptékre vetítve: ha 25–30 éves humán generációs idővel számolunk, hetvenezer generáció 1,75–2,1 millió év humán evolúciót jelent (az ember és a csimpánzok közös ősüktől mintegy 6–7 millió éve váltak szét). Ez idő alatt jelentek meg az embernél jelentős evolúciós változások, pl. olyan morfológiai módosulások a csípő és combcsont esetén, amelyek növelték a gyaloglási állóképességet (hosszabb táv) és gyaloglási sebességet, ezután hagyta el az ember Afrikát és honosodott meg Ázsiában, kezdett kézi szerszámokat készíteni, tüzet használni, és ezután kezdett a testmérethez viszonyított agyméret jelentősen megnagyobbodni, ami aztán egy sor változást hozott magával (pl. képesek vagyunk evolúciót tanulmányozni rigorózus tudományos és matematikai módszerekkel).
Richard Lenski a fagyasztott mintákkal (bal; forrás: személyes weboldala, Michigan State University), Lenski 12 kóli-üvegcséje (középső; forrás: Wikipédia) és egyik munkatársa a hegynyi Petri csészével (jobb; forrás: Michigan State University)
A különböző üvegcsékhez tartozó tenyészeti vonalak baktériumait táptalajra oltva egy közös Petri-csészében vizsgálható a kifejlődő kolóniák száma alapján, hogy az egyes tenyészeti vonalak baktériumai milyen sikeresen szaporodnak egymáshoz képest. A minták genetikai elemzése sok tízezer generációra visszamenőleg pedig feltárja, hogy 500-generációs lépésekben milyen mutációk jelentek meg, milyen gének esetén jelentek meg ezek és hogyan hatnak a mutációk a kóli biológiai tulajdonságaira. Olyan ez az időutazás a múltba, mintha egy őslényekkel foglalkozó geológus tökéletes kövület sorozatot találna évmilliókra visszamenőleg. A kísérletnek tehát óriási tudományos értéke és rengeteg szemünk előtt zajló evolúciót bizonyító eredménye van. Egyet ragadok ki ezek közül, talán a legérdekesebbet.
A Lenski-kísérlet egyik kiváló eredménye, hogy egy teljesen új és komplex biológiai tulajdonság evolúciós megjelenésének voltak a szemtanúi. Ez az evolúciós innováció előbb aggodalommal töltötte el Lenskit. 2003-ban a 12 populáció közül az egyik populáció üvegcséjében a táptalaj zavaros lett jelezve, hogy szokatlanul magas benne a baktériumok mennyisége. Hibára, kontaminációra, átoltáskor való felülfertőzésre gondoltak. Emiatt elővették a fagyasztóból az adott populáció legutolsó lefagyasztott generációját és újraindították az evolúció útján. Három hét után a populáció üvegcséje újra zavaros volt, noha ezúttal a kontaminációt teljes bizonyossággal kizárták. Az evolúciós történet megismételte önmagát. Amikor ezeket a kólikat eltérő táptalaj összetételű Petri-csészékre oltották, felfedezték, hogy a „zavaros” populációból származó kóliknál egy teljesen új táplálkozási stratégia jelent meg evolúciósan: képesek voltak a glükóz mellett a citrát hatékony bontására, fogyasztására is. (A citrát kisebb mennyiségben az eredeti tápoldatban is jelen van a kísérlet 1988-as kezdete óta.) Ezzel az új tulajdonsággal több tápanyaghoz fértek hozzá a tápoldatból és a populáció nagyobb méretűre tudott szaporodni, ettől vált zavarossá a tápoldat. Következő lépésként visszapörgették ennek az evolúciós történetnek a szalagját, kifagyasztottak számos előző generációhoz tartozó mintát, hogy megtudják mikor és milyen genetikai mutációk vezettek ehhez az evolúciós innovációhoz. Azt találták, hogy a citrát sikeres bontásához számos mutáció lépésenként való felhalmozódására volt szükség, amelyek külön-külön nem, de együtt lehetővé teszik ezt az új emésztési képességet. Egyik legelegánsabb bizonyítéka annak, hogy összetett biológiai tulajdonságok (mint pl. az emberi szem) apró evolúciós változások sorozataként jönnek létre. Őszintén mondom, bizsereg a hátam, amikor ezeket a sorokat írom, annyira zseniális Lenski kóli-kísérlete.
#5 példa: emberek a magasban: magashegyi alkalmazkodás 100 generáció alatt (Beall és munkatársai 2010; Yi és munkatársai 2010)
Az ember sem bújhat el a természetes szelekció elől. Számos vizsgálat bizonyítja, hogy a természetes szelekció általi evolúció emberi populációkban is zajlik jelenleg is. Magas hegyekben a tenger szintjéhez képest sokkal alacsonyabb a légköri oxigénmennyiség, pl. 5000–5500 méter magasságban a tengerszinten mért oxigénmennyiség 50%-a van jelen. Léteznek 5000 méter magasság feletti állandó emberi települések (https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_highest_towns_by_country). Tibetben vagy Bolíviában magas tengerszint feletti magasságokon élő populációkban olyan genetikai mutációk váltak idővel gyakorivá (az EPAS1 gén esetében), amelyek élettani hatása a szervek jobb oxigénellátása. Magashegyek alacsony légköri oxigénmennyisége mellett ez érthető előnyt jelent úgy a felnőttek (magashegyi betegség hiánya), mint a terhes anyák számára (az újszülöttek elhalálozási aránya sokkal alacsonyabb). A tibeti populációk genomját összehasonlítva az alföldi han kínai rokonaikéval megállapítható, hogy a tibeti populációk leválása hozzávetőlegesen 3000 évvel ezelőtt történt. Vagyis alig több mint 100 generáció alatt a természetes szelekció működése révén gyakorivá vált egy olyan génváltozat, aminek köszönhetően a tibeti magashegyi emberek vígan élnek egész évben ott, ahol a magashegyi alpinisták napokig akklimatizálódnak, mégis sokan megbetegednek, mások pótlólagos oxigénnel tudnak csak mászni, és semmiképp nem bírnak hosszú hónapokon át a magas hegyen tartózkodni.
Összegzés: A természetes kiválasztódás általi evolúció magyarázatot ad az egyes populációk és fajok külső és belső tulajdonságaira. Ennek a folyamatnak az eredménye tehát, hogy populációk és fajok biológiai tulajdonságai nagymértékben illeszkednek azokhoz a környezeti tényezőkhöz, amelyek meghatározóak az életükben.
Fajok keletkezése közös őstől való leszármazással
Ennek a folyamatnak az időléptéke rendszerint nagyon hosszú, hosszabb mint a természetes kiválasztódás általi evolúció, de néha látványosan gyorsan keletkezhetnek új fajok. Néhány tankönyvpéldát itt is bemutatok.
#6. példa: fajképződés előszobája a Lenski-féle kóli-kísérletben
Fentebb bemutattam a Lenski-féle kóli-kísérlet lényegét (lásd #4. példa). Szó volt egy új táplálkozási módozat evolúciós kialakulásáról, az egyik populációban genetikai mutációk felhalmozódásával létrejött egy citrát fogyasztására képes kóli populáció. Fajok szétválásának egyik bevált indikátora a szaporodási barrier, amikor két populáció egyedei képtelenek egymással életképes utódok létrehozására. Képtelenség keresztezni az ősi glükóz-bontó kólikat az újdonsült citrát-bontó kólikkal, hiszen a kóli ivartalanul szaporodik. Ellenben Lenski csapata egy trükkel ezt kijátszotta: összekeverték a glükóz- és citrát-bontó kólik genomját. Majd ezeket a hibrideket együtt növesztették egyazon Petri-csészében a „szülőkkel” (glükóz- és citrát-bontókkal) és azt tapasztalták, hogy a hibridek kisebb sikerrel szaporodnak, mint a tiszta leszármazottak, ami a fajok szétválásának és keletkezésének előfeltétele (Pennisi 2013).
Továbbá ugyanebben a kísérletben az egyik populációban létrejött két eltérő kóli típus, egyik a Petri-csészében kis sejtekből álló apró kolóniákat, a másik típus pedig nagy sejtekből álló nagyméretű kolóniákat alkotott, és a méretbeli különbség örökölhető volt. A kis sejtméretű típus az evolúciós újítás, amely a 6000. generációban (kísérlet 3. éve) jelent meg, akkor mindössze a populáció 1%-át alkotta. Érdekesség, hogy megmaradt egymás mellett a két kóli típus, egyik nem szorította ki a másikat, hanem versengéssel ugyanazon forrásokért kialakult egy olyan miniatűr ökoszisztéma, ahol a két változat megfért egymás mellett. A nagyméretűek előnyben voltak, amikor a glükóz még rendelkezésre állt az üvegcsében, a kicsi sejtméretű kólik ellenben felülkerekedtek miután a korlátozott glükóz forrás kimerült az üvegcsében. Ezzel az együttéléssel a kis sejtméretű típus gyakorisága 10 és 85% között ingadozott a megjelenését követő 14000 generációban. Ez az ökológiai diverzifikáció ékes példája. Molekuláris elemzések alapján a két típus különálló fajnak tekinthető (Rozen és munkatársai 2000, 2005).
#7. példa: fajképződés a Darwin-pintyek körében 3 generáció alatt (Grant és Grant 2009)
A fentebbi baktérium fajképződés ugyanaz a folyamat, mint amelyik a Darwin által is vizsgált Darwin-pintyek esetében hajtotta a fajképződést a galápagosi szigetvilágban. Ismert, hogy a szigetvilágban élő 15 Darwin-pinty faj a tanagra félékhez tartozik és ősük egy valódi pintyfélék közé tartozó faj volt, amely a dél-amerikai kontinensről kolonizálta a szigetvilágot és ebből a közös ősi fajból keletkeztek a Darwin-pinty fajok. Ezek keletkezése és keletkezésük utáni együttélése, a baktériumokhoz hasonlóan ökológiai diverzifikációval volt lehetséges. Egyes fajok kisméretű magokat, mások nagyméretű magokat fogyasztanak vagy eszközt használnak vagy éppen fakopáncs módjára lyuggatják a fák kérgét. Ebben a kiváló evolúcióbiológiai rendszerben két kitűnő evolúcióbiológus, a Grant házaspár, nemrég dokumentálta, ahogy a mindössze három generáció alatt létrejött egy különálló Darwin-pinty faj a szemük láttára.
#8. példa: ember és főemlős rokonaink (Patterson és munkatársai 2006)
Génbankból letöltött DNS-szekvenciák alapján hamar fel tudjuk rajzolni az ember és közeli főemlős rokonainak törzsfáját, ami megmutatja, hogy az egyes fajok egymással milyen rokonságban állnak és az egyes fajok mikor váltak szét egymástól. A két csimpánz faj (közönséges csimpánz és bonobó) egymás közeli rokonai, akik közös ősüktől mintegy egymillió éve váltak szét, míg az ember fajok és a csimpánz fajok közös ősüktől való szétválása 4–6 millió éve történt. Innen is látszik, hogy „az ember a majomból származik” állítás a darwini elmélet félreértéséből fakad. Az ember–csimpánz csoport és a gorilla fajok közös ősüktől mintegy 6–8 millió éve ágaztak le, míg az ember–csimpánz–gorilla csoport és az orángután fajok hozzávetőlegesen 12–16 millió éve váltak szét. Ez az evolúciós történet azon túl, hogy ábrázolja főemlős fajok keletkezésének időpontját, azt is megmutatja, hogy a csimpánzok közelebbi rokonaik az embernek, mint a gorilláknak, ugyanis az emberrel közös ősük a jelenhez közelebb élt (4–6 millió éve), mint a gorillákkal közös ősük (6–8 millió éve).
Ember és főemlős rokonságának törzsfája, rajta fajok közös ősüktől való szétválásának időpontjai millió években (Myr). Fajok balról jobbra: orángután, gorilla, ember, bonobó, közönséges csimpánz. Forrás: Pääbo (2003).
Összegzés: Az evolúciós elmélet másik pillére, a fajok közös őstől való leszármazása, egyszerű tudományos magyarázatot ad fajok kialakulására és egymástól való különbözőségére, valamint a különbség mértékére. A fajok közös őstől való leszármazása miatt egyetlen szerteszét ágazó életfához tartozik minden élő és valaha élt faj. Ez utóbbi különösen fontos felismerés, mert a darwini elmélet óta az ember helyéről is merőben megváltozott a véleményünk: nem vagyunk többé valamiféle előkelő különítmény az élővilágban, akinek bármi felett hatalma lehet. Az ember is – a többi biológiai fajhoz hasonlóan – egy a sok millió faj közül azon az egyetlen terebélyes életfán.
A tudomány állás(pontj)a
A tudomány kétséget kizáróan elfogadja a darwini evolúciós elméletet. A rengeteg bizonyíték már annyira tagadhatatlan, hogy ma már egyes egyházi felekezetek képviselői is nyitnak és elfogadnak bizonyos alaptételeket az evolúciós elméletből. A természetes szelekció általi evolúció elmélete tehát mai napig érvényes és életerős. Természetszerűleg megalkotása óta eltelt 160 év alatt némileg megváltozott. Darwin még nem tudhatott a DNS-ről, ami nagy hátrányt jelentett számára (emlékezzünk az elmélet 3. feltételére, az örökölhetőségre). De a DNS felfedezése és az ezt követő molekuláris „forradalom” óta nemhogy megingott a darwini elmélet, hanem legszilárdabb bizonyítékai innen érkeztek (lásd fentebbi példák). Ezek az újkori eredmények tehát nagyban támogatják a darwini elméletet, és az általuk okozott változások csupán az elmélet finomításai. A darwini elmélet sarokkövei megmaradtak, és merem állítani, hogy maradni is fognak.
Az evolúciós elmélet jelentősen megváltoztatta megértésünket a minket körülvevő döbbenetes biológiai változatosságról. A tudományos gondolkodás ezen mérföldkövét ünnepeljük minden évben a Nemzetközi Darwin Nap keretében, amit február 12-én, Charles R. Darwin születésnapján szerveznek meg világszerte. A rendezvénybe a Babeș-Bolyai Tudományegyetem Magyar Biológiai és Ökológiai Intézete is bekapcsolódik, ahol evolúciós tematikájú előadások hangzanak el közérthetően, a széles közönség számára emészthető formában. Szeretettel várunk minden kedves érdeklődőt! Továbbá, intézetünket követhetik Facebook-on (https://www.facebook.com/BBTEBiolOkol/), ahol hírt adunk erről és efféle rendezvényeinkről, illetve számos érdekes tudományos hírről is.
Irodalomjegyzék
Barrett R. D. H. és munkatársai (2019). Linking a mutation to survival in wild mice. Science 363: 499–504. https://doi.org/10.1126/science.aav3824
Beall C. M. és munkatársai (2010). Natural selection on EPAS1 (HIF2a) associated with low hemoglobin concentration in Tibetan highlanders. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 107: 11459–11464. https://doi.org/10.1073/pnas.1002443107
Cook L. M.(2003). The rise and fall of the carbonaria form of the peppered moth. Quarterly Review of Biology 78: 399–417. https://doi.org/10.1086/378925
Grant P. R. és Grant B. R. (2009). The secondary contact phase of allopatric speciation in Darwin’s finches. Proceedings of the National Academy of Sciences USA106: 20141–20148. https://doi.org/10.1073/pnas.0911761106
Nesse R. M. és munkatársai (2005). Medicine needs evolution. Science 311: 1071. https://doi.org/10.1126/science.1125956
Patterson N. és munkatársai (2006). Genetic evidence for complex speciation of humans and chimpanzees. Nature 441: 1103–1108. https://doi.org/10.1038/nature04789
Pääbo S. (2003). The mosaic that is out genome. Nature 421: 409–412. https://doi.org/10.1038/nature01400
Pennisi E. (2013). The man who bottled evolution. Science 342: 790–793. https://doi.org/10.1126/science.342.6160.790
Rozen D. E. és munkatársai (2000). Long‐term experimental evolution in Escherichia coli. VIII. Dynamics of a balanced polymorphism. American Naturalist 155: 24–35. https://doi.org/10.1086/303299
Rozen D. E. és munkatársai (2005). Long‐term experimental evolution in Escherichia coli. XIII. Phylogenetic history of a balanced polymorphism. Journal of Molecular Evolution61: 171–180. https://doi.org/10.1007/s00239-004-0322-2
Schuurman R. és munkatársai (1995). Rapid changes in human immunodeficiency virus type 1 RNA load and appearance of drug-resistant virus populations in persons treated with lamivudine (3TC). Journal of Infectious Diseases171: 1411–1419. https://doi.org/10.1093/infdis/171.6.1411
Yi X. és munkatársai (2010). Sequencing of 50 human exomes reveals adaptation to high altitude. Science 329: 75–78. https://10.1126/science.1190371