Di antara amfibia, Hydromantes salamander adalah juara dalam laju menembak lidah. Dalam waktu kurang dari lima milisaat, dia dapat menangkap serangga malang dalam penerbangan - kali ini merangkumi kerja otot, tulang rawan dan bahagian kerangka. Sekiranya anda membandingkan anatomi balistik ini dengan katak dan bunglon, yang terakhir adalah slop. David Wake, ahli biologi evolusi di University of California, Berkeley, mengatakan: “Saya telah menghabiskan sekitar 50 tahun untuk mengkaji evolusi bahasa salamander. Ini benar-benar menarik, kerana pada umumnya mereka tidak berbeza dalam kelajuan tinggi, namun demikian mereka dapat membuat gerakan terpantas dari yang tersedia untuk vertebrata yang diketahui oleh saya. Sepanjang perkembangan mereka, evolusi telah menemukan cara yang lebih efisien untuk memastikan perburuan berjaya dengan bahasa. Penyesuaian mereka yang nampaknya unikdikembangkan secara bebas dalam tiga spesies salamander yang tidak berkaitan. Ini adalah contoh evolusi konvergen, apabila individu yang berbeza secara bebas mengembangkan penyesuaian biologi yang serupa di bawah pengaruh faktor persekitaran yang sama. Salamanders adalah contoh kegemaran yang dikutip oleh Wake ketika diajukan pertanyaan lama mengenai biologi evolusi: Sekiranya anda memutar balik pita evolusi, adakah ia akan berulang? Rupanya inilah yang berlaku dalam hal salamander; dengan organisma lain ini mungkin tidak berlaku.jika anda mengundurkan pita evolusi, adakah ia akan berulang? Rupanya inilah yang berlaku dalam hal salamander; dengan organisma lain ini mungkin tidak berlaku.jika anda mengundurkan pita evolusi, adakah ia akan berulang? Rupanya inilah yang berlaku dalam hal salamander; dengan organisma lain ini mungkin tidak berlaku.
Soalan ini diketahui diajukan untuk pertama kalinya oleh ahli biologi evolusi yang baru saja meninggal dunia, Stephen Jay Gould pada tahun 1989 dalam Amazing Life: The Burgess Slates and the Nature of History, yang diterbitkan pada era ketika orang masih mendengarkan muzik di kaset audio. Buku ini menceritakan tentang fosil yang terdapat di serpihan Burgess, yang tersisa dari segudang haiwan pelik yang hidup di planet kita kira-kira 520 juta tahun yang lalu, semasa zaman Kambria. Hampir semua haiwan yang ada sekarang mempunyai nenek moyang yang tinggal di Kambria, tetapi tidak semua haiwan dari zaman itu mempunyai keturunan pada zaman kita. Banyak individu Cambrian pupus kerana mereka tidak cukup sesuai dengan perjuangan untuk bertahan hidup, atau kerana mereka berada di tempat yang salah pada waktu yang salah ketika gunung berapi meletus, meteorit jatuh atau kejadian lain yang merosakkan berlaku.
Gould melihat pelbagai jenis peninggalan haiwan yang luar biasa di Burgess dan berspekulasi bahawa flora dan fauna kita akan kelihatan berbeza jika sejarah berubah menjadi sebaliknya. Dia menyarankan agar mutasi dan kepunahan spesies yang huru-hara, yang disebutnya "kecelakaan bersejarah," akan membangun satu demi satu, menggerakkan evolusi ke satu arah atau yang lain. Menurut Gould, keberadaan binatang apa pun, termasuk manusia, adalah fenomena yang jarang terjadi, pengulangannya, dalam hal "mundur dan dilancarkan" dari zaman Cambrian, tidak mungkin. Dalam bukunya, Gould sering merujuk pada karya fosil Burgess oleh ahli paleontologi Simon Conway Morris dari University of Cambridge, tetapi saintis itu sendiri sangat tidak setuju dengan pandangan Gould.
Conway Morris percaya bahawa dari masa ke masa, pemilihan semula jadi memaksa organisma menjalani serangkaian penyesuaian untuk memenuhi ceruk ekologi Bumi yang terhad. Ini membawa kepada fakta bahawa spesies yang tidak berkaitan secara konsisten bergabung dalam struktur badan. "Haiwan harus membina diri sesuai dengan keperluan fizikal, kimia dan biologi dunia ini," katanya. Conway yakin bahawa sekatan semacam itu menjadikannya hampir tidak dapat dielakkan bahawa dalam hal "memutar semula pita" evolusi cepat atau lambat akan membawa kepada kemunculan organisma yang serupa dengan yang ada di dunia kita. Sekiranya nenek moyang monyet kita tidak mengembangkan otak dan pikiran yang melekat padanya, menurut saintis itu, cabang lain seperti gagak atau lumba-lumba dapat menempati ceruk di mana manusia sekarang. Tetapi Gould tidak setuju.
Kedua-dua saintis menyedari bahawa rawak dan penumpuan (perkembangan bebas sehingga munculnya tanda-tanda serupa - kira-kira mengapa baru) berlaku dalam evolusi. Sebaliknya, perbincangan memfokuskan pada bagaimana penyesuaian kunci yang unik atau berulang seperti fikiran manusia. Sementara itu, ahli biologi lain telah menangani teka-teki itu dan telah menunjukkan bagaimana penumpuan dan rawak mempengaruhi satu sama lain. Memahami interaksi kekuatan-kekuatan ini dapat membantu kita mengetahui sama ada segala yang hidup adalah hasil daripada kebetulan 7 bilion tahun, atau adakah kita semua - manusia dan salamander - adalah sebahagian dari perkara yang tidak dapat dielakkan, seperti kematian atau cukai.
Alih-alih berusaha mencipta sejarah dengan fosil, Richard Lenski, ahli biologi evolusi di University of Michigan, memutuskan untuk memerhatikan fenomena penumpuan dan kebetulan dalam masa nyata dalam persekitaran terkawal di makmalnya. Pada tahun 1988, dia membahagikan populasi bakteria Escherichia coli dan menempatkannya di 12 takungan media kultur cair yang berasingan, sehingga memungkinkan mereka tumbuh secara bebas antara satu sama lain. Selama 26 tahun sekarang, setiap beberapa bulan, dia atau salah seorang pelajarnya telah membekukan satu kumpulan bakteria. Kit kuman beku ini memberi Richard kemampuan untuk "memulakan semula filem" kitaran hidup E. coli dari bila-bila masa yang dia mahukan dengan hanya mencairkan satu bahagian. Selama keseluruhan proses, dia dapat memeriksa,bagaimana bakteria berubah - baik dari segi genetik dan dari segi apa yang hanya dapat dilihat di bawah mikroskop. Lenski menjelaskan: "Keseluruhan eksperimen disiapkan untuk menguji seberapa evolusi berulang."
Di 11 takungan Lenski, E. coli bertambah besar, tetapi bakteria dalam sampel kedua belas berpecah menjadi dua cabang bebas - satu dengan sel besar, satu lagi dengan sel kecil. Lenski mengatakan: Kami memanggil mereka 'besar' dan 'kecil'. Mereka sudah wujud selama 50 ribu generasi”. Ini tidak berlaku di mana-mana penduduk lain; oleh itu, kita dapat menyimpulkan bahawa peristiwa acak evolusi berlaku. Dan bahkan 26 tahun kemudian, tidak ada percubaan lain yang mengulangi penampilan cabang seperti itu. Oleh itu, dalam situasi ini, peluang nampaknya berlaku berbanding dengan penumpuan.
Pada tahun 2003, terdapat satu lagi episod tidak sengaja. Bilangan batang di salah satu takungan telah meningkat sehingga media kultur, yang biasanya telus, menjadi keruh. Pada mulanya, Lenski memutuskan bahawa terdapat pencemaran alam sekitar yang normal, tetapi ternyata, E. coli, yang biasanya hanya memakan glukosa yang dilarutkan dalam cairan, mengembangkan kemampuan untuk mengkonsumsi unsur lain yang terkandung di dalam takungan: sitrat. Setelah 15 tahun dan 31,500 generasi, hanya satu koloni yang dapat memproses bahan ini. Jumlah bakteria di dalamnya mula tumbuh 5 kali lebih cepat daripada di koloni lain.
Video promosi:
"Kecelakaan bersejarah" ini memberi peluang kepada Richard dan siswazahnya Zachary Blount untuk menguji kemungkinan peristiwa seperti itu terjadi lagi jika mereka "memutar semula kaset." Blount dipilih dari simpanan 72 sampel batang beku yang dikumpulkan pada peringkat eksperimen yang berlainan dari populasi yang kemudian dapat memasukkan sitrat ke dalam metabolisme. Dia mencairkannya dan merangsang pembiakan mereka. Tidak lama kemudian, 4 daripada 72 sampel mengembangkan keupayaan yang sama untuk mengonsumsi sitrat. Menariknya, mutasi ini hanya berlaku pada populasi yang dibekukan setelah kitaran generasi 30,500. Analisis genetik menunjukkan bahawa tidak lama sebelum ini, beberapa gen mengalami perubahan yang menyumbang kepada munculnya evolusi dengan metabolisme sitrat. Dengan kata lain, kemampuan untuk menyerap sitrat bergantung pada berlakunya mutasi lain yang mendahuluinya. Ia mencipta garpumengubah jalan yang mungkin diambil oleh generasi akan datang.
Dikenali sebagai Eksperimen Evolusi Jangka Panjang, projek E. coli ini telah melintasi 60,000 generasi, memberi Richard satu set data yang kukuh untuk membuat kesimpulan mengenai interaksi peluang dan penumpuan dalam evolusi. Perubahan halus dalam DNA bakteria, menjadikannya lebih besar atau lebih mampu berkembang biak dengan cepat, telah sering terjadi di pelbagai takungan. Pada masa yang sama, Lenski menyaksikan peristiwa rawak "mengejutkan" di mana sesuatu yang sama sekali berbeza dari yang lain berlaku di salah satu populasi. Tetapi seperti dalam fenomena penumpuan, transformasi seperti itu tidak sepenuhnya rawak.
"Tidak semuanya mungkin," apa sahaja prosesnya, Wake menjelaskan: "Organisme berkembang dalam konteks ciri yang diwarisi." Haiwan tidak dapat menyebarkan mutasi yang merosakkan atau mencegah pembiakan. Dalam hal salamander Hydromantes, nenek moyangnya harus mengatasi batasan yang ketara: untuk mendapatkan lidah penembakan mereka, perlu mengorbankan paru-paru mereka. Ini kerana sebahagian mekanisme ini dikembangkan dari otot yang digunakan oleh pendahulunya untuk mengepam udara ke dalam paru-paru. Hari ini, otot yang kecil dan lemah ini telah menjadi lebih besar dan kuat. Ia bergelung seperti mata air di sekitar tulang berbentuk kerucut di bahagian belakang rongga mulut, dan ketika otot berkontrak, tulang menimbulkan ketegangan, yang menembak lidah bersama dengan alat tulang dari mulut. Oleh itu, nenek moyang Hydromantes tidak hanya memperoleh mutasi,yang berkembang menjadi "bahasa balistik". Sebaliknya, penyesuaian ini mengikuti serangkaian perubahan yang pertama kali memungkinkan makhluk itu mengatasi ketergantungan paru-parunya pada oksigen dan melayang ke permukaan air. Setiap perubahan bergantung pada yang sebelumnya.
Bunglon, pada gilirannya, mengekalkan paru-paru mereka. Daripada bermain-main dengan anatomi mereka, mereka mengembangkan kolagen, membiarkan lidah menembak mangsa. Pada pandangan pertama, bahasa salamander dan bunglon adalah contoh penyatuan, tetapi jika anda melihat dengan teliti, menjadi jelas bahawa ini tidak begitu. Dibutuhkan bunglon 20 milisaat untuk menembak, yang merupakan kecepatan siput dibandingkan dengan lima milisaat salamander. Mengapa bunglon mendapat bahasa yang perlahan? Jawapan: Mereka menghadapi halangan di jalan evolusi konvergen. Lidah bunglon cukup cepat untuk mereka bertahan, tetapi mereka tidak mempunyai "struktur sifat yang diwarisi" untuk mengembangkan anatomi balistik yang lebih mematikan dari salamander. Bunglon telah mencapai "puncak adaptif," seperti kata ahli biologi.
Dalam eksperimen dengan virus yang menjangkiti bakteria - bakteriofag - ahli biologi Harvard David Liu juga menemui puncak adaptif. Puncak ini menghadkan keupayaan organisma untuk menyatu pada satu struktur yang optimum. Mereka menjelaskan mengapa kemalangan tidak kerap berlaku.
Liu ingin mengetahui apakah kumpulan bakteriofag yang serupa dapat secara bebas mengembangkan enzim yang sama jika tekanan evolusi yang sama diterapkan pada mereka. Dia mempercepat evolusi protein dalam virus menggunakan sistem yang disebutnya PACE.
Semasa eksperimen, virus yang gagal menghasilkan enzim yang diperlukan Liu dikeluarkan dari eksperimen. Hanya mereka yang berjaya mencapai gol yang tersisa. Sebilangan daripadanya ternyata enzim "lebih baik" daripada yang lain. Dalam kes ini, mereka memerlukan enzim polimerase, yang mengesan urutan DNA tertentu dan mengubahnya menjadi RNA, dan beberapa polimerase mengenali urutan dengan lebih tepat daripada yang lain. Seperti bahasa bunglon yang agak lambat, virus ini telah mengembangkan penyesuaian yang membolehkan mereka bertahan, tetapi menghalangnya daripada mendapatkan polimerase terbaik. Beberapa virus tersekat di puncak rendah, ada yang naik lebih tinggi.
Untuk memahami apa yang dimaksudkan oleh ahli biologi dengan puncak adaptif, bayangkan kawasan yang topografi mewakili tahap potensi pembiakan yang tinggi dan rendah. Dalam kes bakteriofag Liu, populasi yang berbeza mengkaji kawasan tersebut, memperoleh mutasi yang berbeza. Sebahagiannya berakhir di bukit kecil, ada di gunung seluas Everest. Oleh itu, mereka mula naik ke puncak yang mereka dapat. Setelah mendaki gunung rendah, virus tidak dapat berpindah ke yang lain, lebih tinggi. Untuk melakukan ini, pertama-tama mereka harus turun ke belakang, mengurangkan peluang mereka untuk bertahan dengan setiap langkah. Sangat sukar untuk melakukan ini, kerana seseorang tidak boleh melupakan kelangsungan hidup yang paling baik. Mutasi mana yang akan berlaku sebelum yang lain - puncak mana yang akan menuju ke badan - ini adalah kecelakaan sejarah, yang mana evolusi konvergen dapat diatasi hanya dengan susah payah,jika boleh sama sekali.
Masa penampilan mutasi penting. "Kejadian rawak awal yang membuat perbezaan kumpulan gen secara signifikan dapat mempengaruhi apakah mutasi bermanfaat akhirnya dapat mempengaruhi kelangsungan hidup organisma," jelas Liu. "Kemalangan ini mengurangkan pengulangan evolusi." Dalam eksperimen ini, rawak mengatasi penumpuan. Kejadian yang berlaku menghalang kejadian berulang.
Salah satu cara hidup dapat mengatasi batasan puncak adaptif telah ditemui semasa kajian organisma digital oleh ahli biologi komputer di Michigan State University Chris Adami dan Charles Ofria. Mereka membuat program komputer Avida, di mana organisma digital berkembang dalam keadaan yang ditetapkan oleh eksperimen. Avidian bermutasi, memperoleh dan kehilangan garis kod secara rawak yang membolehkan mereka menyelesaikan masalah matematik, yang meningkatkan kemampuan mereka untuk menghasilkan semula.
Dalam satu eksperimen, Avidians ditugaskan untuk memperoleh kemampuan untuk menyelesaikan masalah logik kompleks "identiti bitwise." Hanya 4 daripada 50 populasi digital yang mengembangkan kod yang diperlukan untuk menjalankan operasi. Semua populasi yang berjaya pada mulanya menerima banyak mutasi (garis kod rawak) yang menyulitkan penyelesaian masalah matematik dan, oleh itu, pembiakan. Paradoks seperti kedengarannya, Ofria mendapati bahawa mutasi buruk awal memainkan peranan penting dalam meningkatkan kecergasan pada generasi kemudian, mungkin kerana mereka mencipta kepelbagaian genetik dari mana mutasi rawak baru dapat timbul.
Adakah kelangkaan salah satu rentetan peristiwa mengesahkan bahawa perubahan besar dalam evolusi tidak mungkin berlaku lagi? Secara eksperimen, ini benar, tetapi Conway Morris dengan tegas mengatakan tidak. "Adalah bodoh untuk berfikir bahawa tidak ada kemalangan sama sekali. Satu-satunya soalan adalah masa. " Dia percaya bahawa dengan masa dan genom mutasi yang cukup, pemilihan semula jadi akan menjadikan kehidupan menjadi penyesuaian yang tidak dapat dielakkan, paling sesuai dengan ceruk ekologi organisma, tanpa mengira peluang yang timbul. Dia percaya bahawa suatu hari semua bakteria E.coli dalam eksperimen Lenski akan mula menyerap sitrat dan semua virus Liu akan memanjat Gunung Everest mereka. Lebih-lebih lagi, eksperimen ini dilakukan dalam lingkungan yang sangat sederhana dan terkawal, tidak seperti ekosistem kompleks yang disesuaikan dengan kehidupan di luar makmal. Sukar untuk mengatakan,pengaruh dunia nyata akan mengubah eksperimen.
Sehingga kini, kelemahan terbesar dalam semua percubaan untuk menjawab filem persoalan kehidupan adalah bahawa ahli biologi dapat membuat kesimpulan dari hanya satu biosfer - Bumi. Pertemuan dengan organisma luar angkasa akan memberitahu kita banyak. Walaupun organisma asing tidak mempunyai DNA, kemungkinan besar mereka akan menunjukkan corak evolusi yang serupa. Mereka memerlukan beberapa bahan untuk disampaikan kepada keturunan, membimbing pengembangan organisma dan berubah dari masa ke masa. Seperti yang dikatakan oleh Lenski, "Apa yang berlaku untuk E. coli berlaku untuk mikroba di seluruh alam semesta."
Oleh itu, interaksi yang sama antara penumpuan dan kebetulan dapat dilihat pada planet lain. Dan jika kehidupan di luar bumi mengalami tekanan evolusi dari lingkungan yang serupa dengan yang dialami oleh kehidupan duniawi, orang-orang masa depan mungkin akan menemukan makhluk asing yang telah mengembangkan kecerdasan yang serupa dengan kita. Sebaliknya, jika peristiwa rawak terkumpul, menjalani kehidupan di sepanjang jalan yang unik, seperti yang disarankan oleh Gould, kehidupan luar bumi dapat menjadi aneh.
Gould percaya bahawa manusia adalah "peristiwa evolusi yang sangat tidak mungkin." Sebagai bukti, dia menunjukkan bahawa dalam 2,5 miliar tahun kehidupan di Bumi, kecerdasan manusia hanya muncul sekali. Dia menganggap kemungkinan spesies lain mengembangkan kecerdasan seperti spesies kita kecil. Dari fakta bahawa kita mungkin satu-satunya spesies pintar di alam semesta, kita dapat membuat kesimpulan yang melampaui biologi. "Ada yang melihat kemungkinan ini sebagai alasan kemurungan," tulis Gould dalam The Wonderful Life. "Saya selalu menganggapnya menyegarkan, sumber kebebasan dan, sebagai akibatnya, tanggungjawab moral."
Zach Zorich
Terjemahan dilakukan oleh projek Baru
