Americká akadémia vied: Dôkazy podporujúce biologickú evolúciu (3. časť)

Od začiatkov primitívneho „života“, ako existoval pred najmenej 3,5 miliardami rokov, k dnešnému neprebernému množstvu a rozličnostiam, viedla veľmi dlhá cesta. Najlepšie sa jej dá porozumieť ako výslednici evolúcie.

V protiklade k populárnemu názoru ani názov ani myšlienka biologickej evolúcie nezačali s Charlesom Darwinom a jeho hlavným dielom O pôvode druhov prostredníctvom prírodného výberu (1859). Mnohí bádatelia, počínajúc starými gréckymi filozofmi, vyslovili myšlienku, že podobné druhy sú potomstvom spoločného predka. Výraz „evolúcia“ sa v angličtine objavil po prvý raz v roku 1647 v celkom nebiologickej súvislosti a od tých čias sa široko používal pre všetky druhy postupu z jednoduchého začiatku. V súvislosti s biologickou evolúciou Darwin sám najčastejšie používal výraz „potomstvo so zmenou“, čo ešte aj dnes je dobrá stručná definícia procesu, o ktorý nám ide.

Darwin navrhol, že evolúcia sa dá vysvetliť rozličným prežívaním organizmov v súvislosti s prirodzene sa vyskytujúcimi variáciami – tento proces nazval „prírodným výberom či selekciou“. Bol toho názoru, že organizmy potomstva sa líšia medzi sebou a od svojich rodičov a že táto odlišnosť je dedičná – to značí, že rozdielnosti sa geneticky prenášajú na potomstvo. Okrem toho spoznal, že v prírode vytvoria organizmy spravidla viac potomstva, ako môže prežiť a reprodukovať sa, keďže sú tu obmedzenia čo do potravy, priestoru a iných zdrojov životného prostredia. Ak má určitá časť organizmov vlastnosti, ktoré sú v určitom osobitnom prostredí prednosťou, je pravdepodobné že tieto organizmy skôr prežijú a odovzdajú tieto vlastnosti svojmu potomstvu. Ako sa v priebehu generácií rozdielnosti hromadia, nové populácie organizmov sa líšia od svojich predkov.

Darwinova pôvodná hypotéza podstúpila rozsiahle modifikácie a rozšírenia, ale základná koncepcia stojí pevne. Štúdie v genetike a molekulárnej biológii – vedné odbory, ktoré za čias Darwina neexistovali – vysvetlili výskyt dedičných variácií, ktoré sú pre prírodný výber rozhodujúce. Genetické variácie sú výsledkom zmien či mutácií v sekvencii nukleotidov DNA, čo je molekula, z ktorej sa skladajú gény. Zmeny DNA sa dnes dajú zistiť a opísať s veľkou presnosťou.

Genetické mutácie vznikajú náhodou. Môžu, ale nemusia vyzbrojiť organizmus lepšími prostriedkami pre prežitie vo svojom prostredí. Ak však niektorý génový variant zlepší adaptáciu na prostredie (napríklad, ak umožní organizmu lepšie využiť potravu, ktorá je k dispozícii, alebo účinnejšie uniknúť dravcom – ten význam majú silnejšie nohy alebo maskujúce sfarbenie), potom má taký organizmus väčšiu pravdepodobnosť prežitia a reprodukcie ako organizmus bez toho génu. Postupom času sa počet takýchto potomkov zvýši a nakoniec sa zmení priemerná charakteristika populácie. Hoci genetické variácie, na ktorých sa zakladá prírodná selekcia, sa zakladajú na náhodných alebo nesústavných elementoch, samotná prírodná selekcia produkuje „adaptívne zmeny“ – čo je úplný opak náhody.

Vedci pochopili aj proces, ako vzniká nový druh. Nový druh je ten, ktorého jednotlivci sa nemôžu páriť a produkovať životaschopné potomstvo s jednotlivcami predchádzajúceho druhu. Rozštiepenie jedného druhu na dva sa často začína tým, že jedna skupina jedincov sa naraz nájde zemepisne oddelená od ostatných. To platí osobitne pre vzdialené ostrovy ako Galapágy alebo Havajské súostrovie, ktorých veľká vzdialenosť od kontinentov Ameriky a Ázie spôsobila, že kolonizátori, ktorí sem prišli, mali malú alebo nijakú možnosť páriť sa s jedincami, ktorí ostali na kontinentoch. Horské hrebene, rieky, jazerá a iné prírodné bariéry tiež spôsobili zemepisné oddelenie populácií, ktoré pôvodne patrili do toho istého druhu.

Raz izolované a zemepisne oddelené skupiny zvierat sa postupne geneticky diferencovali v dôsledku mutácií a iných procesov, vrátane prírodnej selekcie. Vznik nového druhu je postupný proces, takže spočiatku je reprodukčná izolácia medzi oddelenými skupinami organizmov len čiastočná, ale nakoniec sa stane úplnou. Vedci venujú osobitnú pozornosť týmto intermediárnym situáciám, pretože tieto pomáhajú rekonštruovať detaily celého procesu a identifikovať osobitné gény alebo sady génov, ktoré vyplývajú z reprodukčnej izolácie medzi druhmi.

Osobitne presvedčivým príkladom vzniku druhov je 13 druhov piniek, ktoré Darwin študoval na Galapágach, a ktoré sú dnes známe ako Darwinove pinky. Ukázalo sa, že ich predkovia imigrovali na Galapágske ostrovy z juhoamerickej pevniny. Dnes majú ich rozličné druhy na ostrove rozličné sídla, potravu a správanie sa, ale mechanizmy zapojené do vzniku nových druhov pôsobia ďalej. Skupina vedcov pod vedením Petra a Rosemary Grantových z Princetonskej univerzity zistila, že už jednoročná suchota môže na ostrovoch vyvolať u piniek evolučné zmeny. Suchota zmenšuje množstvo ľahko rozbiteľných orechov, ale umožňuje prežitie rastlín, ktoré dávajú väčšie, tvrdšie orechy. Suchota takto favorizuje vtákov so silným širokým zobákom, ktorý dokáže rozbiť tieto tvrdšie semená, a vzniká populácia piniek s týmito znakmi. Grantovci odhadli, že ak prichádza suchota na ostrov raz za desať rokov, môže sa vytvoriť nový druh piniek už za dvesto rokov.

Nasledujúce oddiely sa zaoberajú viacerými aspektmi biologickej evolúcie podrobnejšie, nachádzajúc v paleontológii, komparatívnej anatómii, biogeografii, embryológii a molekulárnej biológii ďalšie dôkazy na podporu evolúcie.

Doklad skamenelín

Hoci to bol predovšetkým Darwin, čo ako prvý organizoval presvedčivé dokazovanie biologickej evolúcie, vedci už dávno predtým spoznali, že organizmy na Zemi sa v priebehu dlhých časových období systematicky menili. V roku 1799 napríklad jeden inžinier menom William Smith hlásil, že v nerozrušených vrstvách hornín sa nachádzajú skameneliny v určitom postupnom poradí, takže tie, čo sa vidia byť modernejšie (novšie), sú bližšie k vrchu. Keďže spodné vrstvy horniny logicky sa dostali dolu skôr a sú teda staršie ako horné vrstvy, dá sa poradiu skamenelín prideliť chronológia od najstarších po najmladšie. Jeho nálezy potvrdil a rozšíril okolo roku 1830 paleontológ William Lonsdale, ktorý zistil, že skamenené ostatky organizmov v spodných vrstvách sú primitívnejšie ako ostatky v horných vrstvách. Do dnešných dní boli identifikované tisíce uloženín v starých horninách a všetky vykazujú príslušnú postupnosť fosílnych organizmov.

Takže všeobecná postupnosť skamenelín bola uznávaná už prv, než mal Darwin predstavu o potomstve so zmenou. No paleontológovia a geológovia pred Darwinom používali sekvenciu skamenelín v horninách nie ako dôkaz biologickej evolúcie, ale ako základ pre vypracovanie (spoznanie) pôvodného sledu vrstiev hornín, ktoré boli štrukturálne preložené zemetraseniami a inými silami.

Za Darwinových čias bola paleontológia ešte stále len rudimentárna veda. Prevažné časti geologických následností vrstevnatých hornín boli neznáme alebo nedostatočne preštudované. Preto Darwina veľmi trápilo, že prechodné formy medzi niektorými veľkými skupinami organizmov boli zriedkavé.

Dnes však už boli mnohé medzery v paleontologickom zázname výskumami paleontológov zaplnené. Stotisíce fosílnych organizmov, získané z dobre datovaných hornín, predstavujú postupné štádiá foriem organizmov v priebehu času a dokazujú početné vývojové prechody. Ako sme už povedali, mikrobiálny život najjednoduchšieho typu existoval už pred 3,5 miliardami rokov.

Najstarší nález komplikovanejších organizmov, t. j. eukaryotických buniek, ktoré sú zložitejšie ako baktérie, pochádza zo skamenelín v horninách starých asi 2 miliardy rokov. Mnohobunkové organizmy, t. j. dobre známe huby, rastliny a zvieratá, sa našli len v mladších geologických vrstvách. V nasledujúcej tabuľke je zachytený postup, v akom sa objavili stále zložitejšie formy života:

Životná forma	Milióny rokov od objavu (približne)
Mikróby (prokaryoty)	3 500
Zložité eukaryoty	2 000
Prvé mnohobunkové živočíchy	670
Kôrovce	540
Vertebrata (jednoduché ryby)	490
Obojživelníky	350
Plazy	310
Cicavce	200
Primáty (ale nie ľudské)	60
Prvé opice	25
Predchodcovia človeka (australopitek)	5
Moderní ľudia	0,15 (150 000 rokov)

Medzi rybami a obojživelníkmi, medzi obojživelníkmi a plazmi, medzi plazmi a cicavcami a potom v priebehu vývojového radu primátov bolo nájdených toľko prechodných foriem, že je často ťažko kategoricky určiť čas, kedy došlo k prechodu z jedného druhu k druhému. V súčasnosti sa vlastne všetky skameneliny dajú považovať v určitom zmysle za prechodné formy; sú to životné formy, vyskytujúce sa medzi predchádzajúcimi a nasledujúcimi životnými formami.

Doklad skamenelín teda predstavuje konzistentný dôkaz systematickej zmeny v priebehu času – dôkaz potomstva so zmenou. Na základe tohto ohromného množstva dôkazov sa dá predpovedať, že v budúcnosti nedôjde v paleontológii k dramatickým zvratom. Tým chceme povedať, že obojživelníky sa neobjavia pred rybami, ani cicavce pred plazmi a zložitý život sa nenájde v geologických dokladoch pred najstaršími eukaryotickými bunkami. Túto predpoveď oprávňuje to, čo sa zistilo dosiaľ: nebol zistený ani jeden zvrat.

Spoločné štruktúry

Predstavy o spoločnom predkovi na základe paleontológie posilňuje porovnávacia anatómia. Napríklad kostry ľudí, myší a netopierov sú si nápadne podobné napriek rozličnému spôsobu života týchto živočíchov a rozmanitosti ich životného prostredia. Podobnosť týchto živočíchov, kosť po kosti, sa dá pozorovať na každej časti tela, vrátane končatín; a predsa človek píše, myš uteká a netopier lieta; to všetko pomocou štruktúr, zostavených z kostí, ktoré sa líšia v podrobnostiach, ale sú si podobné celkovou stavbou a vzájomnými vzťahmi.

Vedci volajú tieto podobnosti homológiami a prišli k záveru, že najlepšie sa dajú vysvetliť spoločným predkom. Tieto homológie študujú porovnávajúci anatómovia, a to nielen na kostných štruktúrach, ale aj na iných častiach tela a zo stupňov podobnosti uzatvárajú na vzťahy príbuznosti. Ich závery podávajú dôležité podrobnosti o vývojovej histórii; tieto podrobnosti sa dajú preskúšať porovnaním so sekvenciami starodávnych foriem v paleontologickom zázname.

Ucho a čeľusť cicavcov sú prípady, na ktorých sa striedavo paleontológia a porovnávacia anatómia snažia dokázať spoločný pôvod prostredníctvom prechodných foriem. Spodná čeľusť cicavcov obsahuje len jednu kosť, kým u plazov ich má viacero. Ostatné kosti z čeľusti plazov sú teraz v uchu cicavcov. Paleontológovia našli prechodné formy plazov, podobných cicavcom (Therapsida), s dvojakým čeľustným kĺbom: jeden sa skladá z kostí, ktoré pretrvajú v čeľusti cicavcov a druhý z kostí, ktoré sa na koniec stanú kladivkom a nákovkou (hammer and anvil) v ľudskom uchu.

Distribúcia druhov

Aj biogeografia dodala dôkazy pre pôvod zo spoločného predka. Rozmanitosť životných foriem je ohromujúca. Bolo opísaných a pomenovaných asi 250 000 druhov žijúcich rastlín, 100 000 druhov húb a jeden milión zvierat, každý žijúc vo svojom osobitnom životnom prostredí, vo svojej niši; a súpis nie je ani zďaleka hotový. Niektoré druhy, napríklad ľudské bytosti a náš spoločník pes, môžu žiť vo veľmi rozličných prostrediach. Iné druhy sú neuveriteľne špecializované. Jeden druh huby Laboulbenia žije len na zadnej časti krycieho krídla jediného druhu hmyzu, Aphaenops cronei, ktorý sa nachádza len v niektorých jaskyniach na juhu Francúzska. Larvy muchy Drosophila carcinophila sa vyvíjajú len v rýhach na chlopniach tretieho páru orálnych príveskov jedného pozemného kraba, ktorý žije len na niektorých karibských ostrovoch.

Ako si môžeme vysvetliť kolosálnu rozmanitosť živých bytostí a existenciu takých neobyčajných, na pohľad podivných stvorení ako tá spomenutá huba, ten hmyz, tá muška? A ako to, že na ostrovných skupinách typu Galapágy žijú často zvieratá so znakmi, podobnými tým na blízkej pevnine, ale patriace do rozličných druhov? Evolučná teória vysvetľuje biologickú rozmanitosť ako výsledné potomstvo miestnych alebo migrujúcich predkov, ktoré sa adaptovalo na rozličné životné prostredia. Toto vysvetlenie sa dá testovať vyšetrením súčasných druhov a miestnych fosílií na existenciu podobných štruktúr, čo by naznačilo, ako jedna podobnosť pochádza z druhej. Okrem toho by sa malo dokázať, že nejaký druh bez domáceho predka sa prisťahoval do tejto lokality.

Kdekoľvek sa takéto testy uskutočnili, všade sa tieto podmienky potvrdili. Dobrým príkladom sú populácie cicavcov v Severnej a Južnej Amerike, kde sa vyvinuli markantne odlišné miestne organizmy v izolácii až do vzniku panamskej šije pred asi 3 miliónmi rokov. Až potom migrovali na sever pásavec, dikobraz aj vačica (opossum), juhoamerické cicavce, a s nimi početné iné druhy zvierat a rastlín, kým horský lev a iné severoamerické druhy sa uberali po šiji na juh.

Dôkazy, ktoré nazbieral Darwin pre vplyv zemepisného rozšírenia na evolúciu organizmov, ešte zosilneli novými poznatkami. Dnes napríklad existuje na svete asi 2 000 druhov múch patriacich do rodu Drosophila. Asi štvrtina z nich žije len na Havaji. Viac ako tisíc druhov slimákov a iných pozemných mäkkýšov žije tiež len na Havaji. Biologické vysvetlenie pre početnosť príbuzných druhov v odľahlých lokalitách znie, že táto veľká rozličnosť je dôsledkom ich evolúcie z malého počtu spoločných predkov, ktorí kolonizovali izolované prostredie. Havajské ostrovy sú ďaleko od každej pevniny alebo iných ostrovov a podľa geologických svedectiev neboli nikdy pripojené k inej zemi. Takže tých pár kolonizátorov, ktorí sa dostali na Havajské ostrovy, našlo tu početné vhodné ekologické niše, v ktorých mohli počas početných generácií podstupovať evolučné zmeny a diverzifikácie. Keď prišli na Havajské ostrovy prví osadníci, kolonisti, nežili tam iné druhy cicavcov ako jeden druh netopierov; podobne boli neprítomné početné iné druhy rastlín a zvierat.

Havajské ostrovy nie sú pre neprítomné druhy menej pohostinné ako iné časti sveta. Napríklad svine a kozy sa v divočine na Havaji ľahko rozmnožili a prospievajú tam aj iné druhy domácich zvierat. Vedecké vysvetlenie pre neprítomnosť mnohých druhov organizmov a veľké rozmnoženie pár iných druhov je, že pre ich zemepisnú izoláciu sa mnoho druhov organizmov na ostrovy nikdy nedostalo. Tie, ktoré sa na ostrovy dostali, sa časom veľmi rozrôznili, pretože nebolo príbuzných organizmov, s ktorými by bolo treba súperiť o potravu.

Podobnosti počas vývoja

Embryológia, štúdium biologického vývoja jednotlivca od počatia, je ďalším zdrojom nezávislých dôkazov o spoločnom pôvode. Napríklad fúzonôžky (barnacles), sedimentárne kôrovce (crustaceans), sa málo podobajú na iné kôrovce ako homáre (lobsters), krevety (shrimps) alebo klanonožce (copepods). Prechádzajú však larválnym vývojovým štádiom, keď vyzerajú tak ako larvy iných kôrovcov. Podobnosť larválnych štádií podporuje záver, že všetky kôrovce majú homológnu časť organizmu a spoločného predka.

Podobne aj celé to množstvo organizmov od octovej mušky po dážďovky, myši a ľudí má veľmi podobné sekvencie génov, aktívne činných na začiatku vývoja. Tieto gény ovplyvňujú vo všetkých týchto rozličných skupinách organizmov segmentáciu a orientáciu tela. Prítomnosť natoľko si podobných génov, pôsobiacich tak podobne u toľkých druhov organizmov, sa dá najlepšie vysvetliť tým, že tieto gény boli prítomné vo veľmi rannom predkovi všetkých týchto skupín.

---

Americká akadémia vied (kolektív)

The National Academy of Sciences – je uznávaná spoločnosť významných odborníkov, zapojených do vedeckého a technického výskumu, oddaných podpore pokroku vedy a techniky a ich využitiu pre všeobecné blaho.

Preložil Rastislav Škoda. Pôvodne uverejnené: Zošity humanistov, príloha k č. 53, január 2006.