Evolucija

Evolucija oka i spontanost evolucije

1. Da li evolucija ima cilj?

„Samo jedan primer (a ima ih bezbroj): čovečje oko se bez ikakvog cilja spontano pretvorilo u najsavršeniji optički instrument, bez koga bi čovekov život bio nezamisliv?”

Ovo pitanje mi je bilo postavljeno u okviru diskusije na temu „da li evolucija ima cilj.“ I ovo je dobro pitanje: bez relativno dubokog znanja o mehanizmima evolucije, zaista moze izgledati zbunjujuće kako kompleksni sistemi mogu nastati bez prvobitnog plana. Ali činjenice su činjenice – evolucija se, po svim dokazima koje imamo, zaista kreće potpuno spontano, proizvodeći adaptacije prema trenutnim potrebama, i bez dugoročnih ciljeva.

Mozemo, do određene tačke, da upotrebimo analogiju sa saobraćajnom mapom Evrope. Sve te pruge, svi ti putevi , aerodromi… i svi automobili, vozovi, avioni...koji prevoze sve te ljude okolo. Dovoljno je pogledati mapu i videti da je u pitanju veoma, veoma komplikovana mreža. I ova mreža funkcioniše, mada ima i značajne probleme na mnogim mestima.

I praktično svi veći problemi polaze iz istog izvora: ova mreža nije nastala planirano. Oh, svakako, danas se putevi i pruge veoma pažljivo planiraju. Ali ovo planiranje je počelo tek nedavno.

Kada su ljudi prvi put izgradili kuću na mestu na kome se danas nalazi Beč, nisu planirali puteve za vozila za koja nisu znali da će jednog dana postojati – nije bilo razmišljanja "ok, ovde će jednog dana biti autoput koji će povezivati naš budući grad sa budućim gradom Minhenom, odakle će drugi auto-put voditi dalje na sever; sa druge strane će biti autoput na jug, tamo u onoj dolini ćemo izgraditi aerodrom..."

U stvarnosti, ljudi su gradili i zidali ono sto im je u tom datom trenutku bilo potrebno. Današnji inženjeri moraju da grade moderne puteve i aerodrome pored, preko, i oko postojećih kuća, naselja, starih puteva i tvrđava... Njihov posao bi bio mnogo lakši da su stari Evropljani planirali svoje gradove kao što mi planiramo moderna naselja danas.

Ipak, mreža funkcioniše – ne savršeno, ali dovoljno dobro da obavi posao u većini slučajeva. I mada možemo da sanjamo kako bi bilo da je mreža drugačija ili bolje od početka uređena, nemamo izbora, ona je takva kakva je.

Saobraćajna mreža Evrope je, u veoma stvarnom smislu te reči, evoluirala u svoj današnji oblik.

I ljudsko oko je evoluiralo u svoj današnji oblik, kroz veoma slične procese, i danas u sebi sadrži veoma slične probleme – pošto evolucija nije planirala unapred, već je prosto u svakom trenutku adaptirala ono što je već postojalo tako da postane malčice bolje... Ali pogledajmo prvo ovaj proces detaljnije.

2. Evolucija Oka

Evolucija oka počinje od jednog molekula: rodopsina.

Ljudi koji ne poznaju biologiju često misle da je u evoluciji oka "najteži" deo stvaranje makroskopskih (vidljivih) struktura – zenice, mišića, rožnjače... Ali, u stvari, najduži i najkompleksniji deo razvoja oka je bila evolucija ovog jednog molekula. Evoluciji je bilo potrebno oko dve milijarde godina da proizvede rodopsin; proizvodnja svih ostalih struktura oka je trajala samo dve stotine hiljada do dva miliona godina, tj. između deset hiljada i hiljadu puta kraće!

Rodopsin je protein koji se nalazi u ćelijskoj membrani, i koji vezuje molekul supstance poznate kao retinal. Kada je retinal izložen svetlosti, on apsorbuje energiju, i menja svoju unutrašnju strukturu. Ovo samo po sebi nije neobično – isti efekat se može videti kod desetina hiljada drugih molekula. Ono što je specifično za rodopsin je da promena u strukturi retinala dovodi do promene u strukturi rodopsina, što proizvodi signal u okviru ćelije. Jednako važno, ovaj sistem se može povratiti nazad u početno stanje kroz malo ulaganje energije.

A.Struktura rodopsina.B.Hemijska struktura rodopsina.C.Atomski pogled na rodopsin.D.Molekularna povrsina rodopsina.

Rodopsin je, nakon svog prvobitnog nastanka, posluzio kao osnova za evoluciju ogromne grupe proteina. U ljudskom oku se danas ne nalazi originalni bakterijski rodopsin, vec njegovi evolutivni rođaci iz "opsin" familije. Takođe, rodopsin je postao toliko centralan signalni molekul da su signalni putevi eukariota postali nerazdvojivo vezani za njega: danas signali među ćelijama, ukljucujuci tu i signale među nervnim ćelijama u mozgu, putuju uglavnom preko takozvanih "G-protein receptora", koji su evoluirali od rodopsina.

Rodopsin je nastao u doba kada su na svetu postojali samo jednoćelijski organizmi. Ovi prvobitni organizmi su koristili rodopsin u svojoj ćelijskoj membrani kao signal na osnovu koga su mogli da odrede sa koje strane dolazi svetlost - veoma važna stvar u vodi, gde je bez vida jako teško znati u kom pravcu se nalazi površina (i kiseonik) a u kom pravcu dubina (i smrt).

Čulo vida, otud, počinje od slabašnog osećaja za pravac svetlosti.
 

Kod prvih višećelijskih životinja, pa i kod nekih prostih višećelijskih životinja danas, vidimo istu stvar: rodopsini su prisutni svuda u ćelijskim membranama, i jedino što životinja može da "zna" jeste sa koje strane dolazi svetlost.

Sledi specijalizacija. Pojedinačne ćelije u okviru višećelijskog organizma počinju da proizvode više rodopsina nego druge (ovo je veoma jednostavna regulatorna mutacija). Efekt je isti, pošto koncentrisani signali iz pojedinačnih ćelija imaju isti efekt kao i šuma slabijih signala iz mnogo ćelija u istoj oblasti. Prednost je što ostale ćelije više ne moraju da troše energiju na proizvodnju i održavanje rodopsina, i mogu da evoluiraju po putevima koji su nekompatibilni sa tom svrhom.

Sledi agregacija, proizvedena kroz mutaciju koja izaziva grupisanje ćelija iste vrste (slična vrsta mutacija dovodi do, na primer, mladeža na koži ljudi). Ova grupa fotosenzitivnih ćelija je prvo funkcionalno oko. Naime, uz pomoć ove grupice ćelija, životinja pored pravca svetlosti sada može da razazna i senke, i njihovo kretanje - mada veoma nejasno i mutno.

Ipak, i mutan i nejasan vid je bolji od nedostatka ikakvog vida.

Od ovog trenutka, kada nastane ova osnovna struktura, razvoj ostatka oka je munjevit. I to ne samo oka kicmenjaka – oči naraznoraznijih vrsta i redova životinja (od insekata do čoveka) je počeo od iste grupe ćelija.

Ali koncetrišimo se ovde na evoluciju ljudskog oka, koju možemo ilustrovati na sledeći način:

Svaki stadijum predstavlja situaciju koja je rekonstruisana iz fosila, ali takođe i postoji u mnogim živim organizmima danas.

Počinjemo od prethodno objašnjene grupe fotoosetljivih ćelija na površini kože. Svaka mutacija (a ovo su veoma jednostavne i česte mutacije) koja izaziva zakrivljenje površine na kojoj su prisutni fotoreceptori, dovodi do "izoštravanja" primitivnog vida: senke koje organizam može da razazna postaju oštrije.

Ciklus mutacija koje korak po korak dovode do sve većeg zakrivljenja (i samim time sve oštrijeg i oštrijeg razaznavanja senki) na kraju vodi do "kamernog oka", u kome mala rupica vodi u šupljinu ispunjenu vodom, na čijem kraju se nalaze fotoreceptori. U ovom stadijumu, životinja može jasno da vidi granice predmeta, pojedinačne linije, i da razlikuje predmete koji se nalaze na različitim daljinama.

Sledi mutacija koja dovodi do spajanja kože ispred rupice. Mada ovo malo ometa pogled - jer sada svetlost mora da prođe kroz dva sloja ćelija da bi ušla u kamerno oko - ima i ogromnu prednost u tome što vid više ne zavisi od okoline. Ma kakav bio sastav vode u kome se organizam nalazi, pošto unutrašnjost oka više nije povezana sa vodom izvan organizma, vid ostaje isti.

I ovo postaje još veća prednost sa sledećim mutacijama: koji proteini i supstance bivaju izlučeni u šupljinu oka? Ako supstance izlučene u šupljinu daju tečnosti dobar refraktivni indeks, organizam dobija neuporedivo oštriji i jasniji vid. Dodatne mutacije vode do lučenja drugih proteina ispod ovog proto-sočiva.

Današnji primeri prelaznih očiju

    Opisane stadijume u evoluciji oka možemo videti na mnogim današnjim organizmima. Ovo nam omogućava da pratimo razvoj gena koji omogućavaju različite "nivoe" očiju, i da jasno vidimo put i pravac ovog razvoja.
Od mnogih konkretnih primera, možemo izdvojiti neke od poznatijih. Recimo, Euglena i mnogi drugi jednoćelijski organizmi imaju grupisane molekule za detekciju svetlosti. Planarijumi imaju primitivne udubljene grupice ćelija koje služe kao oči. Među meduzama postoji čitav spektar, od difuznih ćelija do veoma komplikovanih očiju (recimo, Cladonema ima veoma kompleksne oči; ali ono što je zanimljivo je da meduze nemaju mozak, već signali iz očiju idu direktno u mišićne ćelije!).
Među kičmenjacima, Agnatha (hagfish) su kičmenjaci koji i dalje imaju primitivan oblik u kome postoji samo parče kože osetljivo na svetlost. Sledeći korak, "kamerno oko", imamo u fosilima mnogih kičmenjaka, a od živih organizama ga danas i dalje poseduje recimo Nautilus. Primitivnu proto-retinu imamo kod zmijuljice (lamprey), pa onda osnovno moderno kičmenjačko oko već kod daljih riba.

Na kraju imamo niz specijalizacija epitelijalnog tkiva. Ispupčenje gornjeg sloja epitelijalnog tkiva dodaje fokus. Razvoj sitnih mišića (sveprisutnih u epitelijumu) u krupnije, koji mogu da utiču na oblik sočiva, daje organizmu sposobnost da kontroliše daljinu fokusne tačke. Jačanje drugog skupa mišića dovodi do sposobnosti da se kontroliše veličina otvora oka, što omogućava kontrolu nivoa svetlosti koji prodire u oko.

Svaka od ovih mutacija je mala, i tek akumulacijom nekoliko desetina nastaju vidljive strukture - ali svaka pojedinačno malo poboljšava vid. Ali što je još zanimljivije – mi ne samo da znamo koje mutacije su potrebne da bi se ovakav razvoj desio, već na osnovu merenja iz prirode znamo kolika je verovatnoća da se svaka od tih mutacija dogodi! Kada uzmemo u obzir verovatnoću svake pojedinačne mutacije potrebne za izgradnju oka, koliku prednost to daje organizmu, i koliko ta prednost utiče na broj preživelih potomaka, možemo tačno matematički izračunati koliko generacija je potrebno za razvoj strukture ljudskog oka.

Odgovor je iznenađujući: 200,000 do 350,000 generacija, u veoma lošem slučaju. Znači, uzmajući posebno spor način na koji kompleksno oko može evolucijom nastati od prostog sloja fotoreceptora, potrebno je manje od pola miliona godina za ceo proces (setimo se, za većinu organizama jedna generacija traje oko godinu dana).

3. Šta sa nervima?

Neko se može zapitati: "ok, znači oko se brzo može razviti evolucijom, ali šta sa mozgom i nervnim sistemom potrebnim za čulo vida"?

Ovo je dobro pitanje, ali polazi iz veoma česte miskoncepcije o prirodi nerava. Često se, naime sreće mišljenje da je nervni sistem planiran, ili "izgrađen" tako da kontroliše organizam. Na konkretnom primeru, ljudi koji ovako zamišljaju razvoj nervnog sistema misle da postoji mišić, da postoji nerv koji kontrolise taj mišić, i da postoji oblast mozga koja kontroliše taj određeni mišić, i da je sve to nekako "zapisano u DNK".

Ali ova slika je potpuno netacna.

Najveći deo - čak, možemo reći, preko 90% - strukture ljudskog nervnog sistema kakav postoji kod novorođene bebe nije ni u kom obliku određen u ljudskim genima!

Ono sto se događa je mnogo zanimljivije. Naime, organizam proizvodi u početku mnogo više nervnih ćelija nego što je potrebno - i onda uništava one koje ne nađu sebi posao.

Na primer: u mozgu se proizvodi i do deset puta više ćelija nego što je potrebno da se kontrolišu svi mišići u telu. Ti nervi rastu prema kičmi, grupisani samo u najopštijem značenju te reči, gde se sreću sa isto tako prevelikim brojem motornih nerava (nervnih ćelija koje uspostavljaju kontakt sa ćelijama mišića). Motorni nervi rastu kroz telo kao žice koje se izdužuju, i "traže" mišiće. Neki motorni nervi nađu mišić, urastu u njega, i počnu da ga kontrolišu. Nervi u mozgu koji su povezani sa tim mišićem se povezuju samo sa malim brojem drugih nerava u mozgu, u početku.

Kasnije, kada organizam počne svoj život i počne da se kreće, nervi u mozgu će praviti ogroman broj novih veza sa drugim nervima, u skladu sa događajima kroz koje organizam prolazi. Bebe ne znaju da hodaju: moraju to da nauče, i ovo učenje nije ništa drugo do proizvodnje novih veza između nerava u mozgu. Sami nervi u početku "ne znaju" čak ni koji mišić kontrolišu - tek kroz aktivnost beba otkriva koji nerv je povezan sa kojim mišićem (u figurativnom, biološkom smislu), i uči koji nerv treba da "okine" u kom trenutku da bi se stvorio koordinisani pokret. Za ovo je potrebno mnogo vremena i rada; deca ostaju nespretna sve do tinejdžerskih godina.

Ali šta se događa sa onim nervima koji nikada ne nađu mišić? Većina prosto umre - izvrši celularno samoubistvo nakon što određena količina vremena prođe u neuspešnoj potrazi.

Sa čulnim ćelijama je slična situacija: nervni sistem se adaptira prema čulima koja “nađe”; sistem je samo delimično "programiran" za vrstu čula koje čovek ima, ali pojedinačni nervi i nervne mreže nisu "programirani" da idu tačno do određene mete.

Sa evolutivne tačke gledišta, ovo je kritična stvar, jer ne zahteva paralelan razvoj nervnog sistema sa razvojem čula. Tako, na primer, mali broj ljudi nosi jednu relativno novu mutaciju - kopiju jednog od opsin gena, sa promenom koja omogućava reakciju na ljubičaste i granično-ultraljubicaste talase svetlosti. Ovi ljudi doslovno mogu da vide svetlost koju mi ostali ne vidimo, i da vide boje koje su nama potpuno nevidljive. Isti cvet njima izgleda potpuno drugačije nego većini drugih ljudi.

I za ovo su bile potrebne ravno dve mutacije: duplikacija opsina (koja je veoma česta, tako da često čak i braća i sestre imaju drugačiji broj kopija opsin gena), i mutacija unutar jedne od kopija koja dovodi do promene talasne dužine na koju opsin reaguje.

Nervni sistem, kod kojeg razvoj vizuelnog korteksa počinje sa mnogo više neurona nego što je potrebno, je prosto inkorporirao ove nove informacije u sebe. Nervi koji bi kod nekog drugog čoveka umrli u toku razvoja, kod ljudi sa novim opsinom nalaze nove receptore, vezuju se za njih, a drugi nervi unutar mozga (koji bi takođe umrli kod nas "običnih ljudi") reaguju na novu vrstu informacije. Mozak nauči kako da integriše novo čulo u sebe.

Suprotan primer možemo videti u slučajevima gubitka. Vizuelni korteks, deo mozga koji proizvodi čulo vida na osnovu signala koji dolaze iz očiju, zauzima najveći deo zadnjeg dela mozga (okcipitalni režanj). Šta se događa sa ovim delom mozga kod dece koja se - iz bilo kog razloga - rode slepa, ili oslepe u toku prvih par meseci zivota?

Da je čovekov mozak "isprogramiran" za određena čula, ovaj deo mozga bi bio potpuno neupotrebljiv: bez očiju, ne bi imao podatke koje treba da procesira. Ali ono što vidimo kod slepih ljudi je potpuno drugačije: ovaj deo mozga menja funkciju. Pošto u njega ne dolaze signali iz očiju, on se adaptira za signale iz ušiju, prstiju... i daje slepim ljudima daleko veći nivo osetljivosti i razaznavanja u tim čulima nego što imaju ljudi sa vidom.

Ova takozvana "plasticnost" mozga je ključna stvar koja omogucava nama - i drugim životinjama - da se adaptiramo na promenjive okolnosti, i omogućava deci da budu spremna da budu rođena u svet koji može biti značajno drugačiji od sveta u kome su živeli njihovi roditelji.

 

[nazad na vrh strane]