„New Yorker” pisze o hoacynie, sugeruje, że koncepcja Darwina drzew ewolucyjnych może być urojeniem

Najpierw poznajmy temat. Hoacyn (Opisthocomus hoazin) jest jednym z najdziwniejszych ptaków na świecie pod względem wyglądu i zwyczajów. Oto jego zasięg w Ameryce Południowej:

Poniżej: film pokazujący, jak wygląda ten ptak oraz bardzo dziwne zachowanie wspinania się piskląt, które zachowały szpony przodków na skrzydłach (tracą je jako dorosłe). Kiedy drapieżniki atakują, pisklęta z pazurami, których gniazda zbudowane są nad wodą, po prostu wpadają do wody, dopływają do brzegu i za pomocą pazurów wspinają się potem ponownie do gniazda.

Na tym filmie wspinaczka jest wyraźniejsza:

Przednie pazury, które sprawiały, że ludzie myśleli, że ptak jest prymitywny, nie są jedyną dziwną rzeczą u tego ptaka (i nie, nie jest to jedyny gatunek z pazurami na skrzydłach, tylko ten, który używa ich z tak dziwacznego powodu). Ten fragment pochodzi z artykułu Elizabeth Deatrick w Sketch, magazynu Towarzystwa Audubon.

Hoacyny to jedyne ptaki na świecie, które nie jedzą nic poza liśćmi, które w porównaniu z nasionami i owocami są mało pożywne i ciężkostrawne. Aby dostosować się do tej diety, Hoacyn wyewoluował wielokomorowy przewód pokarmowy z mnóstwem małych „żołądków”, w których liście mogą siedzieć przez jakiś czas i być trawione przez przyjazne bakterie. Podczas procesu trawienia bakterie uwalniają metan, którym ptak następnie beka, wytwarzając aurę węchową, która sprawiła, że hoacyn otrzymał mało pochlebne przezwisko: śmierdzącego ptaka. 

Mamy więc kilka interesujących faktów. Ale tym, co intryguje Craira, jest trudność umieszczenia hoacyna na drzewie genealogicznym ptaków. Jego budowa i morfologia nie są przydatne, ponieważ dawno temu oddzielił się od innych ptaków (może zajmować długą, starą, własną gałąź). Więc ludzie zwracają się do DNA, które, jeśli użyje się go wystarczająco dużo, powinno, poprzez sprawdzenie podobieństw i różnic, powiedzieć, z jakim gatunkiem hoacyn jest najbliżej spokrewniony. Ale ponieważ oddzielił się tak dawno temu, to też jest problematyczne. Różne analizy, w zależności od tego, na które fragmenty DNA patrzysz, sugerują, że jest on najbliżej spokrewniony z turakowatymi, a może z kukułkami, a może z chruścielami lub też, jak sugeruje ten artykuł, z przodkami żurawi i siewek. Problem polega na tym, że DNA tak dawno oddzieliło się od DNA innych gatunków ptaków, że w zależności od tego, na którą część DNA patrzysz i jakiego gatunku ptaka używasz do porównania, otrzymujesz różne odpowiedzi.

Ale to nie jest typowy ptak i zazwyczaj możemy umieścić ptaka w pobliżu jego najbliższych krewnych, jeśli używamy dużo DNA  Tego rodzaju analiza przynosi czasem zaskakujące rezultaty: chciałbym wspomnieć, że sokoły wędrowne są bliżej spokrewnione z papugami niż z innymi ptakami drapieżnymi („drapieżnikami”), takimi jak jastrzębie, rybołowy i orły. Opiera się to na dużej ilości DNA i jest to prawidłowe rozmieszczenie sokołów na drzewie ewolucyjnym ptaków.

Oczywiście trudność umieszczenia hoacyna nie unieważnia idei „rozgałęzionego drzewa życia”, ponieważ używamy filogenezy genów (jeden schemat rozgałęzienia) do określenia filogenezy gatunków (lub populacji), a mogą to być różne schematy rozgałęzień. A jeśli przyjrzysz się niektórym zwierzętom i niektórym genom, zobaczysz, że drzewo genealogiczne genów, których własna historia ewolucyjna rozgałęzia się, gdy mutują, nie odpowiada filogenezie samego gatunku: historii ewolucji organizmów zawierających geny.

Te rozbieżności między „drzewem” niektórych genów a organizmami, które je zawierają, mają kilka przyczyn.

Pierwszym z nich jest to, co nazywamy „niepełnym sortowaniem linii”. Spróbuję wyjaśnić. Załóżmy, że gatunek przodków ma dwie zmutowane formy genu lub segmentu DNA. Nazwijmy je A i B. Załóżmy zatem, że przodek rozdziela się w taki sposób, że wytwarza gatunki X, Y i Z, a gałąź, która ostatecznie dzieli się na Y i Z, odchodzi oddzielnie od gałęzi, która prowadzi do X. Teraz załóżmy, że każdy z tych przodków ma wszystkie mutanty A i B, ale gatunek Z traci formę A przez dryf genetyczny, podczas gdy gatunki X i Y tracą formę B. Dzieje się tak, ponieważ geny mogą zmieniać swoją częstotliwość w przypadkowych procesach bez doboru naturalnego („dryf genetyczny”).

Historia samych gatunków pokazuje, że Y i Z są ze sobą bliżej spokrewnione niż oba z X, ponieważ mają wspólnego późniejszego przodka. Ale jeśli spojrzysz na jeden gen, który miał dwie formy A i B, zobaczysz, że gatunki X i Y są bliżej spokrewnione niż którykolwiek z tych z Z pod względem tego genu, ponieważ oba mają formę A, podczas gdy Z ma formę B. Innymi słowy, drzewo dla tego genu wykazuje inną historię ewolucyjną niż drzewo samego gatunku. A jeśli spojrzysz na inny gen, który dryfuje niezależnie, możesz odkryć, że gatunki X i Z są ze sobą bliżej spokrewnione niż którykolwiek z nich jest z gatunkiem Y.

Ponieważ istnieje ogromna liczba genów, nie jest nieprawdopodobne, że znajdziesz takie rozbieżności. Geny mogą wykazywać trzy różne historie ewolucyjne, podczas gdy dla samych gatunków istnieje tylko jedna, na podstawie której populacje ewoluowały w nowe gatunki. Drzewa genów i drzewa gatunków mogą być niezgodne.

Sposobem na rozwiązanie tego jest oczywiście użycie wielu, wielu genów, ponieważ razem powinny one wykazywać przewagę filogenezy, które pasują do samego drzewa gatunków, ponieważ geny (z dwoma wyjątkami wymienionymi poniżej) pozostają w granicach gatunku. (Biologiczna definicja „gatunku biologicznego” obejmuje bariery w wymianie genów.)

I na ogół to właśnie znajdujemy. Kiedy sekwencjonujemy całe genomy gatunków, takich jak ludzie, szympansy i goryle, znajdujemy to, co wiedzieliśmy z innych danych: ludzie i szympansy (łączę bonobo z szympansami) są ze sobą bliżej spokrewnieni niż oba te gatunki z gorylem, który jest bardziej odległym przodkiem. A wszystkie cztery z tych gatunków są jeszcze bardziej odlegle spokrewnione z orangutanem. Im więcej genów używamy, tym bardziej zbliżamy się do odtworzenia prawdziwej historii ewolucyjnej samego gatunku.  

Ponieważ hoacyn jest od tak dawna oddzielony od innych gatunków ptaków, ewoluował prawie niezależnie przez prawie sześćdziesiąt milionów lat, a więc, w zależności od gatunku i genów, na które patrzysz, możesz stwierdzić, że hoacyn ma podobieństwa genetyczne, które są rozbieżne, jeśli używasz różnych grup porównawczych. Nie ma gatunku na tyle blisko spokrewnionego z hoacynem, abyśmy mogli wykazać ogólne podobieństwo między jego genami a tym „siostrzanym” gatunkiem. Ergo, nie znamy najbliższego krewnego hoacyna. I możemy nigdy nie poznać.

Nie wykonałem dobrej roboty wyjaśniając to, ale być może zrozumiecie. Niemniej autor Crair w ogóle nie próbuje tego wyjaśnić, odnosząc się w jednym zdaniu do niepełnego sortowania linii jako „rodzaju genetycznego mieszania”. Kluczem jest jednak zrozumienie, że ewolucyjna historia poszczególnych genów lub segmentów genomu nie jest tym samym, co ewolucyjna historia populacji organizmów, które zawierały te geny — samych gatunków.

Inne czynniki, które powodują rozbieżności między drzewami genowymi a drzewami gatunkowymi, to hybrydyzacja, która może przenosić geny między gatunkami, które nie są tak blisko spokrewnione, lub poziomy transfer genów („HGT”) za pośrednictwem wektorów, takich jak wirusy. Oba przenoszą fragmenty DNA do gatunków, które nie odzwierciedlają ich historii ewolucyjnej, a próba odgadnięcia historii gatunku z tak szerokiej wymiany genów jest myląca. To też mógł być problem z umieszczeniem hoacyna, ale wątpię w to.

Oto jeden przykład z naszego gatunku. Ze względu na starożytną hybrydyzację Homo sapiens i neandertalczyków, (nie będę się zagłębiać w kwestię, czy są to różne gatunki, chociaż nie sądzę, żeby nimi były), jeśli spojrzysz na właściwy gen we mnie, Jerrym, i porównasz tylko ten jeden gen z innymi formami genów w moim gatunku i z genomem neandertalczyka, może się okazać, że „gen X Jerry’ego jest bardziej spokrewniony z neandertalczykami niż z jego kolegami z H. sapiens ”. I to byłaby prawda. Większość z nas prawdopodobnie nosi inny zestaw genów od neandertalczyków, a gdybyś chciał stworzyć drzewo używając tylko tych genów, przekonałbyś się, że każdy z nas jest bardziej neandertalczykiem niż sapiens. Ale oczywiście dotyczy to tylko fragmentów genomu, które odziedziczyliśmy po starożytnej hybrydyzacji neandertalczyków z naszymi przodkami. Jeśli spojrzysz na analizę całego genomu, zobaczysz, że ta mała rozbieżność znika i otrzymasz prawidłową odpowiedź: wszyscy jesteśmy ze sobą bliżej spokrewnieni niż z neandertalczykami.

To właśnie te kwestie pozwalają autorowi stwierdzić, że idea rozgałęzionego drzewa ewolucyjnego Darwina może być znacznie przereklamowana. Oto jak to formułuje:

Drzewo jest tak zakorzenione w biologii ewolucyjnej, że naukowcy zachęcają do „myślenia drzewami”. Ucząc się myśleć w kategoriach drzew, uczniowie mogą uniknąć powszechnego błędnego rozumienia ewolucji jako drabiny, w której prostsze organizmy stają się bardziej złożone, jak na słynnym obrazie „Wznoszenie się człowieka”, który pokazuje chodzącą na czterech łapach małpę, która ewoluuje w wyprostowanego człowieka. Jednak mimo całej swojej wartości pedagogicznej drzewo zawiera również subtelne założenia dotyczące ewolucji. Drzewo ma tendencję do bagatelizowania zmienności genetycznej w obrębie gatunku, co może przesłaniać fakt, że wspólnymi przodkami są w rzeczywistości zróżnicowane populacje, które mogą przekazywać różne wersje genu różnym potomkom. Opowiada historię niekończącego się podziału i dywersyfikacji, z gałęziami, które się rozchodzą.

Czy nie sugeruje, że idea drzew ewolucyjnych jest wątpliwa? W rzeczywistości idea drzew dla gatunków, tak jak chciał ją interpretować Darwin, ma się dobrze; po prostu nie zawsze pasuje do drzew dla niektórych genów w obrębie gatunku. Myślenie drzewami trzyma się dobrze i nie zamierza zniknąć.

A jednak. . . i Crair przyznaje to w jednym miejscu:

Zarysy ewolucji zwierząt nadal w wielu miejscach przypominają drzewo, dlatego naukowcy nadal spędzają tak dużo czasu na opracowywaniu i dyskutowaniu o różnych gałęziach. Ale jeśli myślenie o drzewach nauczyło biologów, że wszystko jest połączone, geny sugerują, że połączenia mogą przebiegać nawet głębiej niż drzewo jest w stanie uchwycić. Aby uzyskać pełniejszy obraz – i odpowiedzieć na pytania, jak ta niezwykła mieszanka cech połączyła się w hoacynie – naukowcy mogą potrzebować wyjść poza drzewo.

Gdyby Crair starannie rozróżniał drzewa gatunkowe z jednej strony od drzew genetycznych z drugiej, nie musiałby tworzyć tych pozornych „rozbieżności”. O tym problemie wiemy od lat; właściwie pisałem o tym w mojej książce Speciation z Allenem Orrem, która ukazała się w 2004 roku. (Patrz Aneks).

Nie wiem, czy niechlujna redakcja spotęgowała zamieszanie w tym artykule, czy też autor nie wyjaśnił tych rozbieżności (chyba je zrozumiał). W końcu po prostu zostają nam te fakty:

a. Hoacyn to cholernie dziwny ptak.
b. Nie jesteśmy w stanie ustalić jego najbliższych krewnych.
c. Istnieją ewolucyjne/genetyczne przyczyny tej trudności.

Ale nie byłoby to tak warte kliknięcia na link do artykułu, jak to, co opublikował „New Yorker ”, a mianowicie:

a. Hoacyn to cholernie dziwny ptak.
b. Nie byliśmy w stanie ustalić jego najbliższych krewnych.
c. Dlatego musi być coś nie tak z ideą Darwina o „drzewie życia”.

Należy pamiętać o „a” i „b”, a także o tym, dlaczego hoacyn brzydko pachnie i jakich dziwnych pazurów używają jego pisklęta do wspinania się po drzewach.

The New Yorker writes about the hoatzin, implies that Darwin’s idea of evolutionary trees may be a phantom

Why Evolution Is True, 17 lipca 2022

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska