Planaria wydaje się być zupełnie przeciętnym robalem (w filmiku pod wpisem od 5:55) -Płaszczakiem (tak przy okazji polecam zabawną książkę „Flatlandia czyli Kraina Płaszczaków”, ale ja nie o tym…). Co ciekawe, gdy wrzucić chłopa do roztworu Baru (BaCl2) wybucha mu łeb. Ups. No cóż, zdarza się. Widać taki roztwór to dla niego za wysoka poprzeczka (bar) ..eheh. Natomiast jego prawdziwa fantastyczna natura ujawnia się nieco później, ot po paru tygodniach kiedy to odrasta mu nowa bania. Jest sprawna i co najlepsze odporna na negatywny wpływ Baru. Brawo! Toż to Płaszczak dnia!
Ale chwila jak on to zrobił? Zwyczajnie posłuchał porad IT – wyłączył i włączył… kilka genów. Tylko skąd wiedział które? Nie miał przecież czasu na testowanie milionów kombinacji. A może miał, w jakiejś jeszcze mniejszej niepoznanej skali? Niestety nikt chyba tego problemu wciąż nie rozwiązał, więc zostawmy naszego Płaszczaka w spokoju i zastanówmy się nad generalnymi prawami ewolucji.
Muszę przyznać, że czysta Darwinowska teoria ewolucji zawsze pozostawiała we mnie pewien niedosyt. Nie żebym w ogólności się z nią nie zgadzał, po prostu sprawia wrażenie niekompletnej. Trafność czy szybkość adaptacji wydaje mi się nie do końca wytłumaczalna jedynie losowymi mutacjami weryfikowanymi w toku selekcji naturalnej („Dobór naturalny stanowi JEDYNĄ znaną przyczynę powstawania adaptacji, ale nie jedyną przyczyną ewolucji. Inne, nieadaptacyjne procesy ewolucyjne obejmują mutacje, dryf genetyczny i przepływ genów na skutek migracji” – Wikipedia). I oto wjeżdża nasz płaszczak cały, bo z nową głową, na biało, który pod wpływem czynników środowiskowych potrafi przeprowadzić proces bezbłędnej zmiany fenotypu, zapewniającej wymaganą adaptację. Czy zatem można założyć, że komórki w wyniku zewnętrznych stresorów zmieniają charakterystykę swoich procesów mutacji? Ciężko powiedzieć, gdyż nastąpiła tu jedynie zmiana ekspresji genów, a nie ich mutacja. Czy jednak dłuższy, stały wpływ środowiska nie mógłby odpowiednio nakierować procesu mutacji, aby starać się uzyskać odpowiednią adaptację?
Zostawmy na razie płaszczaka i poznajmy innych aktorów. Bakterie, drożdże, komórki rakowe wykazują niesamowite zdolności adaptacyjne. Dobrze znane są przypadki nabywania oporności na antybiotyki przez kolonie bakterii. Bakterie bowiem skutecznie korzystają ze znanych mechanizmów poziomego transferu genów czyli zjawiska przechodzenia genów pomiędzy różnymi organizmami, niekoniecznie tego samego gatunku. Potrafią przekazywać sobie DNA łącząc się chwilowo (koniugacja). Mogą również pobierać materiał genetyczny z otoczenia (transformacja) np. z martwej komórki bakterii tego samego lub innego gatunku. Dzięki tym zjawiskom kolonie bakterii, które nie miały styczności z konkretnym antybiotykiem, mogą nabyć oporność na niego, pobierając geny odpowiadające za wytworzenie jej od żywych lub martwych „kolegów”. Czy w 100% może wyjaśnić to dobór naturalny? Nie ma chwilowo dowodów, że jest inaczej, ale za to zaobserwowano kolejne ciekawe zjawisko. Zanim do niego przejdziemy, zaznaczmy jeszcze, że poziomy transfer genów nie ogranicza się do królestwa bakterii. Zaobserwowano go również pomiędzy różnymi królestwami m.in. na linii grzyby – rośliny, rośliny – zwierzęta oraz oczywiście bakterie – grzyby/rośliny/zwierzęta.
Wróćmy jednak do bakterii. Okazuje się, że poddane czynnikowi stresowemu, jak np. antybiotyk lub brak pożywienia, zwiększają tempo mutacji (tak samo wydają się zachowywać drożdże i komórki rakowe). Innymi słowy, gdy są źle przystosowane do otoczenia, są tego „świadome” i próbują to zmienić. Jest to dość kontrowersyjna reakcja, gdyż większość mutacji jest albo niekorzystna, albo obojętna dla organizmu. Kluczowym pytaniem jest jednak czy droga do osiągnięcia satysfakcjonującej adaptacji prowadzi tylko przez losowe procesy czy może przez pewnego rodzaju zrozumienie czego dotyczy określony stresor i w jakich fragmentach DNA należałoby prowadzić eksperymentalne mutacje. Wtedy zwiększone tempo mutacji dałoby się uzasadnić. Nonesens? Taka bakteria ma zdolności kognitywne na poziomie kamienia? Pewnie tak. A jeśli jest inaczej?
Niech przykładem przejawiającym zachowania, które wydają się być sprzeczne z naszą intuicją dotyczącą zasad funkcjonowania komórek, będzie Xenobot. W najprostszej postaci jest to sferyczny zbiór ok. 3000 komórek macierzystych pobranych z zarodka żaby (Xenopus laevis), które miałyby stać się komórkami skóry. Komórki te samoistnie łączą się we wspomniane sfery w roztworze soli. Następnie wykształcają rzęski, dzięki którym mogą się poruszać. Gdy umieści się je na szalce Petriego wypełnionej kolejnymi komórkami macierzystymi (ok. 60000), sfery poruszają się zbierając napotkane komórki w nowe sfery, które, jeśli osiągną odpowiednie rozmiary same uzyskują zdolność ruchu i tworzenia kolejnych. Kinematyczna samoreplikacja zakończona, sen von Neumann ziszczony, tadam! Niewielu spodziewało się takich zdolności po grupie prostych komórek prawda?
Przyjrzyjmy się jeszcze przez chwilę rodzinie pewnego szczura, której losy przedstawią nam gałąź nauki zwanej epigenetyką. Dotyczy ona badań zmian ekspresji genów, które nie są związane z bezpośrednimi zmianami w sekwencji DNA, a z modyfikacjami cząsteczek chemicznych przyczepionych do DNA. Ekspresja ta może być modyfikowana przez czynniki zewnętrzne jak stresory środowiskowe i podlegać dziedziczeniu. Wracając do szczurka, poddawano go wstrząsom elektrycznym zawsze w obecności zapachu wiśni. Zapach ten stał się dla niego wyzwalaczem strachu, a zależność ta była dostrzegalna w jego dwóch następnych pokoleniach (Świat Nauki 8/2022). Czyż nie mógłby to być kolejny zaczątek tezy rozszerzającej teorię Darwina?
Oddajmy jeszcze głos doktorowi hab. Szymonowi Drobniakowi, który w wywiadzie (link pod wpisem) wyjaśnia m.in. kierunki badań, próbujące odpowiedzieć na powiedzmy podobne pytania do moich:
„(…)Epigenetyka, plastyczność fenotypowa, asymilacja genetyczna to są wszystko tematy, które propagatorzy tzw. rozszerzonej syntezy, traktują jako tematy niejako rozszerzające klasyczną teorię ewolucji Darwina, no i asymilacja genetyczna została wielokrotnie wykazana. To jest proces, w którym organizm reagując plastycznie na środowisko ukierunkowywuje swoją np. aktywność w takim kierunku, że później łatwiej jest mu pewne zmiany genetyczne utrwalić na drodze adaptacji. Czyli innymi słowy mówiąc plastyczność fenotypowa chociaż sama w sobie nie prowadzi do dziedziczenia cech nabytych ukierunkowywałaby jakąś przyszłą ewolucję w kierunku powiedzmy sprzyjającym utrwaleniu się jakichś korzystnych zmian genetycznych no i epigenetyka mogłaby tutaj odgrywać dużą rolę, no bo może grać właśnie pierwsze skrzypce w tworzeniu jakichś wzorców plastyczności. Natomiast, no ciągle bardzo mało na ten temat wiemy i to są tak naprawdę raczkujące bardzo badania(…)”
Można by się zastanawiać czy w dzisiejszych czasach stojących pod znakiem boomu AI rozgrzebywanie zagadnień dotyczących mechanizmów ewolucji ma jakikolwiek sens. W mojej ocenie sensu w tym nie brak, a i moment jest doskonały, gdyż właśnie sztuczna inteligencja może dostarczyć nam doskonałych narzędzi do zrozumienia owych mechanizmów. Gdzie jednak w tym rzeczony sens? Odpowiedź wydaje mi się dość prosta. W porównaniu do błyskawicznego postępu technologicznego zmieniającego świat i funkcjonowanie człowieka z prędkością nieznaną dotąd żywym organizmom, nasza ewolucja praktycznie stanęła w miejscu. Szczególnie w społeczeństwach rozwiniętych, w których dobór naturalny w zasadzie przestał działać, pozwalając przekazywać geny nawet najsłabszym czy zupełnie nieprzystosowanym do otoczenia jednostkom. Uważam, więc, iż nieuchronnym stanie się zastosowanie powszechnej inżynierii genetycznej jako jednego z wielu narzędzi pozwalających na szybszą adaptację do wymogów zmieniającej się rzeczywistości i miejmy nadzieję nasze przetrwanie, możliwe, że już w postaci nowego gatunku. Tu właśnie potrzebne wydaje się jak najlepsze zrozumienie m.in. zasad ewolucji, aby uniknąć krytycznych w skutkach błędów inżynieryjnych. Ścieżek, którymi możemy podążać lub zjawisk, z których możemy czerpać inspirację do dalszych badań jest całkiem sporo, co starałem się wykazać na tych kilku z wielu przykładów.
Longer
Artykuł o Xenobotach: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2112672118
Artykuł o zmianie tempa mutacji w odpowiedzi na zewnętrzne stressory: https://www.wired.com/2014/01/evolution-evolves-under-pressure/