"Rewolucje dzięki ewolucji"

Rodney Brooks, guru robotyki i sztucznej inteligencji, jest autorem słynnego, chociaż nieco kontrowersyjnego twierdzenia: „Jeśli tylko posiądziemy dostateczną wiedzę, sami będziemy kierować procesem ewolucji. (…) Nie będziemy już biernymi obserwatorami ograniczanymi prawami darwinizmu i dostaniemy szansę na rzeczywisty udział w ewolucji. W porównaniu z tym nasze przygody z rozszczepianiem atomu będą wyglądały jak dziecinna igraszka.” Czy to możliwe? Aby się o tym przekonać trzeba zrozumieć, że ewolucja jest zjawiskiem, z którym stykamy się niemal na każdym kroku, chociaż nie zawsze to dostrzegamy.

. Karol Robert Darwin (ang. Charles Robert Darwin) ur. 12.02.1809 r. – 19.04.1882 r.

Naturalista i niedoszły lekarz, Karol Darwin, urodził się w Shrewsbury, w Anglii 12 lutego 1809 roku. W 1831 wyruszył na pokładzie okrętu HMS Beagle w pięcioletnią podróż dookoła świata. Jego badania doprowadziły do stworzenia jednego z najważniejszych odkryć naukowych – ewolucji i stworzenia teorii, która ją tłumaczy – naturalnej selekcji. Wyniki swoich badań opublikował w 1859 roku w książce „On the Origin of Species”.

Czym jest ewolucja? Według Karola Darwina i jego zwolenników, proces ten opiera się przede wszystkim na występowaniu zmienności oraz działaniu doboru naturalnego, który preferuje w kolejnych populacjach osobniki lepiej przystosowane do określonych warunków. Oznacza to wzmacnianie takich cech dziedzicznych, które zwiększają szansę przeżycia i wydania zdrowego potomstwa. Czynnikiem selekcjonującym może być dostęp do pokarmu, obecność naturalnych wrogów, czy też po prostu dostęp do partnera.

Rozglądając się uważnie wokół siebie możemy zaobserwować bioróżnorodność otaczającej przyrody, zarówno gatunków jak i całych ekosystemów.

Dowodów na istnienie ewolucji jest bardzo wiele. Dostarczają ich dziedziny nauki takie jak paleontologia, filogenetyka, ewolucyjna biologia rozwoju czy genetyka. Większość ludzi kojarzy ewolucję z procesem bardzo powolnym, co jednocześnie powoduje błędne przeświadczenie, że hipotez ewolucyjnych nie da się zbadać eksperymentalnie.

Tymczasem można podać liczne przykłady ewolucji dokonującej się niejako na naszych oczach. Rozglądając się uważnie wokół siebie, możemy zaobserwować bioróżnorodność otaczającej przyrody, zarówno gatunków jak i całych ekosystemów. Bez trudu możemy odnaleźć gatunki mające organy szczątkowe jak np. zredukowane skrzydła u ptaków zwanych „nielotami”. Niektóre z tych adaptacji są bardzo „młode”. Przykładem są papugi kakapo. Jak napisał D. Adams w książce „Ostatnia okazja by ujrzeć”: „(…) biedny kakapo nie tylko zapomniał jak się lata, ale zapomniał również o tym, że zapomniał”. Ptak ten od czasu do czasu nadal uparcie próbuje wznosić się w powietrze lecz za każdym razem spada jak kamień w dół.

Innych dowodów dostarcza tzw. dobór sztuczny, gdzie selekcjonerem jest człowiek. Darwin wiele czasu poświęcił temu zjawisku, które jest przykładem niezamierzonego eksperymentu ewolucyjnego. Nie każdy wie, że wspólnym przodkiem tak odmiennych roślin jadalnych jak kalafior, brukselka, rzepak, kalarepa, brokuły, gorczyca, jarmuż, biała kapusta – jest jedna roślina – dzika kapusta, Brassica oleracea. Wystarczyło kilka stuleci stosowania prostych technik hodowli i mamy tak bogate menu.

…wspólnym przodkiem tak odmiennych roślin jadalnych jak kalafior, brukselka, rzepak, kalarepa, brokuły, gorczyca, jarmuż, biała kapusta – jest jedna roślina – dzika kapusta, Brassica oleracea.

Wiele gatunków i odmian zwierząt hodowlanych ukształtowano na podobnej zasadzie, szczególnie spektakularnym przykładem są psy, które bez względu na rasę pochodzą od jednego gatunku – wilka, Canis lupus.

Wdzięcznym obiektem eksperymentów ewolucyjnych mogą być bakterie, ponieważ szybko się mnożą. Przemiana pokoleń, która u nas trwa dziesiątki lat, mikroorganizmom może zająć kilka godzin. Daje to nam bardzo cenną możliwość obserwowania zmian w czasie o wiele krótszym niż ludzkie życie.

Pierwszy istotny eksperyment ewolucyjny na mikroorganizmach przeprowadził w latach 80. XIX w. W.H. Dallinger. Założył prostą hodowlę bakterii wrażliwych na wysokie temperatury, którą umieścił w 15,5ºC. Następnie stopniowo zmieniał warunki podnosząc temperaturę o kilka stopni, za każdym razem dając bakteriom sporo czasu na przystosowanie – przeżycie i rozmnożenie się osobników odpornych. Po 7 latach uzyskał szczepy żyjące w temp. 70 ºC.

Bakterie z gatunku Pseudomonas aeruginosa (fot. Alice Liang/New York University, z artykułu Carla Zimmera “Watching Bacteria Evolve, With Predictable Results”)

a. w normalnych warunkach – bakteria z jedną wicią służącą do poruszania się

b. przystosowane do warunków wymuszonych eksperymentem – osobniki z wieloma wiciami

Współczesny badacz Jao Xavier wraz z zespołem z Memorial Sloan-Kettering Cancer Center przeprowadził w ostatnich latach eksperyment (wyniki opublikowano w 2013 r. w Cell Reports), którego przedmiotem była wszędobylska bakteria Pseudomonas aeruginosa. Bakterie tego gatunku w określonych warunkach mogą powodować poważne infekcje u ludzi, zwłaszcza u chorych na mukowiscydozę. Pseudomonas aeruginosa mają zdolność ruchu określaną jako „swarming motility”, charakteryzującą się szybkim i skoordynowanym przesuwaniem po powierzchniach. W warunkach laboratoryjnych zaobserwowano adaptację (dzięki kolejnym mutacjom) polegającą na nabyciu niebywałej ruchliwości poprzez zwiększenie liczby wici z 1 do 6. Okazało się, że jest to przystosowanie do sztucznych warunków stworzonych w laboratorium, które umożliwiało lepsze wykorzystanie pokarmu w pożywce. W naszych drogach oddechowych kolonie bakteryjne wydzielają specyficzne substancje dzięki czemu wiążą się z podłożem, tworząc warstwy zwane biofilmami. Biofilmy pojawiają się często w trakcie przewlekłych infekcji i stanowią dodatkową (oprócz głównej – mutacji) ochronę przed antybiotykami. Udowodniono, że bardziej ruchliwe Pseudomonas aeruginosa wykazują mniejszą zdolność do tworzenia biofilmów, dlatego taka adaptacja w naturalnych warunkach nie jest preferowana, naturalna selekcja nie doprowadzi do tak ukształtowanych osobników. Jeśli jednak jakoś udałoby się spowodować, by w organizmie człowieka bakterie zmutowały w kierunku większej ruchliwości, infekcję łatwiej byłoby zwalczyć.

Podobne eksperymenty laboratoryjne nad kierunkowym przystosowaniem do warunków środowiska przeprowadzano również na zwierzętach np. muszkach owocowych czy myszach. Przemiana pokoleń jest w przypadku takich organizmów znacznie wolniejsza, ale również udało się zaobserwować ciekawe wyniki, potwierdzające możliwość szybkich adaptacji.

Ważnym zagadnieniem, budzącym ogromne zainteresowanie w ostatnich latach, jest tzw. ewolucja nowotworów, która przebiega podobnie jak powstawanie nowych gatunków. Rozwój „ewolucyjny” nowotworu oparty jest o dwa główne mechanizmy: zmienność genetyczną pojedynczych komórek jako losowych mutacji oraz naturalną selekcję środowiska działająca na nowo powstające fenotypy. Istotne okazują się również czynniki pozagenetyczne np. modyfikacje epigenetyczne. Tak jak w przypadku osobników w populacji, selekcja eliminuje te komórki nowotworowe w tzw. klonie, które nabywają szkodliwych mutacji a promuje te, w których nabyte zmiany są korzystne: ułatwiają proliferację oraz efektywniejsze przeżycie. Ewolucja jest przyczyną powstawania wielu różnych subklonów komórek nowotworowych, posiadających indywidualną zdolność do powodowania nawrotów choroby i metastazy, np. progresja nowotworu po chemioterapii jest zwykle związana z mutacjami odpowiedzialnymi za nabywanie oporności wielolekowej.

W warunkach in vitro przeprowadza się doświadczenia m.in. na komórkach ludzkich nowotworów, które można np. w ciągu roku uodpornić na cytostatyki (hodowla we wzrastającym stężeniu leku) podobnie jak bakterie na antybiotyki czy temperaturę otoczenia. W ten sposób wyprowadzone i ustabilizowane wysoce oporne tzw. referencyjne linie komórkowe stanowią bardzo cenny model do badań nad przełamywaniem oporności na chemioterapię.

Zatem Rodney Brooks miał rację: powoli uczymy się kierować ewolucją! I to może się okazać prawdziwą rewolucją w biologii i medycynie.

Opinie na temat mechanizmów i przebiegu ewolucji są nadal przyczyną zażartych sporów. Można wymieniać wielu znanych ewolucjonistów jak George C. Williams i Richard Dawkins z jednej strony barykady czy Stephen Jay Gould czy Niles Eldredge z drugiej. Ci pierwsi na pewno podpisaliby się pod słowami Czerwonej Królowej, która w książce L. Carolla „Po drugiej stronie lustra” mówi do Alicji: „(…) aby utrzymać się w tym samym miejscu, trzeba biec ile sił”, za to drudzy byliby oburzeni, gdyż dla nich ewolucja to nie żaden wyścig zbrojeń ale raczej – parafrazując słowa Briana Goodwina – „kreacja przypominająca taniec bez celu”.

Na pewno temat ten wart jest intelektualnej debaty, pomimo emocji, które jej towarzyszą, gdyż jak się okazuje, zrozumienie wielu zagadnień związanych z procesem ewolucji może mieć ogromne znaczenie nie tylko w przypadku rolnictwa czy hodowli zwierząt, ale również medycyny i farmacji. Wiedza o procesach ewolucji, jaką w tej chwili dysponujemy, zmusza naukowców i nauczycieli akademickich do powolnej lecz zasadniczej reorientacji zagadnień medycznych.

Sylwia Borska

Fot. w nagłówku: Max Ruckman