ZIUA DARWIN. Evolutia a murit! Ba nu, evolutia este in actiune!

“Multiplicare si diversificare, fie ca cel mai puternic sa traiasca, iar cel mai slab sa piara” scria Charles Darwin in 1859. Cunoscut popular ca “supravietuirea celui mai adaptat”, acest principiu a fost identificat de Darwin drept singura lege generala dupa care se ghideaza evolutia tuturor organismelor. Acum, la 150 de ani de la publicarea lucrarii “Originea speciilor”, stiinta moderna incearca o completare a premiselor. “Selectia naturala are un ritm de manifestare mult mai mare decat s-ar putea crede – o putem observa chiar in timpul propriei existente”, sustine cercetatorul Richard Lenski, omul care a “privit evolutia in ochi”.

In eprubeta sta viata lumii-ntregi

In urma cu 21 de ani, cercetatorul american Richard Lenski, profesor al Universitatii de Stat din Michigan, a demarat un experiement de laborator, menit sa arunce lumina asupra legilor evolutiei si adaptarii organismelor. Lenski s-a folosit de un singur microorganism, Escherichia coli, prezent in mod obisnuit in intestinul uman, pentru a stabili 12 culturi identice de bacterii, fiecare incapsulata in eprubeta proprie. De la primii pasi ai experimentului si pana in prezent, bacteriile au evoluat, fiind observate indeaproape de cercetator si de colegii sai. Una dintre cele 12 culturi de bacterii urmarite de Lenski a evoluat intr-atat incat a dezvoltat un nou mod de viata, unul atat de eficient, incat efectivul populatiei sale a crescut exploziv, tulburand mediul de cultura lichid in care se afla. Lenski se intreaba chiar daca aceste bacterii ar mai trebui considerate simple E. coli.

Experimentul demonstreaza in ce masura a evoluat biologia evolutionista din vremea lui Charles Darwin si pana astazi. Darwin nu a derulat niciodata experimente pentru a putea observa evolutia in actiune. El credea ca acesta este un proces mult prea lent, ce nu poate fi perceput de oameni, bazandu-si teoriile exclusiv pe vizibilitatea efectelor pe care evolutia le-a indus speciilor in miliarde de ani. In experimentul sau, Richard Lenski a ales sa studieze E. coli, deoarce este vorba despre cel mai bine cunoscut microorganism si pentru ca prezinta avantajul unei dezvoltari rapide, pe baza unei diete cu glucide. In loc sa-si provoace microbii cu variatii de temperatura, asa cum o facea, cu mai bine de un secol in urma, reverendul William Dallinger - un contemporan al lui Darwin -, Lenski a decis sa-i supuna pe acestia unui ciclu de hranire si infometare. Dupa mai multi ani de experiment, 100.000 de mostre pastrate in incubatoare si 45.000 de generatii de E. coli, echipa lui Lenski a putut observa mutatii genetice evidente in cazul urmasilor celor 12 linii initiale, tratati in conditii diferite de cele ale « stramosilor»  lor. Bacteria a evoluat, prin faptul ca noile generatii au crescut cu aproape 75% mai repede decat la inceputul experimentului si, inca inexplicabil pentru cercetatori, s-au dezvoltat pana la de doua ori mai mult decat membrii primordiali.

Profesorul Lenski si miraculosul sau microorganism

In plus, s-a intamplat ceva si mai surprinzator decat aceste reactii, poate predictibile. Intr-una dintre eprubete, bacteriile E. coli s-au comportat asa cum nu era normal s-o faca astfel de microorganisme: efectivul populatiei lor a explodat subit. Amestecul lichid (mediul de cultura) in care Lenski introduce bacteriile este realizat dupa o reteta standard, stabilita cu mai multe decenii in urma, pentru a le permite bacteriilor sa supravietuiasca in conditii de laborator. E coli au nevoie de mici cantitati de fier pentru a trai, insa nu pot asimila atomi liberi din acest element. Lichidul este astfel tratat cu o molecula, denumita citrat (compusul care face lamaile acide), care formeaza cu fierul legaturi chimice, datorita carora E. coli poate absorbi fier. Totusi, citratul nu este asimilat de microb. In mod normal. Pentru ca Lenski a descoperit ca bacteriile absorbeau acum si citratul, consumandu-l. “Mancatorii de citrat” n-au mai trebuit sa sufere de foame atunci cand rezerva de glucoza li se epuiza, consumand in schimb noua hrana. Prima generatie cu aceasta abilitate a aparut undeva, intre generatia 31.000 si generatia 31.500. Pe parcursul urmatoarelor 2.000 de generatii, bacteriile au acumulat noi mutatii care le-au largit abilitatea de a exploata citratul, conducand la o crestere exploziva a populatiei lor.

Acum, Lenski si colegii sai studiaza cu atentie genomul bacteriilor consumatoare de citrat pentru a intelege mai bine diferentele de ADN dintre acestea si bacteriile originale, precum si ce anume le-a convertit la tolerarea unei astfel de diete. Dintre toate cele 12 linii de bacterii, numai urmasii uneia singure au prezentat aceasta capacitate, ceilalti microbi nereusind sa se adapteze in aceeasi maniera.

Selectia nenaturala

Ne imaginam de multe ori ca evolutia nu mai actioneaza astazi. Cel putin nu pentru noi, oamenii. Cu toate acestea, chiar daca nu vizibil, oamenii de stiinta si inginerii au exploatat indelung procesele evolutioniste pentru a imbunatati tehnologia actuala si pentru a inventa lucruri noi. Cercetatorii dezvolta fiinte organice sau le copiaza tiparele evolutive pentru a stimula avansul tehnologic.

Nanotehnologie
La Institutul Tehnologic din Massachusetts, profesorul Angela Belcher se foloseste de virusuri pentru a crea noi materiale utile domeniilor electronic, energetic si medical. Inspirandu-se din modul in care molustele marine isi dezvolta cochilii puternice prin acumularea carbonatului de calciu, profesoara a vrut sa vada ce ar putea manufactura natura daca ar avea la dispozitie intregul tabel al elementelor. Belcher dezvolta materiale la nanoscara, folosind virusul nanoscopic bacteriofag M13, care infecteaza de obicei E. coli. Profesoara amplaseaza aceste virusuri intr-o solutie, in prezenta unui material semiconductor. Factorii mutageni fac ca virusurile sa fie atrase catre suprafata semiconductorului, la anumite niveluri: cele mai « puternice » virusuri sunt selectate in functie de cat de bine se ataseaza de semiconductor, iar cele mai « slabe » sunt indepartate. Repetand acest proces de mai multe ori, se ajunge la dezvoltarea unor virusuri cu o mare afinitate pentru semiconductor. Prin mutatia astfel produsa, Belcher poate stimula dezvoltarea unei “carapace” din material semiconductor in jurul virusului, creand nano-fire. Implicand in procedeu unele materiale, precum aurul si oxidul de cobalt, se produc nano-aliaje. Pana in prezent, virusurile lui Belcher au dezvoltat 40 de nano-materiale diferite destinate utilizarii in baterii, electrozi si in celule fotovoltaice.

Nano-firele profesoarei Belcher

Inginerie
Inainte ca atat de comunele computere de astazi sa fie disponibile, doi pionieri ai evolutiei artificiale, Ingo Rechenberg si Hans-Paul Schwefel si-au incercat norocul in incorporarea strategiilor evolutioniste in creatiile industriale. Prin intermediul mutatiilor si al selectiei aleatoare, Rechenberg a proiectat mai multe aripi aerodinamice de avioane, in timp ce Schwefel a dezvoltat un ajutaj mai puternic pentru motoarele pe propulsie (ajutajul este un tub adaptat la locul de scurgere a unor fluide, pentru a regla debitul). Acum, fostul lor elev, profesorul Thomas Bäck, se foloseste de computere pentru a-si imbunatati creatiile autmobilistice cu ajutorul simularilor evolutioniste. Bäck produce transformari cadrului de otel al caroseriei unei masini virtuale, pentru a imbunatati eficienta utilizarii combustibilului, fara a reduce siguranta. Programul pe calculator calculeaza grosimea metalului in peste 100 de variante si apoi compara toate modelele pentru a selecta proiectul cel mai « adaptat ». Masinile de succes sunt mai usoare si, de asemenea, se comporta bine si in simularile virtuale ale unor coliziuni. In timp ce conflictul de idei este destul de acut intre folosirea unei cantitati mai mici de otel pentru a reduce din greutate si folosirea a mai mult, pentru  o mai buna protectie, Bäck a reusit sa scape de 5 kilograme de otel din caroseria masinilor BMW.

Evolutionismul este folosit pentru a face masinile mai sigure

Comunicatii
In martie 2006, NASA a lansat pe orbita trei micro-sateliti, ca parte a proiectului de Tehnologie Spatiala 5, care are ca obiectiv testarea tehnologiilor miniaturizate pentru folosirea lor in viitoarele misiuni stiintifice. In timpul celor trei luni de operare, satelitii au comunicat cu solul prin intermediul unor mici « arbori » metalici. Arborii sunt, de fapt, antene proiectate prin simulare computerizata « de tip evolutionist », de catre doctorul Jason Lohn de la Centrul de cercetare Ames din California, al NASA. Programul lui Lohn porneste cu o reprezentare virtuala a unui fir indoit, dupa care “imperecheaza” antenele pentru a deveni eficace in emiterea si receptarea semnalelor, in timp ce sunt adaptate pentru a incapea intr-o cutie de numai cativa centimetri. Pentru ca antena sa “evolueze”, Lohn a folosit un “algoritm genetic”, care foloseste selectia, mutatia si recombinarea – amestecul si potrivirea aleatoare a genelor de la doi parinti pentru a produce urmasi cu noi combinatii de caracteristici. In cazul antenelor satelitilor, aceste caracteristici sunt diferitele indoituri si incovoieri ale firului. Potrivit inginerului coordonator de comunicatii al NASA, antenele “evoluate” au functionat fara repros.

Cei trei micro-sateliti NASA ai proiectului Space Technology 5

Electronica
Asa cum este folosita pentru imbunatatirea proiectelor deja existente, simularea evolutionista este de asemenea folosita in inovatii. Doctorul John Koza, profesor consultant al Universitatii Stanford, a folosit programarea evolutionista pentru a reinventa mai bine de o duzina de circuite electrice si transformatoare. Programele sale au creat proiecte similare cu proiecte patentate existente. O inventie, un fel de telecomanda, si-a primit chiar propriul patent. Telecomanda poate fi folosita pentru o gama larga de aplicatii, de la reglarea termostatului locuintei pana la controlarea vitezei de croaziera a autovehicului. Puterea de procesare reprezinta principalul factor de limitare in inventiile evolutioniste. Cu o decada in urma, ar fi durat saptamani pentru multiplicarea circuitelor electrice ale secolului XX, dar acum, computerele noastre sunt suficient de puternice pentru a reinventa mai complicatele dispozitive electronice din secolul XXI si intr-un timp mai scurt. Si, pentru ca viteza de procesare se dubleaza la fiecare zece ani, este foarte probabil sa vedem, in curand, inventii si mai evoluate.

Simularea evolutionista este des folosita in electronica

Robotica
Profesorul Hod Lipson de la Universitatea Cornell construieste masinarii care invata sa mearga. Dar, in timp ce majoritatea masinariilor invata prin incercare si eroare, robotii lui Lipson o fac prin “gandire”. Robotul Starfish incepe prin a-si misca fiecare brat cate putin, pentru a putea intelege felul in care actionarea acestora ii afecteaza miscarea. Acest lucru ii permite robotului sa-si formeze o imagine mentala a sinelui, care il poate ajuta sa planuiasca un tip de miscare, fara a trebui sa testeze daca acesta va functiona. Aceasta pare sa fie si metoda prin care animalele inteligente decid daca o metoda va avea succes, fara a avea nevoie sa o testeze inainte. Lipson a creat, de asemenea, si o populatie robotica de corpuri imblanite, care evolueaza ca raspuns la mutatii aleatoare. Spre deosebire de majoritatea aplicatiilor evolutioniste, prin programare, acestea nu sunt recompensate pentru atingerea unui obiectiv. Pe masura ce corpurile evolueaza, ele se unesc, formand un organism multiplu, ca manifestare a nevoii de a se reproduce. Acest lucru sugereaza ca, atunci cand evolutiei ii lipseste recompensa, obiectivul sau devine multiplicarea. Corpurile multiplicatoare ar putea arunca lumina asupra unei intrebari care l-a inoportunat chiar si pe Darwin: care este originea vietii?

Starfish, robotul care invata sa se miste singur

A murit evolutia?

Se spune despre evolutie ca reprezinta o forta de neoprit a naturii. Insa, in vremurile in care majoritatea oamenilor reusesc sa-si transmita mai departe genele, este oare posibil ca evolutia speciei noastre sa fi ajuns la un punct final? DA si NU.

DA! Steve Jones, profesor de genetica al Colegiului Universitar Londra (foto stanga)
“Selectia naturala, procesul care ar putea stimula in viitor unele transformari ale oamenilor, este, in cele din urma, rezultatul diferentelor mostenite in ceea ce priveste abilitatea de a se reproduce. Selectia naturala are doua mari aspecte. Primul, teoria, este destul de simplu, dar cel practic este mult mai greu. Supravietuirea, astazi, este aproape o certitudine, insa gasirea unui partener este mai complicata. Totusi, rata succesului este mare, mai ales pentru masculi. De fiecare data cand un barbat face sex, el produce o cantitate de sperma suficienta pentru a fertiliza fiecarei femeie din Europa, putand avea, in principiu, mii de copii. Referitor la acest fapt, au existat in istorie si exista inca situatii de indivizi cu mai multe sotii si cu mai multe zeci sau chiar sute de copii. Ce inseamna acest lucru pentru selectia naturala? Inseamna diferente majore si o mare diversitate in succesul de reproducere. Iar orice variatie a abilitatii de atragere a unui partener este materie prima pentru selectie. Acum, tiparul s-a schimbat. Cei mai multi oameni au intre zero si patru copii, marii cuceritori gen Don Juan si Cassanova disparand aproape in totalitate. Daca selectia naturala favorizeaza diversitatea in abilitatea de a supravietui si de a te reproduce, atunci odata ce aceasta diversitate dispare, selectia naturala isi pierde puterea. Punand impreuna supravietuirea si reproducerea se obtine o statistica a oportunitatii selectiei naturale. In lumea dezvoltata, in ultimele cateva secole, a scazut cu aproximativ noua zecimi. Rezultatul: pentru moment cel putin, nu mai exista nicio selectie, iar modelul darwinist s-a terminat. Cu alte cuvinte, cine isi face griji referitor la cum va arata Utopia, ar trebui sa se calmeze, caci o traieste chiar acum.”

NU! P.Z. Myers – profesor de biologie al Universitatii din Minnesota (foto dreapta)
“Este necesar ca doua lucruri sa se intample, pentru ca evolutia umana sa ajunga la final: unul, toata lumea ar trebui sa fie identica din punct de vedere genetic si al doilea, transmiterea ADN-ului de la o generatie la alta ar trebui sa se produca perfect. Prima conditie pur si simplu nu este satisfacuta, in timp ce a doua este fizic imposibila. Aceste conditii reflecta cele doua motoare care determina aspectul a tot ceea ce este nou in timpul procesului de evolutie. Primul este recombinarea genetica. Noi, oamenii, facem acest lucru prin sex. Fiecare copil este produsul amestecului aleatoriu de gene ce provin de la doi indivizi, producand de fiecare data o combinatie genetica diferita. Aceasta este o sursa semnificativa de noi variante si forme: rasa umana este formata din miliarde de oameni si nu exista doi indivizi, cu exceptia gemenilor identici, care sa aiba exact acelasi aranjament al genelor. Iar atata vreme cat parintii variaza, vom continua sa producem copii cu atribute unice. Al doilea motor care mentine lucrurile proaspete in bazinul genetic uman este mutatia. Aceasta este schimbarea pe care o observam in secventa de “litere” din ADN, denumite nucleotide, si este inevitabila. Cel mai comun mecanism prezinta erori la copiere. Nicio masina nu poate fi imuna la greseli, iar acest lucru se aplica si masinariei biologice a celulelor, responsabila de copierea consecutiva, a fiecareia dintre cele trei miliarde de litere din genomul uman, de fiecare data cand celulele se divid. Iar celulele trebuie sa se divida, altfel nu am mai putea produce spermatozoizi si ovule. Celulele noastre sunt foarte bune la copiat, facand numai o eroare la zece miliarde de litere, ceea ce este extrem de bine. Insa, chiar si cu aceasta eficienta notabila, o greseala tot se strecoara o data la trei divizari de celule. Si, de vreme ce au loc cateva sute de astfel de divizari celulare, intre nastere si ejaculare, pentru a produce un spermatozoid, inseamna ca fiecare sperma contine sute de noi mutatii. Majoritatea acestora sunt neutre ca efect, caci putem supravietui multelor erori de copiere pe care le acumulam, dar inseamna ca fiecare dintre noi este un mutant in cel mai pur sens al cuvantului. In ciuda acestui lucru, un argument comun pentru incetarea evolutiei umane este acela ca s-au relaxat constrangerile selectiei naturale odata cu tehnologia si cu sistemele noastre sociale. Acest lucru nu implica insa o stavilire a evolutiei: selectia este o forta conservatoare, care fie impiedica innoirea, fie forteaza expansiunea catorva forme de viata avantajate. Ce inseamna acest lucru? Ca o selectie mai saraca permite o cantitate mai mare de diversitate genetica in cadrul unei populatii. Nu inseamna ca am eliminat selectia; tot ceea ce am schimbat sunt parametrii. Poate ca nu mai este necesar sa-i devansam pe tigrii smilodoni, posesori de colti-pumnal, dar urmasii nostri inca mai trebuie sa deprinda aptitudini care sa le aduca un job bun si sa-i ajute sa-si gaseasca un partener fertil. Selectia poate fi o forta subtila, de care nu se poate scapa. Si ar mai fi un mod de finalizare a evolutiei umane: extinctia speciei. Altfel, evolutia este o proprietate naturala si inevitabila a existentei, prin replicarea sistemelor, si este absurd sa vorbim despre o populatie vie ca despre una care nu evolueaza.”

Spuneti si tu parerea! Crezi ca evolutionismul a murit?

CITESTE SI CELELALTE ARTICOLE DEDICATE ZILEI DARWIN:

• Si totusi cine a fost Darwin?
• Ce nu stia Darwin?
• Caruselul evolutiei: umanitatea la viteza maxima