Razvoj evolucijske teorije

Massimo Pigliucci pripoveduje o zgodovini teorij evolucije in se sprašuje, ali je evolucijska biologija kdaj spremenila paradigme.

Evolucija je nedvomno ena najglobljih in najbolj kontroverznih idej, kar jih je kdaj prizadela človeška glava. Knjiga O izvoru vrst je ob izidu pred 150 leti odletela s knjižnih polic in ostaja ena najpomembnejših knjig v zgodovini znanosti. Vendar kljub temu, da so znanstveniki hitro sprejeli Darwinov pogled na svet, ga kar polovica prebivalstva v ZDA še danes ne kupuje, ker se zdi, da spodkopava njihov pogled na to, kdo smo, kje. od koder smo prišli in zakaj smo tukaj. Bil sem tako navdušen, da sem dobil službo. Točno to sem želel narediti. Rad delam z otroki in jim pomagam pri učenju. Ampak zdaj, po le nekaj mesecih, sem že izgorela. Delam veliko ur in vedno sem utrujen. Plača je grozna in otroci so izziv. Ne vem, koliko časa lahko še to počnem.

Toda teorija evolucije, ki jo trenutno sprejemajo znanstveniki, ni nič bolj naravnost 'darvinistična', kot je sodobna fizika 'newtonovska' - in res je celotno področje evolucijske biologije še vedno podvrženo reviziji in širitvi svojih pogledov na zgodovino in povezanost življenja. Ne da bi večina javnosti vedela, je evolucijska teorija od Darwina že šla skozi tri velike spremembe in je sredi četrte stopnje svojega razvoja. Vendar bom trdil, da nobena od teh sprememb ne ustreza konceptu 'premika paradigme', ki ga je predlagal filozof znanosti Thomas Kuhn. Pravzaprav se je edina večja sprememba perspektive evolucijske biologije zgodila takoj na začetku, in sicer s strani samega Charlesa Darwina. Bil sem tako jezen, da bi ga lahko ubil. Bila sem tako jezna, da sem ga hotela ubiti.

Evolucija različici 1.0 in 1.1

Zamisel o evoluciji – torej o bioloških spremembah skozi čas – ni nastala pri Darwinu. V takšni ali drugačni obliki je obstajal že od predsokratskih filozofov in več viktorijanskih avtorjev, vključno z Darwinovim dedkom Erazmom, se je očitno poigravalo s to idejo. Toda evolucija je postala znanstvena teorija šele potem, ko je Darwin artikulirala v Izvor kar je imenoval 'en dolg argument'. (Za pisanje je potreboval več let, k objavi pa ga je spodbudilo dejstvo, da je Alfred Russel Wallace, veliko mlajši naravoslovec, neodvisno prišel do istih zaključkov in se jih pripravljal objaviti.)



Darwinov temeljni vpogled je temeljil na tisočih opazovanjih in dveh načelih: skupnem izvoru in naravni selekciji. Na podlagi svojih podrobnih študij o značaju in porazdelitvi vrst po svetu je Darwin zgradil trden sklep do zaključka, da imajo vsi živi organizmi skupne prednike in so torej med seboj povezani s procesom 'spusta s spremembo'. Toda kaj se je spreminjalo?

Briljanten odgovor je bil: naravna selekcija. Vidite, v biologiji je bilo najtežje razložiti očitno 'prileganje' med organizmi in njihovim okoljem: krila so očitno za letenje, oči za gledanje, pajkove mreže za lovljenje žuželk itd. Ta 'inženirski' vidik bioloških struktur, ta 'za-nost', kot so ga včasih imenovali, je tisto, zaradi česar se toliko ljudi še danes in skoraj vsi v Darwinovem času sklicujejo na inteligentno zasnovo – če je to ura, mora obstajati bil urar; če je krilo, je moral obstajati izdelovalec kril.

Toda Darwinu je uspelo predlagati – in zbrati osupljive dokaze za – nov mehanizem, ki bi biologijo iztrgal iz krempljev naravne teologije in jo pripeljal v kraljestvo znanosti. Ironično je, da ideja o naravni selekciji izhaja iz neposredne vzporednice s človeško usmerjeno selekcijo umetno selekcija (tj. selektivna vzreja živali ali rastlin) – očitno sama vrsta inteligentne zasnove. Darwin je to računal če med živimi organizmi obstajajo dedne razlike glede lastnosti, ki vplivajo na njihovo primernost za okolje (tj. njihovo sposobnost preživetja in razmnoževanja), potem bodo tisti z najprimernejšimi lastnostmi bolj verjetno, da jih bodo prenesli na potomstvo . Posledica tega bo stalen proces padanja s spremembami, pri čemer spremembe niso naključne (kot pogosto napačno navajajo kreacionisti), temveč so v smeri izboljšane sposobnosti organizmov za delovanje v njihovem okolju. Upoštevajte, da je teorijo mogoče izraziti v obliki 'če ... potem ...' - deduktivni sklep, ki bo resničen, če so premise resnične. Kot se zgodi, biologi znova in znova potrjujejo, da so Darwinove premise resnično resnične.

Morda ste opazili, da je ena taka premisa dedovanje : ugodne lastnosti morajo biti dedne, sicer naravna selekcija ne bo mogla povzročiti nobene dolgotrajne spremembe v populaciji. Darwin se je zavedal, da potrebuje teorijo dednosti, ločeno od idej o skupnem poreklu in naravni selekciji. Dednost je dejstvo, kot vsi vemo iz podobnosti med starši in potomci pri vseh vrstah, toda kaj pojasnjuje to dejstvo?

Darwin se je spogledoval z nekaj možnostmi, od katerih nobena ni bila posebej dobra. Nekaj ​​časa je razmišljal o rešitvi, ki jo je na začetku devetnajstega stoletja artikuliral Jean-Baptiste de Lamarck v Franciji, da lahko živa bitja spremenijo svoj videz in vedenje kot odgovor na izzive okolja in da te spremembe nato nekako podedujejo naslednji generacije. To je tako imenovano 'dedovanje pridobljenih lastnosti'. Toda že v Darwinovih dneh so obstajali prepričljivi empirični dokazi, da lamarkizem ni deloval. Darwin je nato predlagal svojo lastno teorijo dednosti, ki je temeljila na ideji, imenovani 'mešano dedovanje' - prav tako nezaželena, ko se soočimo z dejstvi, kot je biolog sam zlahka priznal.

Precej ironično je, da je odgovor na vprašanje dednosti v Darwinovem času izdelal avguštinski duhovnik Gregor Mendel. Mendelove raziskave so bile večinoma prezrte do preloma 20. stoletja, predvsem zato, ker jih je objavil v obskurni reviji in so bile tako malo znane najvplivnejšim biologim tistega časa. Še več, kot bomo videli čez trenutek, se je zdelo, da je Mendelovo delo, ko je bilo ponovno odkrito, celo usodno udarilo darvinizmu.

Pred koncem 19. stoletja že vidimo prvi odmik od darvinizma k temu, kar je znano kot neodarvinizem: tako rekoč evolucijska teorija 1.1. Neodarvinizem je bila zamisel, ki sta jo artikulirala Alfred Russel Wallace (soodkritelj naravne selekcije) in nemški biolog August Weissman, da je lamarckizem definitivno izginil in da mora biti ne glede na to, kakšen bo odgovor na vprašanje dednosti. upoštevajte, da živi organizmi popolnoma ločijo reproduktivne celice (zarodno linijo), ki prenašajo dedovanje po telesnih celicah (somatska linija). Čeprav se je izkazalo, da je Weissmanova ločitev kalčkov in somov daleč od univerzalne (rastline tega ne počnejo), je neodarvinizem postavil temelje za naslednji dve poglavji v zgodovini evolucijske teorije.

Evolucija različici 2.0 in 2.1

Prvotna različica evolucijske teorije je bila v krizi na prelomu 20. stoletja – obdobje, ki so ga zgodovinarji znanosti poimenovali 'mrk' darvinizma. Le malo ljudi je dvomilo o ideji skupnega porekla, vendar naravna selekcija še ni bila sprejeta kot zadosten ali celo pomemben mehanizem za evolucijske spremembe; in potem je bilo tu še mučno vprašanje manjkajoče teorije dednosti. Pravzaprav so se stvari poslabšale takoj po ponovnem odkritju Mendelovega dela, ker se je zdelo, da je diskretna narava mutacij in njihovega dedovanja po Mendelovih zakonih v nasprotju z darvinistično predpostavko, da evolucija poteka s postopnimi spremembami, ki vključujejo kvantitativne (tj. ne diskretne) zastopniki.

Briljantna skupina teoretičnih biologov je združila neodarvinizem in mendelizem v seriji člankov, ki so bili objavljeni med letoma 1918 in 1930. Ronald Fisher, J.B.S. Haldane in Sewall Wright sta pokazala, da ne samo, da ni bilo protislovja med Darwinovimi pogledi in Mendelovim delom, ampak da je bil mendelizem, posplošen s statistično analizo na primer kvantitativno spreminjajočih se lastnosti, dolgo iskana teorija dednosti, ki se je Darwinu izmikala. Evolucija 2.0 je bila rojena!

V naslednjih dveh desetletjih, v poznih 1940-ih in zgodnjih 50-ih, je druga skupina biologov, med njimi Theodosius Dobzhansky, Julian Huxley (vnuk Darwinovega buldoga, Thomas Huxley), Ernst Mayr, George Gaylord Simpson in George Ledyard Stebbins, še razširila naše pogled na evolucijo v več smereh. Njihovo skupno delo je pokazalo, kako lahko mutacija in naravna selekcija povzročita dolgoročne spremembe v fosilnem zapisu; kako v populacijah naravno poteka speciacija, nastanek novih vrst (kljub naslovu knjige se Darwin ni zares lotil vprašanja izvora vrst); in kako je mogoče dokazati (tj. opazovati), da poteka selekcija v sodobnih naravnih populacijah rastlin in živali. Rodila se je tako imenovana 'moderna sinteza' (evolucijska teorija 2.1), ki je še vedno standardni model v biologiji. Temelji na prvotnih Darwinovih načelih z dodatkom matematično-statistične teorije, teorije dednosti in veliko obsežnejše empirične baze, kot so jo Darwin in njegovi sodobniki lahko sestavili.

Evolucija 3.1? Razširjena sinteza

Tako kot je standardni model v fiziki podvržen izzivom in revizijam (pomislite na primer na teorijo strun), je tudi moderna sinteza v evolucijski biologiji pod izzivom. Vse več znanstvenikov – vključno z resnično vašimi – je postalo nezadovoljnih z dejstvom, da trenutna različica teorije ne obravnava ustrezno številnih pomembnih vprašanj. Ti vključujejo vlogo razvojnih procesov v evoluciji, izvor popolnoma novih lastnosti (kot je na primer želvin oklep), vse bolj verjetno možnost tako imenovanega 'mehkega' dedovanja (tj. mehanizmov dedovanja, ki niso odvisni od na DNK) in celo, ali in kako se lahko nagnjenost k razvoju – tako imenovana „razvojnost“ rodu – spremeni med potekom evolucije.

Še več, nekateri evolucijski biologi menijo, da je evolucija veliko bogatejši pojav, kot ga dopušča sodobna sinteza, in vključuje zmožnost naravne selekcije, da deluje ne samo na posamezne organizme, temveč na nižji (gen) in višji (vrsta) ravni. Morda bolj špekulativno, a tudi najbolj zanimivo, nekateri od nas nadaljujemo z raziskavami, ki prvič po Darwinu resno proučujejo možnost, da naravna selekcija morda ni edini naravni mehanizem, ki ustvarja kompleksnost. Zanimivi matematični modeli, izposojeni iz teorije kompleksnosti, nakazujejo, da se zapletene oblike in vedenja lahko ustvarijo 'zastonj' kot nastajajoča lastnost nekaterih vrst nelinearnih sistemov, od katerih so živi organizmi le en primer (drugi primeri vključujejo meteorološke pojave, kot so orkani , in računalniško podprti algoritmi, kot je primerno poimenovana igra 'life').

Prezgodaj je reči, kam te nove smeri evolucijskih raziskav vodijo na tem področju. Nekateri od njih se lahko izkažejo za nedonosne preiskovalne linije in ne bodo preživeli. Druge so se že razmahnile v polna študijska področja, na primer v tako imenovanem 'evo-devo' (za 'evolucijo razvoja'); dobro uveljavljena poddisciplina v evolucijski biologiji, ki izrecno obravnava vprašanje, kako razvojni mehanizmi (kot so interakcije celica-celica in tkivo-tkivo) olajšajo ali ovirajo evolucijski proces.

Tako kot v primeru razprav v fiziki o teoriji strun imamo tudi tukaj znanstvenike, ki jim ni do odkritih špekulacij o novih možnostih, medtem ko se drugi pritožujejo, da ni dovolj empiričnih dokazov za vprašanje domnevne razširjene evolucijske sinteze. . Obe strani imata seveda prav v smislu, da skupaj odražata način, kako znanost običajno poteka. Konservativci potrebujemo, da nas držijo na trnih in trdno zasidrani na podatke; vendar obstaja tudi niša za novi val ki si prizadevajo za revolucijo in poskušajo podreti nove teoretične ovire. Toda tudi ob predpostavki, da smo priča veliki spremembi v konceptualni strukturi evolucijske biologije, ali to pomeni Kuhnovo sprememba paradigme ? Ali je darvinistična biologija kdaj v svoji zgodovini doživela tak premik?

Razširitev brez premika

Po mnenju Thomasa Kuhna v Struktura znanstvenih revolucij (1962) so 'premiki paradigme' zamenjave osrednjih teorij, ki jih znanstveniki uporabljajo za opisovanje sveta. Bolj ohlapno lahko rečemo, da gre za 'temeljne spremembe v perspektivi'. Klasični primeri sprememb paradigem ponavadi prihajajo iz astronomije in fizike. Vključujejo zamenjavo Ptolemajeve astronomije s Kopernikovim sistemom ali prehod iz Newtonove mehanike na Einsteinovo relativnost. Ti pari zagotavljajo dobre primere tega, kar je Kuhn včasih imenoval 'nesorazmerljive' teorije: Ptolemajevega modela sončnega sistema ni mogoče razumeti s kopernikanske perspektive. Pravzaprav je prvi preprosto napačen in je bil opuščen. Podobna situacija je pri newtonskem vs Einsteinov pogled na prostor-čas: togi nespremenljivi medij v Newtonovem primeru, prožna tkanina v Einsteinovem.

Ko pa gre za razvoj evolucijske teorije, vidimo veliko več kontinuitete kot nesorazmernosti. Res je, da so bili deli prvotnega Darwinovega nauka skoraj takoj opuščeni (npr. Darwinove teorije dednosti); toda osrednji koncepti, ki so ustrezali realnosti, so bili ohranjeni in nadgrajeni. Podobno, ne glede na obliko ali obliko, ki jo lahko prevzame razširjena sinteza v naslednjih nekaj letih, bo ostala večina ključnih idej, ki so strukturirale sodobno sintezo iz tridesetih in štiridesetih let prejšnjega stoletja, od osrednje vloge naravne selekcije do matematičnih modelov populacijske genetike. V tem smislu torej ne verjamem, da je evolucijska teorija kdaj doživela pravi premik paradigme. Z eno izjemo.

V Izvor vrst Darwin je celotno poglavje posvetil razpravi o možnih težavah, ki jih je morala premagati njegova teorija, da bi jo sprejela znanstvena skupnost. Veliko prostora je namenil tudi razpravi o idejah Williama Paleyja o inteligentnem dizajnu. Paley je bil naravni teolog in cenjen naravoslovec, ki je zaslovel z argumentom 'ura' za oblikovanje, inteligentno načrtovanje pa je bilo skoraj edina igra v mestu, ko je Darwin pristopil k pisanju Izvor .

Inteligentno zasnovo kot filozofsko idejo je slavno ovrgel že David Hume v svoji Dialogi o naravni veri (1779), vendar je Hume lahko ponudil le verodostojno kritiko inteligentnega oblikovanja, ne pa alternativne razlage za kompleksnost in raznolikost življenja. Ta naloga je bila Darwinov glavni prispevek k človeštvu – in ta alternativna razlaga je bila resnično sprememba paradigme, katere učinki še vedno odmevajo v sodobni 'polemiki' med ustvarjanjem in evolucijo. Opustitev nadnaravnega pogleda na življenje na zemlji v korist razlag, ki temeljijo na naravnih vzrokih, ustvari nesorazmernost – tisto, ki je biologijo končno premaknila s področja naravne teologije in mitologije na področje resne znanosti. Charles Darwin bo letos upravičeno slavljen zaradi tega pomembnega dosežka v zgodovini misli.

Massimo Pigliucci je profesor ekologije in evolucije ter filozofije na univerzi Stony Brook na Long Islandu (New York). Je avtor Osmišljanje evolucije: k skladni sliki evolucijske teorije (Chicago Press, 2006). Njegove filozofske misli najdete na www.platofootnote.org .

Zgodovinski zapis: Leta 1831 hidrografska raziskovalna ladja HMS Beagle odplul na petletno odpravo okoli sveta. Na krovu kot ladijski botanik je bil mladi študent Charles Darwin. Opazovanja, ki jih je zabeležil, in več sto primerkov, ki jih je zbral, so ga na koncu pripeljali do oblikovanja teorije evolucije z naravno selekcijo. Več kot dvajset let je zbiral svoja opažanja in delal na svoji teoriji, preden je končno izdal svojo epohalno knjigo O izvoru vrst leta 1859, letos pred 150 leti.