Nauji algoritmai bei genų analizė parodė: žmonės gali evoliucionuoti atgal

Gyvūnai gali evoliucionuoti atgal – atgauti protėvių turėtus bruožus. Anksčiau mokslininkai manė, kad tai neįmanoma, tačiau nauji algoritmai bei genų analizė parodė, kad taip nutiko driežams, varlėms ir netgi žmonėms.

Aukštai Andų kalnuose per akmenis ropoja besilaukianti driežė. Staiga ji sustoja ir išskečia galines kojas. Pasirodo maža galvytė. Šią supa plona permatoma membrana, kurią motina nedelsdama suplėšo. Po 15 minučių jau kruta trys jaunikliai.

Taip palikuonius veda ši maža driežė bei jos giminaičiai – nuo pat tų laikų, kai prieš 30 mln. metų jų protėviai evoliucionavo taip, kad, užuot dėję kiaušinius, galėtų vesti gyvus jauniklius. Driežų biologinis pokytis buvo toks stiprus, kad manyta, jog grįžti atgal ir vėl dėti kiaušinių nebeįmanoma. Tačiau naujas 2018 m. Čilės ir Australijos mokslininkų atliktas tyrimas parodė, kad kai kurių rūšių driežai tai jau daro.

Šis ir kiti neseni tyrimai atskleidė, kad gyvūnai gali atgauti prieš daugiau nei 100 mln. metų protėvių prarastus bruožus. Vadinasi, evoliucija juda pirmyn ir atgal kur kas daugiau, nei manėme iki šiol. Negana to, šį reiškinį galime pastebėti net ir savo kūnuose.

Buvo manoma, kad prarasti bruožai negrįžta

Gamtoje dažnai vyksta dideli evoliuciniai pokyčiai. Pavyzdžiui, Pietų Amerikos driežai, užuot dėję kiaušinius, pradėjo vesti gyvus jauniklius. Gyvatės neteko kojų, žmonės atsisveikino su uodegomis, o pingvinai nebeskraido. Pasikeitus sąlygoms, tam tikri bruožai gali pasidaryti nebereikalingi ar trukdyti, todėl kartais gyvūnai senų savybių atsikrato.

Buvo manoma, kad jų netenkama visiems laikams. Bent jau taip teigė dėsnis, kurį 1890 m. pasiūlė belgų paleontologas Louisas Dollo (jo garbei ir vadinamas Dollo dėsniu). Pasak šio mokslininko, evoliucija yra negrįžtama.

Nuo tada ši idėja tapo neatskiriama evoliucijos teorijos dalimi. Ir ne šiaip sau: prarastam bruožui atkurti reikia sudėtingo proceso, kurio metu nemažai pakitusių genų turi grįžti į ankstesnes savo versijas. Driežų genai smarkiai pasikeitė tam, kad būtų įmanoma vesti gyvus jauniklius: iš esmės turėjo pakisti gimdos kanalas, smarkiai suplonėti kiaušinio lukštas, išsivystyti placenta bei pasikeisti imuninė sistema taip, kad motinos kūnas neatmestų kūdikio kaip svetimkūnio.

Dollo dėsniu kliautasi daugiau nei 100 metų. Iki šiol mokslininkai tiesiog neturėjo įrankių jam paneigti. Dabar nauji DNR nuskaitymo metodai bei sudėtingi algoritmai leido sukurti išsamų milijonus metų trukusios evoliucijos vaizdą ir atskleisti keletą didžiausių jos paslapčių.

Sudėtingi algoritmai padeda pažvelgti į tolimą praeitį

Šeimos medžiai atskleidžia mūsų ir kitų gyvūnų rūšių praeitį. Iš jų sužinojome, kad tiek mums artimiausi, tiek tolimiausi žinduolių protėviai turėjo kailį. Vadinasi, veikiausiai esame kilę iš kailiniuotų gyvūnų.

Panašia logika vadovaudamiesi 2018 m. Australijos ir Čilės mokslininkai pirmą kartą išsiaiškino, kad kelių kiaušinius dedančių driežų protėviai vedė gyvus jauniklius. Kitaip tariant, evoliucionuodami Pietų Amerikos driežai nuo kiaušinių perėjo prie gyvavedystės, o paskui jų jaunikliai vėl ėmė ristis iš kiaušinių. Netikėtą išvadą mokslininkams pasufleravo tai, kad šeimos medyje kiaušinius dedančių driežų rūšis supa gyvavedžiai.

Metodas atrodo itin paprastas, tačiau tik neseniai tapo įmanoma atlikti tokius tyrimus. Norėdami nubraižyti šeimos medį, mokslininkai pirmiausia turi suprasti visus ryšius, kurie sieja šeimos medžio rūšis. Keturios rūšys sukuria iki 15 galimų šeimos medžio variantų, – ir tai tik pradžia. Toliau mokslininkai turi apskaičiuoti, kuris iš variantų labiausiai tikėtinas. Jie turi atsižvelgti į gyvūnų genus ir kitus aspektus. 10 rūšių gali būti susijusios tarpusavyje 34 milijonais būdų, todėl atrasti labiausiai tikėtiną variantą pasidaro nepalyginti sunkiau. Šiame Pietų Amerikos driežų tyrime naudoti 258 rūšių genai.

Tokios rūšių gausybės DNR analizė dar prieš kelerius metus buvo praktiškai neįmanoma. Dabar jau yra naujų nebrangių DNR sekvenavimo metodų. Rūšių giminystei analizuoti taip pat reikia tiek daug skaičiavimo galios, kad tik dabar galime pradėti tai daryti. Mokslininkų sukurti algoritmai analizavo 500 galimų šeimos medžių (šis procesas gali trukti ne vieną savaitę), kad rastų labiausiai tikėtiną.

Algoritmams mokslininkai pateikė ir duomenis apie išnykusias driežų fosilijas bei kiekvienos rūšies gyvenamąją aplinką. Tai leido nustatyti, kad pirmą kartą nuo kiaušinių dėjimo prie gyvavedystės veikiausiai pereita maždaug prieš 30 mln. metų, kai iškilo Andai. Naujieji kalnai driežus privertė kraustytis taip aukštai, kad jiems teko gyventi vėsesniame ore.

Šaltis pražudo kiaušiniuose besivystančius embrionus. Todėl driežai kiaušinius pradėjo saugoti savo pilvuose iki pat embriono vystymosi pabaigos. Kiaušinio lukštą pakeitė plona membrana, o jaunikliai pasidarė gyvybingi vos gimę. Vėliau dalis driežų persikraustė į šiltesnes žemumas kalnų papėdėse, kur vėl buvo pakankamai šilta kiaušiniams dėti.

Šie driežai – naujausias iš neseniai atrastų Dollo dėsniui nepaklūstančių pavyzdžių. Technologijoms tobulėjant, mokslininkai jų nustato vis daugiau. 2011 m. tyrimas parodė, kad vienos varlių rūšies (jų yra daugiau nei 6 000) atstovams apatiniame žandikaulyje išsivystė dantys. Šio bruožo varlių protėviai neteko mažiausiai prieš 225 mln. metų. Berods, Dollo dėsnį pažeidė ir žmonės. Prieš 89 mln. metų mūsų tolimų protėvių kūnuose du nugaros viršuje esantys raumenys susijungė į vieną. Tačiau vos prieš kelis milijonus metų evoliucija apsigręžė ir raumuo vėl pasidalijo į du.

Netekus bruožo, dauguma genų išlieka

Šie atvejai privertė mokslininkus persvarstyti evoliucijos teoriją. Anksčiau manę, kad konkrečiam bruožui išnykus dingsta ir jo genai, dabar mokslininkai galvoja, jog daugeliu atvejų genai išlieka, tik būna neaktyvūs. Taigi, kol jie egzistuoja, įmanoma atkurti prarastą bruožą. Šio reiškinio pavyzdys – naminiai paukščiai.

Dantų jie neteko prieš daugiau nei 60 mln. metų, tačiau dauguma juos suformuoti galinčių genų išliko. Pakeitę vos vieną geną, mokslininkai gali suaktyvinti visus senuosius genus ir paskatinti dantų augimą. Dantų genai išliko veikiausiai dėl to, kad jie atlieka ir kitas funkcijas, pavyzdžiui, yra svarbūs formuojantis plunksnoms. Absoliuti dauguma genų dalyvauja daugiau nei viename procese.

Atsakymas – genų aktyvumas

2019 m. tarptautinė mokslininkų komanda analizavo dvi artimas kininių driežų rūšis. Vieni iš jų deda kiaušinius, o kiti veda gyvus jauniklius. Mokslininkai nustatė, kurie genai atsakingi už šiuos skirtumus, ir atidžiai juos ištyrė. Rezultatai buvo netikėti: paaiškėjo, kad genetiniu požiūriu perėjimas nuo kiaušinių dėjimo iki gyvavedystės nėra labai sudėtingas.

Daugiausia skyrėsi šių dviejų rūšių genų aktyvumas. Už kiaušinio lukštą atsakingus genus turi ir gyvavedžiai driežai, tačiau jie gerokai silpniau išreikšti. Kadangi tie genai vis dėlto yra, grįžti prie kiaušinių dėjimo nebuvo toks radikalus žingsnis, kaip manyta.

Šią išvadą palaiko ir tai, kad nuo gyvavedystės prie kiaušinių dėjimo perėjo ir kai kurios gyvatės. Dauguma smauglių nustojo dėti kiaušinius ir dabar veda gyvus jauniklius. Visgi arabinis smaugliukas dėl maisto medžiagų trūkumo vėl pradėjo dėti kiaušinius. Tai nustatė Jeilio universitete (JAV) atliktas didelis tyrimas, kurį vykdantys mokslininkai nubraižė 41 smauglių rūšies šeimos medį.

Australijoje gyvenantys scinkai Saiphos equalis gali dėti kiaušinius ir vesti jauniklius. Arti kranto šios rūšies atstovai deda kiaušinius, o kalnuose veda gyvus jauniklius. Tai, kad tos pačios rūšies gyvūnai gali elgtis taip skirtingai, pagrindžia teoriją, kad milžiniški evoliuciniai pokyčiai galimi be radikalaus genų pasikeitimo.

Embrionuose galima pamatyti senus bruožus

Iš keturkojų sausumos gyvūnų atsiradę banginiai ir delfinai ankstyvojoje embriono stadijoje turi galinius pelekus. Paprastai jie pranyksta prieš gimstant, tačiau pasitaiko išimčių.

Šeštąją embriono raidos savaitę žmonėms atsiranda uodega. Vėliau ji sunyksta, tačiau ir čia pasitaiko išimčių. Žinomi keli uodeguoti gimę vaikai, o mokslininkai vis dar nesutaria, kaip ir kodėl uodegos susiformuoja. Žmogaus embrionai liudija ir dar senesnį bruožą – žiaunas, nors mūsų protėviai jų atsisakė prieš daugiau nei 350 mln. metų.

Senovinių bruožų išlikimas palieka galimybę, kad ir ateityje regėsime stulbinamų gyvūnų evoliucijos atvejų.

Dinozaurai grįžta

Pastaraisiais metais mokslininkai bandė išsiaiškinti, ko visgi reikia, kad gyvūnų evoliucija apsigręžtų. Kai kurie pokyčiai gali pasirodyti besą tokie paprasti, kad nė nereikalingas mūsų įsikišimas – visai taip, kaip nutiko su kiaušinius vėl dedančiais driežais bei apatinius dantis turinčiomis varlėmis.

Paukščiai kadaise evoliucionavo iš dinozaurų ir nuo tada smarkiai pasikeitė. Jie neteko dantų, tačiau tam, kad jie vėl imtų augti, užtenka mažyčio dviejų genų aktyvumo pokyčio. Mokslininkai žino natūralią mutaciją, kuri tai paskatintų, tačiau ji yra mirtina, todėl mutavę embrionai niekada neišsirita.

Gali būti, kad ateityje nutiksianti mažiau kenksminga mutacija leis dantytiems paukščiams sulaukti brandos. Laboratorijose mokslininkai sukūrė ir mažesnių pakeitimų, kurie paukščių kojų kaulus ir kaukoles padarytų panašius į giminingų dinozaurų, pavyzdžiui, kreidos periodo velociraptorių. Vadinasi, paukščiai turi ne vieną galimybę žengti žingsnį ar du atgal savo tolimų protėvių link.

Atrodo, kad būtent tokį žingsnį žengė Pietų Amerikoje gyvenantys paukščiai hoacinai. Dauguma sparnuočių turi tik mažus nagus sparnų galiukuose arba neturi jokių, o hoacinų jauniklių nagai primena turėtus protėvių. Dabar mokslininkai spėja, kad anksčiau evoliucionuodami hoacinai jų buvo netekę, bet atsiaugino, nes jaunikliams nagai praverčia laipiojant medžiuose.

Naujausiame „Iliustruotojo mokslo“ numeryje skaitykite