Az evolúció visszafelé is haladhat

A karácsonyi páfrány (Polystichum acrostichoides) szétnyíló feje.

Fotó: Jacob S. Suissa

Képzeljük el, hogy a dédszüleink, nagyszüleink és szüleink egymás mellett lévő fotóját nézzük. Látjuk a hasonlóságot, de minden egyes generáció másként néz ki elődeihez képest. Ez az evolúció folyamatának legegyszerűbb formája: leszármazás változással.Sok generáció során elképesztő mennyiségű változás lehetséges. Így jött létre a Földön az élet diverzitása. Ezt az elképzelést azonban sokáig félreértették, úgy értelmezték, hogy ez az út egy irányba vezet: „magasabb”, vagy „jobb” organizmusokhoz.

Például Rudolph Zallinger híres 1965-ös Time-Life illusztrációja „Az út a Homo sapienshez” azt mutatja, hogy az emberek lépésről lépésre fejlődtek a majomszerű ősöktől a modern emberig. Kiterjesztve ezt nézőpontot az embereken túlmenően, az ősi életről való korai paleontológiai elméletek alátámasztották az ortogenezis (egyenesvonalú fejlődés), azaz a „progresszív evolúció” fogalmát, melyben egy családfa minden egyes generációja kifinomultabb, vagy optimizált formák felé halad. De az evolúciónak nincsen célja. Nincsen végcél, nincsen végső állapot. Az organizmusok természetes szelekcióval fejlődnek egy konkrét geológiai pillanatban, vagy egyszerűen bármely irányba való erős szelekció nélküli sodródással. 

A karácsonyi páfrány (Polystichum acrostichoides) szétnyíló feje. Az evolúció visszafelé is haladhat, például a  páfrányok képesek visszafelé fejlődni.
Fotó: Jacob S. Suissa / The Conversation

 

Nincs „helyes” irány az evolúcióban, nincs egy végcélhoz vezető út

Egy nemrégiben publikált tanulmányban Jacob S. Suissa, a Tennessee-i egyetem biológusa és Makaleh Smith azt tanulmányozták, hogy a reproduktív evolúció egyirányú modellje mindig igaz-e a növényeknél. Ellenkezőleg, azt találták, hogy sok páfrányfajnál - az egyik legrégibb növénycsoport a Földön - a reproduktív stratégiák evolúciója kétirányú utca, a növények időnként visszafelé, kevésbé specializált formákba fejlődnek.

 

Az evolúció útja nem lineáris

A szelekciós nyomások egy pillanat alatt megváltozhatnak és az evolúciót váratlan irányokba vezethetik.Vegyük például a dinoszauruszokat és az emlősöket. Több, mint 150 millió éven át a dinoszauruszok erős szelekciós nyomást gyakoroltak a jura időszaki emlősökre, melyeknek kicsiknek kellett maradniuk és a föld alatt kellett élniük, hogy elkerüljék, hogy a kihalásig vadásszák őket. Aztán, körülbelül 66 millió évvel ezelőtt a Chicxulub aszteroida eltörölte a legtöbb nem-madár dinoszauruszt. A kis emlősök hirtelen mentesültek az erős szelekciós nyomás alól és a föld felett éltek, és végül nagyobb formákká fejlődtek, például emberekké.

Bonacynodon schultzi, a modern emlősök egy őse, a triász időszakban a dinoszauruszok árnyékában élt, a mai Brazília területén
Fotó: The Conversation

1893-ban Louis Dollo, belga paleontológus meghonosította azt az elképzelést, hogy amint egy organizmus egy bizonyos pontig fejlődik, nem tér vissza korábbi állapotba ugyanolyan módon, ahogyan fejlődött – még ha az egykor megtapasztaltakkal azonos feltételekkel is találkozik is. A Dollo-törvény azt jelenti, hogy a specializáció nagyrészt egyirányú út: az organizmusok komplexitásrétegeket halmoznak fel, ami lehetetlenné tesz a visszafelé evolúciót. Bár a Dollo-törvényt kritizálják és nagyrészt ki is kopott a köztársalgásból, ez a nézőpont még ma is hatással van a biológiai szemléletre.

 

A növények és a haladás útja

A múzeumok gyakran úgy ábrázolják az állati evolúciót, mint magasabb állapotok felé való egyenesvonalú haladást, de ez megjelenik a növények reprodukciós evolúciójáról való oktatában is. A legkorábbi edényes növényeknek - azok, melyeknek olyan szövetei vannak, amik a vizet és az ásványokat keresztülmozgatják a növényen – levéltelen, szárszerű struktúráik vannak, a csúcsain spóratokkal, amik spórákat termelnek. A szárszerű struktúrák két feladatot látnak el: fotoszintézissel energiává alakítják a napfényt és felszabadítják a spórákat, hogy új növényeket hozzanak létre.

Egy kihalt edényes növénycsoport, a Cooksonia rekonstrukciója, szárszerű struktúráinak csúcsán spórákkal.
Fotó: The Conversation

A fosszíliák azt mutatják, hogy a növények az idők során specializáltabb struktúrákat fejlesztettek, amik ezt a két funkciót szétválasztották. A családfákon keresztülhaladva, a spóratermőktől a páfrányokon át a virágzó növényekig, a szaporodás egyre specializáltabbá vált. A virágot gyakran úgy ábrázolják, mint a botanikai evolúció végcélja. 

Növényvilág szerte, amint a fajok olyan reproduktív struktúrákat fejlesztettek, mint a magok, a tobozok és virágok, nem tértek vissza egyszerűbb, differenciálatlan formákhoz. Ez a mintázat alátámasztja a reproduktív komplexitás progresszív növekedését. De a páfrányok fontos kivételek.

 

Fejlődés, de nem mindig előre

A páfrányoknak sok szaporodási stratégiájuk van. A legtöbb faj a spórafejlődést és a fotoszintézist egyetlen levélfajtán kombinálja, ez a stratégia az úgynevezett monomorfizmus. Mások szétválasztják ezt a funkciót, van egy levélfajta a fotoszintézisre és egy másik levélfajta a szaporodásra, ez a stratégia az úgynevezett dimorfizmus.

A monoform hólyagpáfrány (Cystopteris bulbifera) ugyanazokat a leveleket használja a fotoszintézishez és a spóratermeléshez.
Fotó: Jacob S. Suissa / The Conversation

Ha a növényeknél széles körben látott specializáció mintázata univerzális volna, azt várnánk, hogy amint egy páfránycsalád kifejlesztette a dimorfizmust, nem változtatja meg a folyamatot és tér vissza a monomorfizmusra. A kutatók azonban természetrajzi gyűjtemények felhasználásával és algoritmusokkal felmérték a páfrányok evolúcióját, és felfedeztek kivételeket a mintázat alól. A bordapáfrányok családjában (Blechnaceae) több olyan esetet találtak, ahol a növények nagyon specializált dimorfizmust fejlesztettek ki, de aztán visszatértek az általánosabb monomorfizmushoz.

 

A magok hiánya a páfrányoknak flexibilitást nyújt

Miért lehet a páfrányoknak olyan rugalmas szaporodási stratégiája? A válasz abban rejlik, amijük hiányzik: magvak, virágok, gyümölcsök. Ez megkülönbözteti őket a ma a Földön élő több, mint 350.000 magvas növényfajtól. Képzeljük el, hogy egy termékeny páfránylevelet összezsugorítunk és szorosan egy kis pelletbe csomagoljuk. Ez egy meg nem termékenyített mag – egy nagyon módosult dimorf páfránylevél, egy kapszulában.

A magvak nagyon specializált struktúrák a szaporodási jellemzők sorában, melyben mindegyik az utolsóra épül, létrehozva egy formát, ami olyan specifikus, hogy a visszafordulás majdnem lehetetlenné válik. De mivel az élő páfrányoknak nincsenek magvai, képesek módosítani, hogy a leveleiken hova helyezik a spróratermelő struktúráikat.

A dimorf érzékeny páfrány (Onocela sensibilis) két különálló levelet hoz, az egyiket a fotoszintézishez, a másikat a spóratermeléshez.
Fotó: The Conversation

A felfedezés azt mutatja, hogy a növényeknél nem minden szaporodási specializáció irreverzibilis. Hanem attól függhet, hogy a növény az idők folyamán hány specializációs réteget szerzett.

A mai nagyon gyorsan változó világban fontos lehet tudni azt, hogy mely organizmusok, vagy jellemzők vannak „bezárva”, hogy előre jelezzük hogyan reagálnak a fajok az új környezeti kihívásokra és az ember által rájuk erőszakolt változásokra. Azok az organizmusok, melyek egyirányú úton fejlődtek, híján lehetnek a rugalmasságnak, hogy az új szelekciós nyomásra bizonyos módon reagáljanak és ki kell találniuk új stratégiákat a változáshoz. Az olyan családfáknál, mint a páfrányok, a fajok megtarthatták azt a képességüket, hogy „visszafelé fejlődjenek” még a specializáció után is.

A kutatók azt írják, hogy tanulmányuk kihangsúlyozza az evolúciós biológia egy alapvető leckéjét: Nincs „helyes” irány az evolúcióban, nincs egy végcélhoz vezető út. Az evolúciós út inkább egy kusza háló, vannak ágak, amik divergálnak, mások konvergálnak, és még olyanok is vannak, melyek visszakanyarodnak magukon.

(Forrás: The Conversation: https://theconversation.com/)