I naturen har vi aldri to organismer som er genetisk helt identiske, og miljøbetingelsene er aldri helt identiske, de heller, så evolusjonen vil aldri følge nøyaktig samme rute to ganger. Men vi kan også se mønstre, skriver Erik Tunstad.
I naturen har vi aldri to organismer som er genetisk helt identiske, og miljøbetingelsene er aldri helt identiske, de heller, så evolusjonen vil aldri følge nøyaktig samme rute to ganger. Men vi kan også se mønstre, skriver Erik Tunstad.

Kan vi forutsi evolusjonen?

KOMMENTAR: Kan vi forutsi hvor evolusjonen går? Dukker de samme løsningene alltid opp – eller kan de villeste ting skje? spør Erik Tunstad.

Publisert

I et velkjent forsøk med evolusjon, plasserte forskere mus i store innhegninger, noen på brun sand, andre på hvit. Og de utstyrte innhegningen med en hauk, altså et rovdyr som jakter ved hjelp av synet.

Musene ble plukket fra et område der fargen på bakken varierte fra mørkt til lyst. Noen mus levde på lys sand, andre på mørk – og de hadde pelsfarge deretter. Det forskerne ville undersøke, var hvor fort de kunne endre seg. Og det kunne de – fort.

Lyse mus på brun sand ble mørkere etter noen generasjoner, mørke mus på hvit sand ble lysere. Rett og slett fordi rovfuglene luket ut de som var lette å få øye på. En elegant demonstrasjon, altså, av Darwins naturlige utvalg: Er seleksjonspresset høyt nok, er resultatet forutsigbart.

Evolusjonære spørsmål

Vi ser dette overalt i naturen. To organismer som lever under like forhold vil til en viss grad utvikle seg likt. Du får brun pels når det lønner seg, og hvit, når det er hvit som gjelder. Dette stiller oss overfor mange interessante spørsmål.

Sett at miljøet rundt organismene er helt identiske – samme farge på sanden, samme rovfugl og så videre.

Hvis vi setter ut to musestammer som er genetisk identiske (bare hvite, for eksempel), hvordan vil de utvikle seg videre? Vil de følge parallelle evolusjonære stier?

Og to organismer som er svært ulike (mus og, la oss si firfirsler) – hvordan vil de utvikle seg? Vil de komme opp med liknende løsninger på samme problem? Vil de konvergere mot hverandre?

Altså: Hvordan reagerer evolusjonen på miljøet?

Tilfeldigheter eller mønstre?

To profilerte evolusjonsbiologer har investert en del prestisje i hvert sitt svar på slike spørsmål. Den avdøde Stephen Jay Gould skrev – berømmelig – i Wonderful Life (1989): «Hvis du spiller livets videobånd en million ganger … tviler jeg på at noe som likner mennesket dukker opp igjen.»

Video var selve mediet på 80-tallet.

Goulds påstand er enkel. Det er så mange ting som tilfeldigvis kan påvirke utfallet av evolusjonen, så den ville aldri i livet ende opp på samme sted, to ganger etter hverandre: «any replay altered by an apparently insignificant jot or tittle, would have yielded an … outcome of entirely different form.»

Gould avviste altså scenariene jeg beskrev over: I naturen har vi aldri to organismer som er genetisk helt identiske, og miljøbetingelsene er aldri helt identiske, de heller, så evolusjonen vil aldri følge nøyaktig samme rute to ganger.

Det er ikke vanskelig å være enig i dette. Men det er heller ikke vanskelig å se mønstre og tendenser i evolusjonshistorien. Dyr som har utviklet seg under liknende forhold kommer ofte opp med liknende løsninger på samme problem – og ender noen ganger opp med å se nokså like ut.

De klassiske eksemplene er blant mange andre, utviklingen av vinger hos flyveøgler, fugler og flaggermus, eller kroppsform og finner hos fisk, fiskeøgler, delfiner og pingviner.

Dette kan lett bringe oss inn i en ørkesløs diskusjon om hvor likt noe skal være for å kunne kalles likt. Og om hvor sterk denne tendensen evolusjonen har til å forme organismene egentlig er.

Samme løsning på samme utfordring

En som mener den er veldig sterk, er, paradoksalt nok, den mannen Gould skrev om i boka Wonderful Life, evolusjonsbiologen Simon Conway Morris. På 80-tallet var nok Conway Morris nokså enig med Gould, men han har siden gått nokså langt ut på den andre siden. I boka Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe (2003) bøtter han på med eksempler på hvordan naturen gang på gang kommer opp med samme løsning på samme spørsmål. Øyet, for eksempel, er utviklet flere titalls ganger.

Og de som vil ha mer, kan også lese hans neste bok, The runes of evolution (2015) – eller boka til hans meningsfelle George McGee: Convergent evolution – Limited forms most beautiful (2011).

De serverer oss nok av eksempler på at evolusjonen gjentar seg selv.

Eller, vi kan se det på en annen måte: Noen løsninger er rett og slett så mye bedre enn andre, at de vil dukke opp, igjen og igjen, når de samme utfordringene melder seg. Det er lurt å kunne se, og det kan du bare gjøre på et begrenset antall måter.

Likevel er det antagelig også lurt å kunne sanse på andre måter. Lukte, for eksempel. Eller «se» lyder? Eller føle magnetisme? Noen dyr har ekstremt god, og andre temmelig dårlig luktesans, men slett ikke alle kan, som flaggermus og fugler orientere seg ved hjelp av ekkolodd og jordas magnetisme.

Dette kan ha noe å gjøre med det Gould sa: Ingen organismer er i utgangspunktet genetisk identiske (mus og firfirsler er svært ulike – men hva betyr ordet «svært» i denne sammenheng?), og ingen av dem opplever akkurat det samme miljøet.

Så i hvilken grad evolusjonen er forutsigbar, er et spørsmål om vurderinger og graderinger.

Er tilfeldige mutasjoner virkelig tilfeldige?

Evolusjonsbiologen Jonathan Losos forteller i sin bok Improbable Destinies – How predictable is evolution? (2017) at forskerne nå har dratt dette spørsmålet opp fra lenestolen, evolusjonens eventuelle forutsigbarhet blir undersøkt i laboratoriet.

Bakterier har så kort generasjonstid, at man kan studere evolusjon over flere titalls tusen generasjoner iløpet av noen få år. Hvis man for eksempel starter ut med bakterier som er genetisk helt identiske, og lar dem utvikle seg i miljøer som er helt identiske – hva skjer da?

Vil de være helt like etter noen tusen generasjoner, eller vil de ha beveget seg vekk fra hverandre?

Det eneste som ville kunne gi utvikling av ulike typer bakterier under så kontrollerte betingelser, måtte være tilfeldige mutasjoner. Hvis en av bakteriekulturene muterer, og ikke den andre, vil også resultatene bli annerledes.

Så det forskerne faktisk undersøker, er om tilfeldige mutasjonene virkelig er det. Eller om noen av dem er dukker opp oftere enn andre – og dermed, nok en gang, bidrar til å gjøre evolusjonen forutsigbar. Det er determinisme versus tilfeldighet – i en labflaske.

Vi må i rettferdighets navn påpeke at forskerne her undersøker noe annet enn det Gould påsto i sitt tankeeksperiment om hva som kom til å skje «Hvis du spiller livets videobånd en million ganger … ».

Under kontrollerte laboratorieforhold finner vi lite av Goulds ubetydelige «jot or tittle» - og ingen av organismene som evolusjonen jobber på ute i det fri, er genetisk identiske. De har alle en flere milliarder år lang evolusjonshistorie bak seg (tenk mus og firfirsler) – en historie som legger føringer for hva som vil skje videre.

Så Gould kan ha hatt rett, uansett. Og det kan Conway Morris også. Det handler om vurdering av trender og styrker. Vi ser at livet har en tendens til å komme opp med løsninger som likner hverandre – men vi snakker ikke om en naturlov her, vi er langt fra Plancks konstant, for å si det slik…

50 000 generasjoner bakterier

Men, bakterier i labflasker:

En forsker som hadde fulgt sin bakteriekultur gjennom 50 000 generasjoner oppsummerte sine resultater slik: « … evolusjonen er ganske gjentagende … selv om slektslinjene (i de ulike flaskene) selvsagt avvek fra hverandre i flere detaljer, blir jeg slått av at de tilsynelatende følger parallelle evolusjonære stier, de utvikler mange av de samme fenotypiske trekke og til og med identiske genetiske sekvenser …»

Bakteriene følger altså samme rute, i det minste på det makroskopiske plan – men det er fremdeles en del slingringsmonn. Nærmere studier har for eksempel vist at hvis forskerne gjør radikale endringer i bakterienes miljø – endrer næringssubstrat, for eksempel, og tvinger bakteriene til å overleve på en mat de ikke er tilpasset – så ender mange bakteriekulturer opp med å fikse dette – men via forskjellige ruter: De kan ha brukt ulike mutasjoner for å nå samme mål.

Omtrent slik mennesker i Europa og Asia utviklet hvit hud via ulike mutasjoner. Vi er hvite av samme grunn, men på ulike måter.

Og slik både fugler og flaggermus har omdannet forbeina til vinger, men bruker ulike knokler i arm og hånd – og fuglene bruker fjær mens flaggermusa bruker hud. Resultatet likner likevel veldig – begge flyr.

Hvor stiller dette spørsmålet om evolusjonens forutsigbarhet?

Store sprang

Forskeren jeg siterte over, Rich Lenski oppdaget en gang at det ikke alltid er slik at organismene finner svaret på en utfordring: En av hans kulturer hadde gjort et stort evolusjonært sprang – den hadde ervervet evnen til å fordøye citrat. Den hadde kommet opp med en genetisk løsninger på et problem som, så vidt forskerne vet, denne typen bakterie aldri har kommet opp med i løpet av de millioner av år den har eksistert. I løpet av de påfølgende 14 år, dukket da heller ikke denne egenskapen opp hos noen av de andre bakteriekulturene.

Selvfølgelig kan vi tenke oss at hvis Lenski fortsetter å forsøke i noen titalls eller hundretalls tusen bakteriegenerasjoner til – så vil noe skje. Men den genetiske mekanismen bak skiftet synes å være så komplisert – den ene mutasjonen forutsetter en annen som forutsetter en tredje – for så til slutt å gi en fjerde – at det rettferdiggjør å kalle det hele for en «one off» - et engangstilfelle. En tilfeldighet.

Som spurt: Hvor stiller dette spørsmålet om evolusjonens forutsigbarhet?

Det finnes noen løsninger i naturen som dukker opp regelmessig. Øyne, vinger, kroppsform tilpasset svømming.

Og det finnes unike løsninger. Fjær, for eksempel. Eller menneskets ekstremt høye intelligens.

Er slike løsninger så tilfeldige, krever de så spesifikke forutsetninger, at vi ikke kan regne med at de dukker opp igjen – senere i livets historie? Eller for å si det med Stephen Jay Gould – ville mennesket dukket opp igjen, om vi spilte «livets videobånd» en million ganger til? Eller – ville det dukket opp noe annet, som ville fylt vår nisje – den nisjen som finnes for et superintelligent dyr som overtar hele kloden? Hvor likt er likt? Eller ville det ikke dukket opp noe menneskeliknende i det hele tatt? Det får bli temaet for min neste kommentar her på forskning.no. Følg med …