Κατανοώντας την Εξέλιξη μέσω των Αμμολόφων

Ο Richard Dawkins είναι ταγμένος άθεος και όπως είναι φυσικό δέχεται πολλές επιθέσεις από τους εκκλησιαστικούς κύκλους και ειδικά από τους δημιουργιστές εναντίον των οποίων έχει κηρύξει ολοκληρωτικό πόλεμο. Και δεν είναι μόνον άθεος γραφιάς, αλλά και ενεργός ακτιβιστής. Θυμάστε την πρόσφατή πρωτοβουλία που πήρε, να γεμίσει τα λεωφορεία του Λονδίνου με προτρεπτικά συνθήματα του στιλ: «Ο Θεός πιθανόν να μην υπάρχει/ Οπότε ζήσε τη ζωή σου κ.λ.π.».

Ο Dawkins όμως δεν είναι επαγγελματίας άθεος. Κατά βάση είναι βιολόγος, εξελικτικός βιολόγος, μάλιστα τόσο πολύ εξελικτικός, ώστε να του κολλήσουν την καθόλου κολακευτική ρετσινιά: το «Ροτβάιλερ του Δαρβίνου». Μέχρι πρόσφατα δε, ήταν Professor for Public Understanding of Science στο πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.

Ο Dawkins όμως, πέρα απ’ τους θρήσκους φονταμενταλιστές, οχλήσεις, που ολοένα και πυκνώνουν, δέχεται κι απ’ αλλού, από συναδέλφους του βιολόγους αυτή τη φορά, όπως ανακαλύπτω σε διάφορα συναφή δημοσιεύματα εδώ κι εκεί. Συγκεκριμένα, τα περισσότερα πυρά τα δέχεται για το πρώτο βιβλίο που έγραψε το 1976, με τίτλο «το Εγωιστικό Γονίδιο». και το οποίο του χάρισε μεγάλη και διαχρονική φήμη. Οι κατηγόριες που έρχονται σιγά-σιγά στην επιφάνεια, αφορούν με λίγα λόγια στο ότι ο Dawkins το έχει παρακάνει. Τόσο στο εν λόγω βιβλίο όσο και στα μεταγενέστερα υπερασπίζεται μέχρι θανάτου την Δαρβίνεια ιδέα ότι η επιλογή στο επίπεδο του γονιδίου είναι ο ένας και μοναδικός μηχανισμός της εξέλιξης των ειδών, παρά το γεγονός ότι με τα χρόνια, διάφορα δεδομένα που ήρθαν στο φως, ανέδειξαν κι άλλους τρόπους της εξελικτικής πορείας, πέραν αυτής τού ενός μοναχικού και διαχρονικού γονιδίου, το οποίο όπως περιγράφεται από τον Dawkins, φέρεται να εξυπηρετεί το δικό του και μόνον ατομικό συμφέρον, αγνοώντας το συμφέρον του οργανισμού σαν όλον. Πολλοί πιστεύουν, ότι με την υπερβολική χρήση των μεταφορών και τους διάφορους νεολογισμούς που χρησιμοποιεί, διαστρέφει σε πολλά σημεία τη θεωρία της εξέλιξης, ενώ παρουσιάζει την εικόνα ότι όλα τα προβλήματα έχουν προ πολλού λυθεί. Τον κατηγορούν δε, για μια μυωπική και δογματική αντιμετώπιση της εξέλιξης, που αγνοεί τα τρέχοντα δεδομένα.

Σήμερα όμως γνωρίζουμε ότι ένα γονίδιο εκφράζεται σε συνάρτηση και με άλλα γονίδια του ιδίου οργανισμού, ότι τα γονίδια συχνά μετακομίζουν από τον έναν οργανισμό στον άλλο και αναμειγνύονται μεταξύ τους, (lateral gene transfer), όπως καλή ώρα γίνεται τώρα με τους ιούς των χοίρων που αναμείχθηκαν με τους ανθρώπινους ιούς, οι οποίοι στο παρελθόν είχαν αναμειχθεί με τους ιούς των ορνίθων κ.ο.κ. και ότι η εξέλιξη δεν έγινε με αργό και γραμμικό τρόπο, αλλά υπήρξαν μακρές περίοδοι στάσης οι οποίες ακολουθήθηκαν από σύντομες περιόδους ταχείας εξέλιξης και έκρηξης στην εμφάνιση νέων ειδών. Ο εισηγητής της θεωρίας αυτής, τής κατά διαστήματα διακοπτόμενης εξέλιξης, (Punctuated Equilibria), είναι ο παλαιοντολόγος καθηγητής στο Harvard, Stephen Jay Gould. Αυτόν τον άνθρωπο τον συμπαθώ και για άλλους σημαντικούς λόγους. Μαζί με τον Lewontin, είναι ανάμεσα σε αυτούς, που τάχθηκαν ενάντια στην κοινωνιοβιολογία του O. Wilson και την εξελικτική ψυχολογία, για τις οποίες είχαμε μιλήσει στην ανάρτηση «Το Αόρατο Χέρι των Γονιδίων». Δυστυχώς και αυτός πέθανε νωρίς.


Επίσης γνωρίζουμε ότι τα γονίδια δεν είναι αυτόνομες και αθάνατες μονάδες, αλλά ότι και το περιβάλλον, βάσει της επιγένεσης, έχει σημαντική επίδραση στην έκφραση των γονιδίων, η οποία μπορεί να επιβιώσει των κυτταρικών διαιρέσεων και να μεταβιβαστεί και στις επόμενες, λίγες είναι αλήθεια, γενιές. Φαινόμενα επιγένεσης παρατηρούνται σε φυτά και μύκητες, αλλά γίνεται ολοένα και πιο καθαρό ότι το ίδιο μπορεί να συμβεί και στα ζώα.

Η ιδέα της εξέλιξης, ως μιας αργής διαδικασίας, (gradualism), όπου τυχαίες μεταλλάξεις σε κυτταρικό επίπεδο, οδηγούν δια της φυσικής επιλογής στην επικράτηση της ικανότερης παραλλαγής, έχει τεθεί υπό αμφισβήτηση εξ αιτίας του τέλους στο οποίο θα οδηγηθεί μοιραία η εξελικτική διαδικασία, όταν όλοι οι οργανισμοί αποκτήσουν την μέγιστη ικανότητα προσαρμογής, αλλά και εξ αιτίας της αδυναμίας της να εξηγήσει τις ξαφνικές και μαζικές εξαφανίσεις ειδών, όπως έχουν παρατηρηθεί σε απολιθώματα. Οι εκδοχές ενός ισχυρού εξωτερικού παράγοντα, όπως εκρήξεις ηφαιστείων, πτώσεις μετεωριτών ή κλιματικών αλλαγών, για διάφορους λόγους δεν φαίνονται να είναι πειστικές.


Στο σημείο αυτό θα κάνω μια τούμπα και θα γυρίσω πάλι πίσω στους αμμόλοφους και στο μοντέλο με το οποίο ο ιδρυτής τους Per Bak, πολύ πριν την ώρα του μακαρίτης και αυτός, απέδειξε την δυνατότητα που έχουν κάποια μη γραμμικά συστήματα, ανεξαρτήτως αρχικών συνθηκών ή λεπτών ρυθμίσεων των παραμέτρων τους, να αυτο-οργανώνονται σε μια εκτός ισορροπίας κρίσιμη κατάσταση (self-organized criticality), από την οποία με απρόβλεπτο τρόπο και χωρίς κοσμογονικά εξωτερικά αίτια, (θυμηθείτε τον επιπλέον κόκκο άμμου), να μπορούν να προκύψουν γεγονότα κάθε κλίμακας, από τα πολύ μικρά μέχρι τα πολύ μεγάλα.

Φιλοδοξώντας λοιπόν, ο Bak να ερμηνεύσει την εξέλιξη των ειδών, έχοντας για βοήθεια τη θεωρία του Δαρβίνου στο ένα χέρι, (ότι δηλαδή οι φορείς της εξέλιξης είναι τα ίδια τα άτομα (γονίδια)), και τα απολιθώματα του Stephen Jay Gould στο άλλο, τα οποία έδειχναν προς την κατεύθυνση μιας διακοπτόμενης, παρά μιας συνεχούς, εξέλιξης, έβαλε μπροστά το μηχανάκι και κατασκεύασε διάφορα μοντέλα από το οποία, μετά από πολλές ταλαιπωρίες, τις οποίες περιγράφει γλαφυρά στο βιβλίο του «How Nature Works», κατόρθωσε να δείξει ότι η ο βασικός μηχανισμός της εξέλιξης προέρχεται από τη «συνεργασία» και την αλληλεπίδραση πολλών ειδών ταυτοχρόνως, παρά από το άθροισμα της μοναχικής πορείας κάθε είδους ξεχωριστά, όπως πρεσβεύει η Δαρβίνεια βιολογία. Για παράδειγμα, μια μετάλλαξη που θα οδηγήσει σε καλύτερη προσαρμογή σε ένα είδος, θα έχει επίδραση και στα γειτονικά του στην τροφική αλυσίδα, τα οποία θα αναγκαστούν να αλλάξουν και τη δική τους προσαρμοστικότητα στις νέες συνθήκες.


Στο μοντέλο του ο Bak παρακολουθεί την εξέλιξη Ν ειδών με τον εξής τρόπο. Σε κάθε είδος (species) από τα Ν ενός ορισμένου οικοσυστήματος, αποδίδεται μια ορισμένη προσαρμοστικότητα, (fitness), η οποία εκφράζεται από ένα τυχαίο αριθμό ανάμεσα στο 0 και το 1. Στο επόμενο βήμα το είδος με την μικρότερη προσαρμοστικότητα καθώς και τα δυο γειτονικά του με τα οποία υποτίθεται ότι είναι σε αλληλεπίδραση, ας πούμε τροφική, επιλέγονται για μετάλλαξη ή εξάλειψη, (extinction), και στα οποία αποδίδεται μια νέα τυχαία προσαρμοστικότητα (fitness) ανάμεσα στο 0 και το 1. (Στο συγκεκριμένο μοντέλο όλα τα είδη είναι διατεταγμένα σε ένα κύκλο, ώστε το καθένα να έχει μόνο δυο γείτονες). Η διαδικασία επαναλαμβάνεται στο χρόνο ξανά και ξανά, μέχρις ότου η προσαρμοστικότητα όλων των ειδών υπερβεί ένα κρίσιμο κατώφλι το οποίο στη συγκεκριμένη περίπτωση ισούται με 0.667.

Όταν λοιπόν όλα τα είδη έχουν πετύχει προσαρμοστικότητα μεγαλύτερη του αριθμού αυτού, δηλαδή το οικοσύστημα έχει εισέλθει σε μια κρίσιμη κατάσταση (critical state), συμβαίνει το εξής καταπληκτικό. Κάποια είδη με την μικρότερη προσαρμοστικότητα, που σημαίνει ότι βρίσκονται πολύ κοντά στο κατώφλι του 0.667, μπορεί να μπούνε στη δίνη μιας «χιονοστιβάδας» μεταλλάξεων ή καταστροφών, κάτι που μοιάζει με domino effect. Μετά από έναν τυχαίο αριθμό μεταλλάξεων η «χιονοστιβάδα» μοιραία θα σταματήσει όταν όλα τα είδη, παλιά και νέα αποκτήσουν προσαρμοστικότητα μεγαλύτερη του 0.667. Η κατάσταση αυτή αντιστοιχεί σε περιόδους στάσης της εξελικτικής διαδικασίας.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα χαρακτηριστικό στιγμιότυπο της κρίσιμης κατάστασης, με όλα τα είδη να έχουν fitness μεγαλύτερη του 0.667, εκτός από ένα μικρό αριθμό ειδών τα οποία οδεύουν προς εξαφάνιση, λόγω της επερχόμενης «χιονοστιβάδας». Ο οριζόντιος άξονας δείχνει των αριθμό των ειδών (εδώ το μοντέλο έχει πάρει μόνο 300), και ο κάθετος την τιμή της προσαρμοστικότητας κάθ’ ενός από τα 300 είδη. Η οριζόντια γραμμή αντιστοιχεί στην κρίσιμη fitness ίση με 0.667.

Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά, παράγοντας κάθε φορά και καινούργιες «χιονοστιβάδες» κάθε μια από τις οποίες διαφέρει σε μέγεθος από τις προηγούμενες. Εδώ το μέγεθος υπολογίζεται από το άθροισμα των μεταλλάξεων που είναι υπεύθυνες για την καταστροφή λιγότερο προσαρμοσμένων ειδών και την εμφάνιση νέων, με μεγαλύτερη ικανότητα επιβίωσης. Και όπως αντιληφθήκατε ήδη, καθ’ όσον είστε εξοικειωμένοι με το παιχνίδι των αμμόλοφων, από πρόσφατη ανάρτηση, η κατανομή των «χιονοστιβάδων» αυτών των μεταλλάξεων, ακολουθεί τον γνωστό μας πλέον Power Law, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Σημειώνουμε οτι σε λογαριθμική κλίμακα ο Power Law γίνεται ευθεία με κλίση ίση με τον εκθέτη του.

Το συμπέρασμα λοιπόν είναι ότι καταστάσεις αιφνίδιας εξαφάνισης και εμφάνισης νέων ειδών δεν χρειάζονται συνταρακτικά εξωτερικά γεγονότα, όπως πτώσεις μετεωριτών ή εκρήξεις ηφαιστείων για να συμβούν, αλλά εμπεριέχονται στην δυναμική του ίδιου του οικοσυστήματος. Περίοδοι εξελικτικής στάσης αντιστοιχούν σε μεγάλη fitness, ενώ παραγωγικές από άποψη μεταλλάξεων περίοδοι, αντιστοιχούν σε μικρή fitness, και κατά συνέπεια σε εξαφάνιση. Τέτοια παραδείγματα υπάρχουν άφθονα. Η Κάμβριος περίοδος, 500 εκατομμύρια χρόνια πριν χαρακτηρίστηκε από μαζικές εμφανίσεις ειδών, ενώ η Πέρμια, 250 εκατομμύρια χρόνια πριν από μαζικές εξαφανίσεις, με το 96% των ειδών να έχει «αιφνιδίως» εξαφανιστεί.

Φυσικά όλα τα παραπάνω, δεν είναι παρά ένα μοντέλο, ευφυές δίχως άλλο, το οποίο όμως, παρά την φαινομενική του απλότητα, πιάνει όλα τα βασικά χαρακτηριστικά της εξελικτικής διαδικασίας όπως έχουν αποτυπωθεί στα απολιθώματα, και τα οποία η θεωρία του Δαρβίνου αδυνατεί να εξηγήσει. Η παρατήρηση ότι ευρείας κλίμακας συλλογικά φαινόμενα, τόσο στη Φύση, όσο και στην οικονομία και τις κοινωνίες εμφανίζουν παρόμοια patterns, με κάνει να πιστεύω ότι και η βιολογική εξέλιξη θα μπορούσε να ενταχθεί στο ίδιο σκεπτικό, δηλαδή στην ικανότητα αυτο-οργάνωσης του οικολογικού συστήματος.

Εν κατακλείδι μεταξύ του Richard Dawkins και του Per Bak, θα ψήφιζα με τα τσαρούχια τον δεύτερο!