Prírodou inšpirované algoritmy

Základy evolučnej teórie

Evolúcia je zložitý proces, pri ktorom jednoduchšie formy života prechádzajú do zložitejších, vývojovo vyšších a dokonalejších. Darwin formuloval svoju hypotézu, ktorá proces evolúcie vysvetľovala, v čase keď sa o podstate dedičnosti ešte nič nevedelo. Neznalosť genetiky mu spôsobovala značné problémy, ktoré si sám uvedomoval a možno aj preto prijímal z učenia J. B. Lamarcka (1744-1829) náznaky predstavy o dedení získaných vlastností. Ešte za jeho života síce brnenský opát Gregor Mendel (1822-1884) odhalil základné zákony genetiky, ale tieto objavy zapadli na desaťročia prachom zabudnutia. Je jasné, že znovuobjavenie genetiky muselo nutne korigovať určité aspekty Darwinovej teórie. Doplnenie Darwinových predstáv o poznatky modernej genetiky a odstránenie posledných stôp lamarckizmu (tzv. " nová syntéza") sú jediné dve korekcie, ktoré z nej robia to, čo sa niekedy volá neodarvinizmom. Pokúsim sa teraz stručne popísať evolučnú teóriu v súčasnom chápaní, tak ako ju podáva napríklad známy popularizátor darvinizmu Richard Dawkins.

Ak to nebudem zvlášť zdôrazňovať, pojmom druh budem myslieť živočíšny, nie rastlinný druh, pretože aj my ľudia sme "zvieratá", nie rastliny, a o darvinizmus sa zaujímame hlavne preto, že hovorí aj o našom pôvode.

Na úvod však pripomeniem niektoré pojmy genetiky. Informácie o telesnej stavbe jednotlivca sú obsiahnuté v molekulách DNK, z ktorých každá je tvorená dvojicou - lineárne sekvenčných - nukleotidov. Každý nukleotid je tvorený dusíkatou bázou, pentózou (deoxiribózou) a kyselinou fosforečnou. Nukleotidy sa navzájom líšia iba bázami a molekuly DNK všetkých živých organizmov majú len štyri rôzne bázy (adenin, guanin, tymin, alebo cytozin). Elementárnymi jednotkami genetickej informácie sú trojice (triplety) nukleotidov, ktoré určujú (kódujú) poradie aminokyselín v bielkovinách. Triplety predstavujú "abecedu", pomocou ktorej je zapísaná genetická informácia o celom organizme, a preto sa nazývajú aj kodóny. Molekuly DNK sú veľmi dlhé a preto sú väčšinou "zbalené" v chromozómoch. Tie sú obsiahnuté vo všetkých bunkách každého organizmu. Tie úseky, alebo kombinácie úsekov DNK, ktoré nesú jednoznačnú informáciu o vlastnostiach jednotlivca, sa nazývajú gény. Súbor všetkých génov, ktoré jednotlivca definujú, sa nazýva genómom. Kedže zmeny DNK môžu viesť nielen k zmenám v jednotlivých génoch, k ich rekombináciam, ale aj k zmene dĺžky DNK a teda aj k zmene počtu génov, bolo by nepresné hovoriť len o zmenách génov. Preto dávam prednosť výrazu zmena genómu.

Gény nesú obvykle niekoľko alternatív jednej vlastnosti, ktoré sa nazývajú alelami. Príkladom alel môžu byť tie, ktoré zodpovedajú za rôznu farbu očí, alebo za rôzne krvné skupiny. Sada alternatív, ktorú daný jednotlivec nesie vo svojom genóme, sa nazýva genotypom; vlastnosti, ktoré sa v telesnej stavbe jednotlivca naozaj prejavia, sa nazývajú fenotypom. Vzťah medzi fenotypom a genotypom súvisí o.i. s javmi recesie a dominancie, ktoré spôsobujú, že niektoré alely, aj keď sú prítomné v genómoch oboch rodičov, sa neprejavia navonok v potomstve: hnedookým rodičom sa môže narodiť modrooké dieťa (hnedá je dominantná alela).

Vráťme sa teraz späť k vlastnej evolúcii. Živočíšne druhy môžu po mnohé generácie žiť v stacionárnom stave: jednotlivé exempláre sa od seba líšia iba v dôsledku odchýlok medzi génmi (alelami) rodičov, ktoré sa prenášajú z rodičov na deti podľa rigídnych Mendelových zákonov. U jedného sa prejaví jedna z jestvujúcich alel, u druhého iná. Z času na čas sa však vyskytnú v genetickom materiáli rodičov aj mutácie, ktoré môžu (ale nemusia) viesť k objaveniu vlastností, ktoré neboli prítomné v genetickej výbave ani jedného z rodičov, ktoré nie sú prítomné ani v jedinom exemplári daného druhu. Mutácie spôsobujú rôzne faktory, od kozmického žiarenia až po látky prítomné v organizme. Keby nebolo mutácie, vývoj by nebol možný . Mnohé mutácie sú škodlivé, ba až letálne a ak sú dominantné, z genofondu populácie sa rýchlo vytratia. Ak by totiž väčšina mutácií bola škodlivá, život by zakrátko zanikol. Mnohé mutácie sú neutrálne, ale sú aj také, ktoré môžu byť majiteľovi prospešné. Tu treba upozorniť na to, že prospešnosť i neutrálnosť mutácií silne závisí od situácie, v ktorej sa nachádza organizmus, ktorému sa mutácia prihodila. Predĺženie prstov u vtáka, ktorý si zriedkakedy sadne na zem, bude zrejme neutrálne, pre brodivého vtáka však bude asi prospešné. Keďže sa získaná zmena dedí teoreticky neobmedzene dlho, môže sa stať, že sa nositeľ neutrálnej mutácie dostane po dlhej dobe do prostredia, v ktorom mu bude táto mutácia veľmi prospešná. Neutrálnosť, či prospešnosť mutácie je teda vlastnosť relatívna. Tu treba ešte zdôrazniť, že v evolučnom chápaní sa mutácie považujú za náhodné len v tom zmysle, že môžu byť jednotlivcom, ktoré z mutovaných genómov vzniknú, s rovnakou pravdepodobnosťou prospešné ako škodlivé . Keďže mutácie predstavujú náhodné zmeny molekuly DNK, je dosť zrejmé, že veľké mutácie sú menej pravdepodobné, než malé, pretože veľké postihujú väčšie časti molekúl. Preto väčšina mutácií bude spôsobovať malé zmeny fenotypu a preto k väčším zmenám môže dochádzať iba kumuláciou malých zmien. Mnohé mutácie retušuje korektívny mechanizmus počas replikácie DNK, ale napriek tomu je existencia mutácií veľmi dobre potvrdeným empirickým faktom. Darwin účinok mutácií správne vypozoroval pri šľachtení a rýchlo pochopil, že proces evolúcie je proces tvorený selektovanou kumuláciou malých dedičných zmien (v našom slovníku mutácií).

Na tomto mieste treba zdôrazniť, že neznalosť genetiky spôsobovala Darwinovi problém práve preto, že sa domnieval, že znaky rodičov sa spriemerňujú, takže mal ťažkosti pochopiť, ako by sa mutácia mohla udržať po mnohé generácie párenia s nemutovanými partnermi. Pri spriemerňovaní by sa mala predsa za pár generácií stratiť a táto predstava spôsobovala Darwinovi mnohé bezsenné noci. Dnes vieme, že mutácia je trvalá zmena genómu (genetickej výbavy jednotlivca), ktorá sa nemení až do ďalšej mutácie u niektorého z jeho potomkov. Je obdivuhodné, že napriek neznalosti tohoto faktu Darwin neopustil predstavu vývoja kumuláciou malých zmien.

Mutácia sa stane vždy len jedinému jednotlivcovi, t.j. mutácia nie je čosi, čo by postihlo celý druh, či väčšiu skupinu živočíchov. Už jedinou mutáciou sa jednotlivec vydal na cestu, ktorá z neho mohla urobiť predka nového druhu (species), z ktorého sa neskôr mohol stať nový rod (genus), celad (familia), rád (ordo), trieda (classis), či kmeň (phyllum).

Druhá dôležitá, ale pritom triviálne samozrejmá vec je to, že mutácie sa dejú pred rozmnožovaním, počas gametogenézy. V princípe môžu mať rôzne spermie jedného vlka rôzne mutácie. Embryo, ktoré vznikne z mutovaného genómu, s tým počas ďalšieho vývoja nemôže už nič urobiť. Keď dospeje, môže novú vlastnosť podľa Mendelových zákonov odovzdať svojim potomkom, ale nemusí. To sú jediné alternatívy. Mendelove zákony sú "binárne", sú typu áno-nie.

Treťou dôležitou vlastnosťou mutácií je ich vysoká frekvencia, ktorú odporcovia evolučnej teórie zámerne podceňujú. Zdôrazňujú, že pravé mutácie (vsunutie, odstránenie, alebo preskupenie báz nukleotidov) sa vyskytujú v dôsledku pôsobenia enzýmov reparujúcich DNK, s frekvenciou asi len jedného prípadu z milióna na jednu bunku a jednu generáciu. Treba však uvážiť aj počet potenciálnych mutantov. Keby sa aj mutácie vyskytovali hoci len v jedinom potomkovi z milióna, pri počte niekoľko miliónov potomkov jedného druhu by sa mohli vyskytnúť aj viac než raz v každej generácii. A to celkom stačí! Argumentovanie zriedkavosťou mutácií, pri ktorom sa zabúda na obrovský počet jednotlivcov, ktoré sú im vystavené, predstavuje triviálnu logickú chybu! Ak navyše uvážime, že mutácie môžu postihnúť aj regulačné gény, ak zvážime úlohu duplikácií a rekombinácií, netreba sa nijak obávať nemožnosti dramatických zmien za miliardy rokov, ktoré mala evolúcia k dispozícii. Dnes je už potvrdené, že priemerný človek sa rodí asi s 50-100 mutáciami, z ktorých sú asi 3 účinné, t.j. skutočne spôsobujú zmenu proteínu.

Genóm je stavebný plán pre tvorbu embrya. Nemutovaný genóm vytvorí bežné mláďa daného druhu. Mutovaný genóm vytvorí embryo odlišné. Odlišnosť môže byť pre mláďa tak škodlivá, že sa nedožije ani pôrodu, alebo zomrie v mladom veku. Sú aj mutácie, ktoré na mláďati ani nepoznať a nemajú na jeho ďalší život žiaden vplyv – sú úplne neutrálne. Sú však aj také, ktoré mu nejako prospejú. Tu sa musím trocha pristaviť, pretože pojem prospech zvyknú ľudia chápať v rôznych významoch. Prospešná mutácia je taká, ktorá zvýhodní telo, ktoré ovplyvnila, a to pri získavaní potravy a množení. Prospech tu neznamená niečo, o čom by zviera vedelo. O prospechu jednej mutácie nemôže vedieť ani prípadný ľudský pozorovateľ. Pozorovať sa dá obvykle len kumulácia viacerých prospešných mutácií, až po nich je zrejmé, akou telesnou vlastnosťou mutácie jednotlivca zvýhodnili. Zmenou prostredia sa môže pôvodne neutrálna mutácia stať prospešnou, ale i škodlivou.

A tu sa približujeme ku kľúčovému pojmu Darwinovej myšlienky, ktorá sa volá selekcia prirodzeným výberom a objavila sa zhruba takto. Darwin si všimol obrovský prebytok populácie každého druhu. T. R. Malthus (1766-1834) mu iba potvrdil to, čo veľmi dobre vedel aj sám: že populácia každého živočíšneho druhu rastie za prirodzených podmienok geometrickým radom. Zarazil ho nepomer medzi plodnosťou a počtom dospelých jednotlivcov. Jednoduchým výpočtom sa dá zistiť, že len nepatrný zlomok populácie väčšiny druhov sa dožije reprodukčného veku. Toto zistenie znamená, že prežiť v prírodných podmienkach je veľmi ťažké, že pre príliš veľa hladných úst je príliš málo potravy, že je príliš veľa dravcov číhajúcich na vašu nepozornosť, príliš veľa chorôb ktorým sa nedá uniknúť, jednoducho príliš veľa nebezpečenstiev všemožných druhov. Znamená to, že stačí drobná nepozornosť a je po vás. Keď ste divé zviera, musíte mať vo dne v noci oči na stopkách už len kvôli tomu, aby ste vôbec prežili. A keď chcete splodiť potomstvo, máte príliš veľa konkurentov, ktorí túžia po tých istých samiciach.

Túto situáciu nazval Darwin bojom o život. Pripomeňme si slová samotného autora:

"Mal by som hneď na začiatku podotknúť, že termín boj o život používam v širokom a prenesenom zmysle, a zahrňujem do tohoto pojmu závislosť jedného tvora na druhom ... O dvoch psovitých šelmách v dobe hladu sa môže právom povedať, že bojujú jedna s druhou o to, ktorá dostane potravu a bude žiť. Avšak aj o rastline na okraji púšte sa hovorí, že zápasí o život so suchom ... O rastline, ktorá každý rok vytvorí tisíce semien, z ktorých priemerne dospieva iba jedno, môžeme povedať, že bojuje s rastlinami toho istého druhu, alebo iných druhov, ktoré práve pokrývajú pôdu."(O pôvode druhov 1859)

Táto situácia má ten jednoduchý dôsledok, že každá, aj tá najdrobnejšia, najnepodstatnejšia výhoda, výhoda ktorú ani len nevidno, vám môže zachrániť život, môže vám umožniť splodiť aspoň raz v živote potomstvo, ktoré do ďalších generácií ponesie vaše gény. Keby nebolo tej strašlivej konkurencie, keby nebolo boja o život, nebolo by evolúcie, nebolo by pretekov medzi stále rýchlejšími gepardmi a stále pozornejšími Thompsonovými gazelami. Mutácie, ktoré by nikto neselektoval, by boli ako chrústy rozbiehajúce sa z otvorenej papierovej krabice všetkými smermi. Selekcia pôsobí aj dnes a všade. Len ju nevidno tam, kde ju reguluje boj o holú existenciu. Každá odchýlka nevhodným smerom je okamžite vyradená, rovnako ako je naopak v prípade domáceho chovu uchovaná každá odchýlka, ktorá sa páči chovateľovi, či už je zvieraťu prospešná, alebo nie.

Ale platí to aj naopak: každá odchýlka v genóme, ktorá umožní svojmu nositeľovi prežiť a splodiť potomstvo, spôsobí, že sa v potomstve uchová. Keď spôsobí hoci aj nepatrnú a drobnú prednosť, bude v populácii rásť podiel tých, ktorí ju majú. Populácie sú totiž vždy obmedzené: jeden hektár savany s rodinou levov uživí len určitý počet gaziel a preto prežitie jednej znamená, obrazne povedané, zahynutie druhej. Výskyt takmer každého nového znaku, vedie k polarizácii dovtedy rovnovážnej populácie.

Mutácie sú náhodné udalosti. Keď jedna mutácia trocha predĺži nohy, nič nezaručuje, že sa vôbec niekedy objaví iná mutácia, ktorá ich predĺži ešte trochu viac. Nie je však nijak vylúčené, že sa zopakujú mutácie vedúce rovnakým smerom viackrát. Treba si len uvedomiť, že ďalšia mutácia sa už deje v inom tele a s iným genómom. Toto telo je pre mutáciu rovnako "nové" ako bolo to, v ktorom sa uskutočnila predchádzajúca mutácia. Keď sa tá prvá vyskytla s istou nenulovou pravdepodobnosťou, znamená to, že to bola mutácia v princípe možná, že jej výskyt žiadnym prírodným zákonom neodporoval a preto sa s rovnakou pravdepodobnosťou môže vyskytnúť aj tá druhá, rovnako ako pri hodoch kockou môžete dostať viackrát (nie nutne tesne po sebe) rovnaké čísla. Pravdepodobnosť postupnosti nezávislých mutácií je rovnaká ako pravdepodobnosť prvej mutácie! Ale pravdepodobnosť viacerých súčasných mutácií je rovná súčinu ich pravdepodobností: ak by jedna mutácia mala pravdepodobnosť 1/100, súčasný výskyt len dvoch mutácií by mal pravdepodobnosť 1/10000. To je triviálny fakt počtu pravdepodobnosti. Preto sú veľké a súčasné mutácie krajne nepravdepodobné. Mutácie môžu ovplyvňovať rôzne vlastnosti teľa a s veľkou pravdepodobnosťou sa to nebude diať súčasne: jedna mutácia trocha predĺži nohy, o pár ďalších generácií iná mutácia trocha zvýši výkon srdca, o ďalšie generácia sa opäť môžu predĺžiť nohy, neskôr sa trochu zmení štruktúra srsti a tak to môže pokračovať neobmedzene. Dlhodobý účinok malých postupných mutácií vzdialených génov dokonale simuluje veľkú synchrónnu mutáciu. Žiadna mutácia sa neudeje nutne, v každej etape sa môže objaviť mutácia letálna, ale keďže už jestvuje väčšia populácia organizmov, letálna mutácia vykynoží iba malú časť z nich. Takým spôsobom sa môžu hromadiť odchýlky rôznych fenotypových vlastností a pomaly môžu meniť pôvodný druh na iný. Ak sú všetky odchýlky prospešné, ak dokonca ich súčasná prítomnosť podstatne zlepšuje vyhliadky nositeľa, budú v populácii prevládať. To je v stručnosti podstatná myšlienka Darwinovej evolúcie, i keď som ju podal silne zjednodušene a schematicky.