Sattuma ja välttämättömyys: voiko evoluutiota ennustaa?

Jos palaisimme ajassa taaksepäin, ensimmäisten eliöiden aikaan ja siirtäisimme vaikkapa yhtä varhaista solua puoli metriä vasemmalle, muuttuisiko mikään? Kun palaisimme omaan aikaamme, olisiko kaikki ennallaan, kenties vain pienin muunnelmin, vai olisiko evoluutio suistunut rajusti uusille raiteille niin, ettei maailmaa enää tunnista samaksi?

Entä, jos palaisimme takaisin aikaan ennen elämän syntyä? Entäpä toiselle planeetalle – kuinka todennäköisesti elämää ylipäätään syntyy, ja onko se samankaltaista vai täysin toisenlaista kuin Maan elämä? (kuva: Nasa)

Historian kulkuun ja sen muuttamiseen liittyvät kysymykset ovat kiehtoneet etenkin kaikenlaisten taiteilijoiden mieltä pitkään, ja teema toistuukin esimerkiksi lukuisissa kirjoissa, tv-sarjoissa ja elokuvissa. Tieteessä niitä on käsitelty vähemmän – luultavasti, koska kauan sitten tapahtuneiden ainutlaatuisten asioiden testaaminen on jokseenkin mahdotonta. Tutkija ei voi perustaa pientä maailmankaikkeutta laboratorioon, kuten velhoyliopiston väki Terry Pratchettin Science of Discworld-kirjoissa tekee, eikä aikamatkustuskaan onnistu. Ne tieteentekijät, jotka asiaan ovat ylipäätään paneutuneet, ovat päätyneet jopa aivan päinvastaisiin, ja silti hyvin perusteltuihin näkemyksiin. Tässä joukossa on sellaisia biologian historian suuria nimiä kuin Stephen Jay Gould ja Simon Conway Morris.

Science of Discworld-kirjoissa velhot puuttuvat luomansa maailman tapahtumiin, ja sopivilla muutoksilla ohjaavat ihmiskunnan kehitystä haluamaansa suuntaan esimerkiksi estämällä tärkeiden henkilöiden varhaisia kuolemia. Olisiko näin voitu tehdä elämän historialle? Näperrellä hieman siellä täällä, ja muuttaa tulevaisuutta haluttuun suuntaan?

Tässä kohtaa törmätään kahteen aivan erilaiseen ajatusleikkiin. Toisessa, jota Stephen Jay Gould esittelee kirjassaan Ihmeellinen elämä, evoluutio on täysin ennustamatonta, ja voi pienestäkin sysäyksestä ajautua aivan erilaisille urille. Hallittuja muutoksia on mahdotonta tehdä, koska liian suuri osa evoluution tärkeimmistä käänteistä on sattuman kauppaa. Yleistyykö uusi mutaatio, vai sattuuko sen ensimmäinen kantaja kävelemään ensimmäisenä elinpäivänään petoeläimen suuhun? Kuoleeko laji muiden mukana meteorin iskiessä, vai sattuuko muutama suojaisaan paikkaan eksynyt yksilö jäämään eloon?

Toinen vaihtoehto on Simon Conway Morrisin ajatus, joka löytyy hänen kirjastaan Life´s solutions: inevitable humans in a lonely universe. Morrisin mielestä konvergenssi on evoluution kantava voima: kaikki eliöt joutuvat vastaamaan suunnilleen samanlaisiin ympäristön asettamiin haasteisiin, ja niihin voidaan vastata vain rajatulla määrällä ratkaisuja. Niinpä Maapallon evoluutio uudelleenkelattuna tuottaisi samantapaisen tuloksen pienin variaatioin, samoin kuin evoluutio toisella planeetalla. Esimerkkinä hän käyttää kamerasilmää, joka on ilmeisesti kehittynyt itsenäisesti vähintään kuudesti.

Konvergenttinen eli samansuuntainen evoluutio tuntuu tosiaan olevan voimakas ilmiö: myös esimerkiksi kalamainen ruumiinmuoto ja eturaajojen muuntuminen siiviksi ovat kehittyneet monta kertaa toisistaan riippumatta. Esimerkkeinä kuvassa tiikerihai, pullonokkadelfiinejä ja Ichthyosaurus-suvun kalaliskoja (kuvat Wikipediasta, paitsi kalaliskot, jotka ovat Nobu Tamuran työtä täältä). Joskus samankaltaisuus voi olla ällistyttävänkin voimakasta.

Kuitenkin on muistettava, että konvergenttisen evoluution esimerkit ovat loppujen lopuksi yleensä varsin läheistä sukua toisilleen: saman kaavan muutoksia. Esimerkiksi kaikki ”kalamaiset” eläimet ovat selkärankaisia. Silmän peruspigmenttien ja mekanismin synty taas on paljon kamerasilmää vanhempi ilmiö: kuusi erillistä kameraa eivät siis syntyneet tyhjästä, vaan samoista raaka-aineista. Entäpä, jos eliöt eivät olekaan läheistä sukua toisilleen? Niveljalkaisista ei ole kehittynyt kaloja, eikä monisukamadoilla ole kamerasilmiä. Samat ongelmat voidaan ratkaista monella eri tavalla.

Juuri tämä onkin Gouldin pointti. Elämän historiassa on nimittäin havaittavissa suuntaus: samalla, kun lajimäärä (diversiteetti) on kasvanut, on rakenteellinen monimuotoisuus (disparaattisuus) vähentynyt. Kambrikaudelta eläinten monimuotoistumisen ensimmäisen räjähdyksen jälkeen tunnetaan valtava määrä pääjaksoja, joista suurin osa katosi hyvin pian. Gould tosin tulkitsi täysin uusien pääjaksojen edustajiksi sellaisiakin fossiileja, joita nykyään pidetään yhä elävien ryhmien varhaisina jäseninä. Kuitenkin lukuisat nykyään elävät muodot ovat muunnoksia vain kourallisesta perustyyppejä. Alla on pieni näyte kambrikauden eläinten monimuotoisuudesta, kuvat ovat täältä.

Gould väittää, että tämä aiemman monimuotoisuuden karsiutuminen on sattumanvaraista, kuin Rooman armeijan päällystön tapa rankaista sotilaita tappamalla satunnaisia miehiä joukosta. Niinpä se anatomisten rakenteiden valikoima, jolle nykyinen elämä perustuu, on myös sattumanvarainen. Jos pienikin historian käänne olisi mennyt toisin, nykyään elävät eliöt voisivat olla kambrikauden oudoimpien merieläinten jälkeläisiä, eikä elämä olisi välttämättä koskaan edes kiivennyt maalle, sivilisaation kehittämisestä nyt puhumattakaan.

Mutta onko näin? Varmasti osittain: suuri osa kokonaisten kehityslinjojen kuolemista on tapahtunut massasukupuuttojen yhteydessä. Niissä olosuhteet ovat olleet poikkeukselliset (meteori-iskun aiheuttamia rajuja ilmaston muutoksia, ilmakehän koostumuksen nopeita heittoja, merten muuttumista hapettomiksi…) eivätkä ”parhaat” ole millään muotoa välttämättä selvinneet. Päin vastoin: erikoistuneimmat, suurimmat, kauneimmat ja näennäisesti täydellisimmät eliöt ovat olleet ensimmäisinä häviäjinä. Mutta siinähän oli jo säännönmukaisuus: eivät sukupuutot voi olla täysin satunnaisia, jos tiedetään pienikokoisten generalistien yleensä selviävän paremmin. Jälkeenpäin voidaan myös katsoa sellaisten eliöiden selvinneen, joilla on ollut jokin onnekas preadaptaatio. Paleontologi Peter Ward on löytänyt runsaasti säännönmukaisuuksia kuolevien ja menestyvien lajien suhteesta ilmakehän koostumuksen muutoksiin, ja esittelee niitä kirjassaan Out of thin air. Gould kuitenkin väittää, että myös mikä tahansa muu historian kulku vaikuttaisi jälkeenpäin katsottuna aivan yhtä loogiselta.

Ei niillä muilla otuksilla niin väliä, toteaa lukija nyt, mutta entä älyllinen elämä? Jos joku kävisi kambrikaudella siirtämässä kiveä, tai vaikka astuisi ensimmäisen selkärankaisen päälle rantavedessä kahlaillessaan, syntyisikö ihmistä tai minkäänlaista sivilisaatiota? Tässäkin Gould ja Morris ovat täysin eri mieltä. Morrisin mukaan alusta aloitetussa maailmassa sivilisaation kehitys olisi lähes väistämätöntä. Gouldin mukaan se taas olisi lähes mahdotonta.

Morrisin näkemystä voitaisiin kritisoida Fermin paradoksin avulla: jos kaikilla elämää ylläpitävillä planeetoilla lähes väistämättä kehittyy sivilisaatioita, missä ne kaikki oikein ovat? Tähän Morris vastaa toteamalla, että vaikka sivilisaation synty elämän kerran synnyttyä olisi väistämätöntä, on elämän synty sen sijaan erittäin epätodennäköistä. Hänen mukaansa on mahdollista, että elämän synnylle on vain yksi tai hyvin harvoja tapoja, jotka vaativat tarkalleen oikeat olosuhteet, joten Maa saattaa olla jopa universumin ainoa elollinen planeetta.

Nyt täytyy myöntää, etten ole samaa mieltä, eikä sitä ole näemmä myöskään Gould. Gould toteaa elämän syntyneen melko tarkalleen heti, kun se on ylipäätään ollut Maan pinnalla mahdollista, ja näin asianlaita tuntuu geologisen todistusaineiston perusteella olevan. Elämän syntyä on jopa arveltu fysikaaliseksi välttämättömyydeksi (Morowitz & Smith) jokaisella sopivat olosuhteet omaavalla planeetalla. Itse olen melko skeptinen tämän suhteen, mutta pidän silti elämän syntyä selvästi todennäköisempänä kuin sivilisaation syntyä. Antoihan Maan tähän mennessä ainoa sivilisaatiokin odottaa itseään liki neljä miljardia vuotta ensimmäisten elämän merkkien jälkeen.

Meillä on siis sekä säännönmukaisuuksia että satunnaisuutta, ja tapahtumia joita voidaan väittää molemmiksi. Koska niiden keskinäisen merkityksen tutkimiseen ei ole toistaiseksi keksitty keinoja, näkemyksiä löytyy laidasta laitaan. Kenties riittävän kehittynyt evoluution tietokonemallintaminen auttaa tulevaisuudessa ratkaisemaan kysymyksen. Voi hyvinkin olla, että muutaman vuosikymmenen päästä tälle alkeelliselle kiistalle naureskellaan. Jos näin on, tahtoisin tosiaan olla näkemässä vastauksen.

Lähteet:

Gould 1991: Ihmeellinen elämä

Morris 2003: Life’s solution: inevitable humans in a lonely universe (luettavissa Google Booksissa)

Pratchett 2003: The science of Discworld II: The globe

Ward 2006: Out of thin air: dinosaurs, birds and earth’s ancient atmosphere