Na skrzydłach wyobraźni

Michał Ostrowski

 

Na skrzydłach wyobraźni

Nowa ewolucyjna koncepcja powstania piór

 

Zgodnie ze starymi, dobrymi propagandowymi wzorcami, klęskę własnych oddziałów wojskowych przedstawiało się jako „wycofanie się na z góry upatrzone pozycje”. Ten eufemizm miał złagodzić wrażenie militarnej klęski i uspokoić własną opinię publiczną. Z ewolucjonistycznym „wycofaniem się na z góry upatrzone pozycje” mieliśmy właśnie do czynienia na jednym z wielu frontów batalii pomiędzy ewolucjonizmem a kreacjonizmem. Front ten leży na strategicznym przejściu dinozaury-ptaki, a jedna z toczonych na nim bitew dotyczyła hipotetycznej ewolucji piór. Wyjściowe pozycje były następujące: strona ewolucjonistyczna (nieprzyjaciel) utrzymywała, że pióra ptaków wykształciły się z gadzich łusek. Był to przez lata kanoniczny pogląd ewolucjonistów, a kto weń nie chciał wierzyć, był ignorantem, głupcem albo człowiekiem złośliwym. Znany polski biolog, Henryk Szarski, tak opisywał przebieg hipotetycznej ewolucji łusek w pióra:

Przekształcenie to [łuski w pióro] polegało na pojawieniu się w łusce szczelin, dzielących ją na liczne, częściowo niezależne odcinki. Dzięki członkowaniu łuska zyskiwała na elastyczności, była mniej łamliwa, a równocześnie mogła być lżejsza i mniej krępowała ruchy. [1]

Po kilkunastu latach następuje jednak kompletne załamanie się tej koncepcji. Doniósł o tym Świat Nauki, polskie wydanie amerykańskiego Scientific American. [2] Już zajawka tego artykułu stanowiła mocny gambit:

Tradycyjny pogląd na to, jak i dlaczego powstały pióra, okazał się błędny. [3]

Cóż, płakać z tego powodu nie będziemy, ale przyjrzyjmy się, co skłoniło autorów do tak zdecydowanego odrzucenia tego, co kiedyś określano jako jeden z „faktów ewolucji”. Otóż stwierdzają oni, że odpowiedzi na pytania o to, z czego wyewoluowały pióra, zaczęły się wyłaniać dopiero w ostatnim pięcioleciu:

Wyniki kilku kierunków badań niezależnie doprowadziły do wniosku, że pióra wykształciły się u dinozaurów, zanim jeszcze pojawiły się ptaki. [4]

Interesująca myśl, zwłaszcza w kontekście tego, że do niedawna ściśle wiązano wykształcenie się piór ze zdolnością do lotu. Prum i Brush jednak bezlitośnie obnażają słabości wcześniejszego poglądu:

Rozwiązanie intrygującej zagadki pochodzenia piór opóźniało się z powodu fałszywych – jak je oceniamy z dzisiejszej perspektywy – założeń. Jednym z nich było na przykład przekonanie, że prapióra wykształciły się w drodze wydłużenia i rozczłonkowania gadziej łuski, oraz powiązanie wczesnej ewolucji piór z lataniem. Na domiar złego brakowało skamieniałości ich prymitywnych form.

(...)

Dzięki najnowszym odkryciom badacze mogli poddać krytycznej ocenie rozmaite wcześniejsze teorie dotyczące pochodzenia piór. Nowe dane z dziedziny biologii rozwoju okazały się szczególnie miażdżące dla klasycznej hipotezy głoszącej, że pióra wyewoluowały z łusek. Zgodnie z tym scenariuszem miały się one najpierw wydłużać, następnie wykształcać postrzępione brzegi, a wreszcie promyki z haczykami i listewkami. Jak się jednak przekonaliśmy, pióro ma kształt rurki. Obie płaskie strony każdej chorągiewki – jej przód i tył – są wytwarzane przez wewnętrzne i zewnętrzne części rurki dopiero wtedy, gdy pióro wyłania się z walcowatej pochewki. Płaskie powierzchnie łuski rozwijają się natomiast z górnej i dolnej części pierwotnego uwypuklenia naskórka, z którego wyrasta. [5]

No tak, kiedy kreacjoniści od lat wskazywali na słabości modelu hipotetycznej ewolucji piór, byli odsyłani do „pokoi bez klamek” – bo przecież „ewolucja jest faktem”. A tu, proszę – sami ewolucjoniści przyznają, że tamten model był błędny. Autorzy wyjaśniają, że osiągnięcia, które zepchnęły w cień tradycyjny model ewolucji piór to, po pierwsze, eksploracja niezwykle bogatego chińskiego skarbca skamieniałości opierzonych dinozaurów, a po wtóre, nowy konik ewolucjonistów – ewolucyjna biologia rozwojowa, w skrócie evo-devo (evolution of development), czyli badanie tego, jak złożone procesy embriogenezy mogły wpływać na ewolucyjny rozwój:

Postęp badań w tych dziedzinach doprowadził do postawienia przełomowej hipotezy: pióra wyewoluowały i zróżnicowały się u dwunożnych dinozaurów drapieżnych, teropodów, zanim powstały ptaki i wykształciły zdolność do lotu. [6]

Ale zanim dowiemy się, jak wygląda najnowsza wersja ewolucyjnej prawdy, warto przedstawić samych bohaterów tego artykułu, czyli różnego rodzaju pióra. A jest co podziwiać. Prum i Brush przybliżają nam ten jeden z cudów natury:

Podobnie jak włosy, paznokcie czy łuski, pióra są przydatkami okrywowymi – tworami skórnymi, które powstają w wyniku kontrolowanego namnażania się komórek zewnętrznej warstwy skóry, czyli naskórka, wytwarzających specyficzne białka strukturalne, keratyny. Typowe pióro zbudowane jest z osi pióra, złożonej z pustej wewnątrz dutki, czyli części osadzonej w skórze, i wystającej nad nią stosiny, od której odchodzą promienie. Każdy z nich składa się z kolei z dwóch rzędów promyków. Upierzenie ptaków jest okresowo wymieniane – w ciągu życia ptak wielokrotnie się pierzy, a podczas pierzenia nowe pióra wyrastają z tych samych brodawek piórowych co stare.

Zróżnicowanie kształtu i mikrostruktury osi, promieni oraz promyków prowadzi do powstania zdumiewającego zróżnicowania piór. Jednak mimo to większość da się zaliczyć do dwóch zasadniczych kategorii. Typowe pióro konturowe ma długą, sztywną stosinę, a promienie tworzą dwie płaskie, zwarte chorągiewki – zewnętrzną i wewnętrzną. Promienie są ze sobą połączone parami wyspecjalizowanych promyków. Promyki skierowane ku wierzchołkowi pióra (haczykowate) mają szeregi maleńkich haczyków zazębiających się z listewkami sąsiednich promyków (łukowatych).

Pióra konturowe dzielą się na pióra okrywowe, pokrywające ciało ptaka, oraz lotki i sterówki, tworzące powierzchnie aerodynamiczne skrzydeł i ogona. Natomiast pióra puchowe mają tylko szczątkową stosinę (niekiedy całkiem jej brak) i skłębiony pęczek promieni z długimi promieniami pozbawionymi haczyków. Puch zawdzięcza swe wyśmienite właściwości izolacyjne długim, splatanym promieniom i promykom, a służy wielu ptakom także jako miękka wyściółka gniazda. Pióra mające stosunkowo długą stosinę i wiotkie promienie chorągiewek to tzw. pióra półpuchowe. W niektórych piórach ich dolna część jest puchowa a druga zwarta.

Zasadniczo wszystkie pióra są odmianami rurki wytwarzanej przez komórki naskórka, namnażające się wokół znajdującej się w środku odżywczej miazgi skórnej – wytworu skóry właściwej. I chociaż pióro jest rozgałęzione jak drzewo, przyrasta do nasady niczym włos. Jak to możliwe? [7]

Wyjaśniając jak to możliwe, Autorzy opisują proces fascynującej dynamiki organizmu budującego w iście inżynieryjnym procesie różne rodzaje piór:

Rozwój pióra zaczyna się od zgrubienia naskórka, zwanego plakodą, które wydłuża się w rurkę – zawiązek pióra. Nierównomierne namnażanie się komórek, tworzących pierścień wokół zawiązka, powoduje pojawienie się walcowatego zagłębienia wokół jego nas brodawki. Namnażające się w naskórku („kryzie”) brodawki i rogowaciejące komórki, keratynocyty, wypychają starsze komórki w górę i na zewnątrz, w efekcie budując całe pióro w skomplikowanym procesie, jednym z cudów natury.

Podczas tego tańca komórek kryza brodawki dzieli się na szereg podłużnych pasm, zwanych listwami promieniowymi, z których powstaną poszczególne promienie. W piórze konturowym rosną one spiralnie dookoła rurkowatego zawiązka pióra i po jednej stronie zrastają się w stosinę. Równocześnie powstają nowe listwy promieniowe po przeciwnej stronie rurki. W przypadku pióra puchowego rosną one prosto, bez składowej spiralnej. W obu typach piór promyki odchodzące od promienia wyrastają ze znajdującej się na obrzeżu jego listwy jednej z warstw komórek, zwanej płytką promykową. [8]

Po tej prezentacji głównych bohaterów swego artykułu, autorzy przechodzą do jego kulminacyjnego punktu – omówienia hipotetycznego modelu ewolucji pióra. I tak składać się miała ona z pięciu stadiów:

1. Rurkowate wydłużenie się plakody z zawiązku pióra i brodawki (autorzy nie wyjaśniają, skąd się wziął zawiązek pióra. Chyba nie powstał, bo np. dinozaur miał dreszcze?). Tak powstało prapióro – nie rozgałęziona pusta rurka.

2. Pierwszy etap specjalizacji: w tym stadium powstał pęk promieni zrośniętych z prostą rurką – dutką.

3. Pojawienie się spiralnego wzrostu listew promieniowych i powstanie stosiny lub rozwój promyków.

4. Pojawienie się zróżnicowanych promyków z haczykami i listewkami, które mogły się łączyć, dzięki czemu powstało pióro konturowe o zwartych chorągiewkach. Dopiero po tym stadium mogło dojść do rozwoju innych wariantów pióra.

5. Specjalizacja rodzajów pióra, jak np. powstanie asymetrycznych chorągiewek w lotkach.

Uzasadniając swoje hipotezy Prum i Brush stwierdzają, że w swoim modelu oparli się na hierarchicznym charakterze rozwoju pióra. Założyli np. że najpierw wyewoluowało proste rurkowate pióro, a dopiero później promienie; pióro puchowe musiało z kolei pojawić się wcześniej niż konturowe ze stosiną. Tu jest właśnie ukryte owo evo-devo. Autorzy po prostu podzielili proces budowy przez organizm pióra na pewne etapy po czym obwieścili, że te etapy dynamicznej konstrukcji odpowiadają właśnie... etapom ewolucji pióra. Prawda jakie to proste? Wystarczy np. podzielić proces powstawania oka w embriogenezie na etapy i stwierdzić, że te etapy mogą odpowiadać etapom ewolucyjnego rozwoju tego oka. Ale prawdziwe kurioza dopiero nas czekają. Oto za poprawnością ich modelu ma przemawiać także:

(...) różnorodność upierzenia współczesnych ptaków, których pióra reprezentują wszystkie przewidywane przez nas fazy rozwoju. [9]

Czyli różnorodne pióra współczesnych ptaków reprezentują wszystkie etapy ewolucyjnego rozwoju. Ale myliłby się ktoś sądzący, że pióra puchowe czy konturowe to są utrwalone etapy tej ewolucji. Otóż pióra najpierw wyewoluowały w pełni po czym... niedawno cofnęły się do wcześniejszych ewolucyjnych stadiów (mają więc charakter atawizmów), ponieważ pełny rozwój ich musiał się dokonać już przed archeopteryksem. A więc pióra najpierw w pełni wyewoluowały przez omawiane etapy, po czym niektóre z nich z powrotem cofnęły się do tych etapów! Przypomina to twierdzenia, że różnego typu oczy – od prostych do bardziej złożonych występujących u różnych zwierząt – reprezentują poszczególne stadia ewolucji oka.

Autorzy jako rozstrzygający argument za poprawnością swojego modelu przywołują nowe dane paleontologiczne:

Chińscy, amerykańscy i kanadyjscy paleontologowie wydobyli ze skał osadowych wczesnokredowej formacji Yixian sprzed 124-128 mln lat w prowincji Liaonging prawdziwy skarb. Dzięki idealnym warunkom panującym podczas ich powstawania zachowały się w nich najróżniejsze pradawne organizmy, w tym najstarszy znany ssak łożyskowy i roślina kwiatowa, całe mnóstwo wczesnych ptaków [patrz: Kevin Padian i Luis M. Chiappe „Skąd się wzięły ptaki”; Świat Nauki, kwiecień 1998] oraz skamieniałości rozmaitych teropodów z doskonale zachowanymi szczegółami powłoki skórnej. Na szczątkach różnych dinozaurów wyraźnie widoczne są zarówno pióra typu współczesnego, jak i rozmaite prymitywne twory tego rodzaju. Wniosek nasuwa się sam – pióra powstały i uzyskały nowoczesną budowę w linii rodowej naziemnych dwunożnych dinozaurów drapieżnych jeszcze przed pojawieniem się ptaków i rozwinięciem przez nie zdolności lotu. [10]

No tak, ale w takim razie narzuca się pytanie, po co naziemnym gadom w pełni rozwinięte pióra? Autorzy wyjaśniają:

Pióra zostały raczej zaadoptowane do pełnienia funkcji aerodynamicznej już po długim okresie rozwoju, wyewoluowały natomiast do jakiegoś innego zastosowania. (...) Pierwsze pióro pojawiło się w toku ewolucji dlatego, że wyrastające ze skóry rurkowate twory dawały jakieś korzyści przystosowawcze. [11]

Jakie korzyści? – spyta dociekliwy czytelnik. Ot, choćby izolacja cieplna, ochrona przed przemoczeniem, pokazy godowe, maskowanie i obrona – wszystkie one są możliwe. Proste jak drut. Wyspecjalizowane struktury typowo awiacyjne wyewoluowały u drapieżnych dinozaurów, bo np. przemókł on kompletnie. Albo chciał zaimponować partnerce kolorowymi piórkami. A może służyły im do łaskotania partnerek po co bardziej wrażliwych i intymnych częściach ciała, zwiększając w ten sposób sukces rozrodczy? A może opadnięte pióra, w świecie bez ptaków, bo ptaków jeszcze wtedy nie było, służyły dinozaurom do znakowania swojego terytorium? „Tu wystarczy tylko wyobraźnia, umiejętność tworzenia bajeczek, jak je nazywa Gould” – wyjaśnia Kazimierz Jodkowski. [12] W porównaniu z tym, stara, dobra teoria o wykształceniu się piór z gadzich łusek w związku z lotem wydaje się być oazą rozsądku i trzeźwego myślenia.

Podsumowując swój artykuł Prum i Brush „wycofują się na z góry upatrzone pozycje”:

Pióra od dawna były ulubionym przykładem kreacjonistów i innych antyewolucjonistów mającym świadczyć o ułomności teorii ewolucji. Wskazywali oni na brak form przejściowych między piórami a łuskami. [Wskazywali słusznie, co jednak Prumowi i Brushowi nie przeszło przez gardło. Autorzy tego artykułu sami ośmieszyli poprzednio wyznawaną ewolucjonistyczną koncepcję, czyli de facto zgodzili się z kreacjonistami w tej kwestii – M.O.] Pytali też, dlaczego dobór naturalny związany z przystosowaniem do lotu miałby najpierw powodować rozczłonkowanie wydłużonej łuski, a następnie prowadzić do ewolucji skomplikowanego mechanizmu mającego ją z powrotem połączyć w jednolitą powierzchnię. [Pytali zasadnie, gdyż sami autorzy omawianego artykułu skrytykowali taką wizję ewolucji piór – M.O.] Jak na ironię losu, pióra stały się teraz doskonałym przykładem, jak należy najskuteczniej badać powstawanie innowacji ewolucyjnych: trzeba skupić się na wykryciu i zrozumieniu znaczenia naprawdę nowych cech i prześledzić mechanizm ich kształtowania się u organizmów współczesnych. [13]

Niestety, uważny czytelnik nie znajdzie tych „doskonałych przykładów powstawania ewolucyjnych innowacji”. Bo trudno za taki uznać zagadkowe pojawienie się ni z gruszki, ni z pietruszki całej gamy nowoczesnych piór u dwunożnych drapieżnych dinozaurów, wraz z niektórymi wariantami upierzenia współczesnych ptaków. Ptaki z kolei wytwarzają rozmaite rodzaje piór („stadia pośrednie” według Pruma i Brusha) do konkretnych, funkcjonalnych zastosowań. Sami autorzy pesymistycznie oceniają:

Nawet w świetle licznych nowych danych paleontologicznych wydaje się jednak mało prawdopodobne, byśmy kiedykolwiek uzyskali wystarczający do wyboru między tymi hipotezami [nt. preadaptacyjnych funkcji piór] wgląd w biologię i historię naturalną konkretnego szczepu dinozaurów, w którym wyewoluowały pióra. [14]

Skoro tak, musimy po prostu uwierzyć, że ewolucja piór jednak miała miejsce. Czytając cały artykuł trudno oprzeć się wrażeniu, że hipotezy Pruma i Brusha przenoszą ewolucyjne wyjaśnienia genezy piór z deszczu pod rynnę. Autorzy nie tłumaczą, w jaki sposób u dinozaurów wykształcił się dynamiczny mechanizm budowania piór. Jedynie zakładają post factum – dzieląc proces konstrukcji piór u współczesnych ptaków – istnienie „stadiów pośrednich” pomiędzy poszczególnymi rodzajami piór. Nie wiadomo jednak, jak dochodziło do wykształcenia się każdego etapu de novo. Nie wiadomo, dlaczego naziemne dinozaury zaczęły w ogóle wytwarzać całą gamę nowoczesnych piór. Co więcej, sami autorzy przyznają, że wątpliwe jest, byśmy się o tym kiedykolwiek dowiedzieli. Dane kopalne przytaczane przez autorów pokazują tylko istnienie u dinozaurów pełnego spektrum piór – w tym asymetrycznych lotek – już we wczesnej kredzie. W kontekście powyższego jakby na ironię kończą swój artykuł stwierdzeniem pełnym nadziei:

Takie podejście niewątpliwie wyjaśni wiele innych zagadek biologii ewolucyjnej. Pora więc rozwinąć skrzydła. [15]

Wygląda na to, że autorzy odkryli nowy zaskakujący sposób wyjaśniania ewolucyjnych zagadek: przez zastępowanie ich znacznie trudniejszymi. Rzeczywiście pora więc rozwinąć skrzydła – skrzydła ewolucyjnej wyobraźni.

Michał Ostrowski

[Na Początku... 2003, vol. 11, nr 9-10, s. 365-373.]