Prolog
NARODZINY NAUKI
Dlaczego właściwie palec Galileusza? Galileo Galilei jest bowiem symbolem zwrotu, jaki się dokonał w nauce za jego życia: uczeni — to oczywiście anachronizm w odniesieniu do tamtych czasów — unieśli głowy znad ksiąg i zakwestionowawszy skuteczność dotychczasowych metod wyjaśniania natury, polegających na powoływaniu się na poglądy autorytetów, zrobili pierwszy niepewny krok na ścieżce nowoczesnej nauki. I w miarę, jak nią podążali, zarzucali wiarę w nie sprawdzone sądy i choć nie zrezygnowali całkowicie z intelektualnych spekulacji, zaczęli się powoływać na dużo istotniejsze źródła — powszechnie sprawdzalne obserwacje.
Ślady Galileuszowego palca odcisnęły się na wszystkich współczesnych dziedzinach nauki. Widać je w fizyce, w której jego palec namieszał najwcześniej, w chemii, gdzie jego wpływ uwidocznił się w dziewiętnastym wieku, i wreszcie w biologii, która w dziewiętnastym i dwudziestym wieku przestała być jedynie źródłem zadziwienia cudownością świata. W skrócie mówiąc, książka ta jest pochwałą skuteczności owego symbolicznego palca Galileusza w dociekaniu prawdy. To, że z ciała Galileusza ocalał tylko jeden palec, a jego metoda badawcza wciąż bujnie się rozwija, można uznać także za metaforę przemijalności ludzkiego życia w odróżnieniu od nieśmiertelności wiedzy.
Palec Galileusza jest więc symbolem owego niejasnego pojęcia „metody naukowej”. Ten włoski uczony nie był rzecz jasna ani jedynym, ani pierwszym, który w ten sposób podchodził do rozszerzania wiedzy, lecz zajmuje on tak niezwykłe miejsce w historii myśli ludzkiej, że można go uznać za symbolicznego twórcę takiego podejścia. Jednym z najważniejszych aspektów tej wyjątkowo skutecznej metody, który odróżnia naukę od jej głównego rywala, a mianowicie imponujących, lecz jałowych spekulacji, jest to, że opiera się ona na eksperymencie. Wyjście w świat i przeprowadzanie obserwacji w starannie kontrolowanych warunkach minimalizuje subiektywizm jako składnik postrzegania i — zasadniczo — pozwala innym na zweryfikowanie tych obserwacji.
Galileusz posiadł też umiejętność sprowadzania skomplikowanych zjawisk do prostych zasad, wydobywania istoty rzeczy, przedzierania się spojrzeniem przez mgłę rozbudowanych myślowych wyjaśnień, które zamiast ukazywać, paradoksalnie skrywają to, co jest w rzeczywistości proste — tak jak za pomocą teleskopu sięgał wzrokiem poza chmury i odkrywał nieskończoność wszechświata. Zostawił skrzypiący wóz grzęznący w błocie i zajął się prostym ruchem kulki na równi pochyłej i wahadła wiszącego na długim sznurze. Owa umiejętność wyodrębniania ze skrzypiącej i zagmatwanej rzeczywistości zjawiska podstawowego odgrywa główną rolę w nauce.
Naukowcy umieją dostrzec perłę w skorupce małża i klejnot w koronie. Niektórzy oczywiście będą się upierać, że na tym polega słabość nauki. Stwierdzą, że w gruncie rzeczy nie można pojąć zachodzących na świecie zjawisk, nie akceptując zgiełku życia, w którym mieści się popsuty wóz, rozpacz zakochanego, wzlatujący w niebo skowronek. Uważają, że uczeni obserwujący motyla po to, by poznać mechanizm jego lotu, zaprzeczają istocie zrozumienia. Należy jednak patrzeć na te zastrzeżenia z uwzględnieniem właściwej perspektywy, nie można ich od razu odrzucać Większość uczonych, jako że są ludźmi, przyznaje, że uczucie jest wspaniałym składnikiem naszych związków ze światem, ale niewielu zgodziłoby się z tym, że jest ono niezawodnym środkiem dochodzenia do prawdy.
Próbując poznawać prawa rządzące zadziwiająco złożonym światem, w przeważającej mierze wolą oni cząstka po cząstce oddzielać je od siebie i najlepiej, jak tylko potrafią, na nowo je potem ze sobą składać. Studiują ruch kulki na równi pochyłej — by zrozumieć, jak wóz jedzie po stoku, obserwują wahadło — by pojąć, jak ćwiczący wykonuje wymach nogą. Ich przeciwnicy podnoszą krzyk, że przecież zrozumienie praw rządzących ruchem drgającym nie sprawi, iż miłośnik muzyki będzie czerpał więcej radości z jej słuchania, a rozebranie symfonii na czynniki pierwsze całkowicie zniszczy odbiór całości. Naukowcy odpowiadają, że najpierw musimy zrozumieć, czym są nuty, następnie pojąć, jak to się dzieje, że niektóre akordy są harmonijne, a niektóre stanowią dysonans, i dopiero wtedy — zapewne po dziesięcioleciach — możemy próbować zrozumieć psychologiczny i artystyczny efekt określonej sekwencji dźwięków.
Nauka ma za zadanie całkowicie wyjaśnić problem, nie gubiąc po drodze ostatecznego celu i zbytnio się nie spiesząc z formułowaniem końcowych wniosków. To, czy naukowcy kiedykolwiek podzielą naszą radość z rozumienia świata, przeżywania zwykłego życia i odkrywania odpowiedzi na wszystkie wielkie pytania, jakie stawiają uważający je za swoją domenę filozofowie, artyści, prorocy i teologowie — jest przedmiotem próżnych dociekań. Choć my i tak wiemy, że te pytania mogą być użyteczne. Przez wielką ideę rozumiem proste pojęcie o dużym zasięgu oddziaływania, które jak nasiono może się rozwinąć w wielkie drzewo zastosowań lub niczym pająk potrafi rozsnuć wielką pajęczynę i złapać w nią cenną zdobycz, która zostanie spożyta podczas uczty zrozumienia i oświecenia.
Musiałem dokonać wyboru, choć nie wątpię, że ktoś inny wybrałby jakieś inne superpająki, w których sieci wpadają zupełnie inne tłuste kąski. Swój wybór zawarłem w tej książce. Skupiłem się bardziej na ideach niż na zastosowaniach. Nie poświęciłem zbyt wiele miejsca czarnym dziurom czy kosmicznym podróżom i prawie wcale — nie licząc epilogu zawierającego moje różne przemyślenia — niesamowitej zmianie paradygmatu dotyczącej sposobu wyjaśniania rzeczywistości, jakiej obecnie jesteśmy świadkami, związanej z technologią informacyjną i komputeryzacją. Moim celem było wskazanie idei, które przyczyniają się do zrozumienia rzeczy i zjawisk oraz stanowią — zazwyczaj — podstawę postępu technicznego.
Freeman Dyson, jeden z obdarzonych intelektualną wyobraźnią spadkobierców Galileusza, odróżnia naukę opartą na pojęciach od nauki opartej na narzędziach. Moja książka dotyczy niemal wyłącznie tej pierwszej. Rozróżnienie Dysona przywołuje na myśl innego wybitnego myśliciela, Francisa Bacona, który podzielił pomysły na fructifera, czyli wydające owoce, i lucifera, czyli niosące światło. Ja skupię się na tych drugich.
Można dyskutować, czy biologia molekularna i konsekwencje poznania struktury DNA należą do sfery lucifera albo czy są oparte na pojęciach i czy w takim razie powinny tu być omawiane. Ja uważam, że tak, gdyż żadne inne odkrycie nie poszerzyło tak bardzo naszej wiedzy i nie znalazło tylu zastosowań jak to właśnie, wobec czego absurdem byłoby je pomijać. Na przykładzie biologii molekularnej prawdopodobnie najlepiej widać, jak połączenie lucifera i fructifera nadaje nauce bezprecedensową dynamikę. Wykład to nie powieść, w której zdarzenia opisane są w prostym następstwie czasu, a narracja jest linearna.
Żeby zrozumieć teorię naukową, trzeba najpierw wszystko szybko przeczytać, przeskakując fragmenty, które wydają się zbyt trudne lub — uchowaj Boże! — nudne. Chociaż uważam, że jest coś takiego jak naturalna kolejność wywodu, którą można by opisać jako podążanie w górę od niejasnych, ukrytych głęboko fundamentów ku znajomemu światłu dnia albo odwrotnie, jako wychodzenie od znanego, by zagłębić się w nieznane podstawy (przyjąłem tę drugą metodę), to poszczególne rozdziały tej książki są mniej lub bardziej odrębnymi całościami i można je czytać w dowolnym porządku.
Trzeba też pamiętać o innym aspekcie nowoczesnej nauki, a mianowicie skłonności do utrzymywania wywodu na pewnym poziomie abstrakcji. Umiejętność abstrakcyjnego myślenia to jeszcze jedna Galileuszowa cecha i musimy zdawać sobie sprawę z jej znaczenia. Po pierwsze, abstrakcyjność myślenia nie oznacza bezużyteczności. Może mieć ona kolosalne znaczenie praktyczne, ponieważ ukazuje nieoczekiwane związki między różnymi zjawiskami i umożliwia zastosowanie w jednej dziedzinie idei zrodzonej w zupełnie innej. Co ważniejsze jednak, pozwala ona zachować dystans wobec przedmiotu obserwacji i spojrzeć na niego w szerszej perspektywie.
Do największych olśnień, biorąc pod uwagę zarówno badania naukowe, jak i zapoznawanie się z odkryciami innych, należało to, co było udziałem Magellana patrzącego na miejsce, w którym wody oceanów zlewają się w jeden przestwór: oto uświadomił on sobie, że zjawiska, które pozornie nie mają ze sobą nic wspólnego, łączy jakiś związek. W tej książce chcę was zabrać w podróż do urwistych krańców nauki, gdzie czeka nas takie właśnie oszałamiające i radosne przeżycie, a im bardziej będziemy się do nich przybliżać, tym większą przyjemność będzie nam sprawiać abstrakcyjne myślenie. Tak więc zacznę od małp i groszku, pokażę wam atomy i przybliżę piękno, następnie przemierzymy czasoprzestrzeń, a całość zwieńczę apoteozą czystej abstrakcji — matematyki. Czytając tę książkę rozdział po rozdziale, w każdym można znaleźć coś, co pogłębi wiedzę wyniesioną z poprzednich.
Zaczynamy więc pełną wyzwań, ale niezwykle satysfakcjonującą podróż. Nauka jest świątynią idei odrodzenia, wyjątkowym pomnikiem ludzkiego ducha i zdolności pojmowania słabego człowieczego umysłu. Mam wielką nadzieję, że w tej podróży ku szczytom zrozumienia prowadzony przeze mnie czytelnik doświadczy radości oświecenia, które może dać tylko nauka.
Rozdział 1
EWOLUCJA POWSTANIE ZŁOŻONOŚCI
Wielką ideą - Motorem ewolucji jest dobór naturalny .Procesy biologiczne stają się zrozumiałe tylko w świetle teorii ewolucji. Teodozius Dobzhansky Życie jest czymś tak niezwykłym, że bardzo długo zakładano, iż do jego powstania potrzebny był nadnaturalny akt stworzenia. Bo jak to możliwe, aby coś tak niezwykłego mogło spontanicznie powstać z martwego mułu? Czym jest ów istotny składnik, który ożywia? Te niezwykle doniosłe pytania doczekały się dwóch fal odpowiedzi. Pierwszą przyniosły doświadczenia wykonywane w dziewiętnastym wieku przez przyrodników i geologów, którzy zaczęli badać świat przyrody i wyciągać daleko idące wnioski. Później, w dwudziestym wieku, nadeszła druga fala, kiedy uczeni zaczęli głębiej wnikać w istotę rzeczy i odkryli molekularne prawa rządzące życiem. Pierwsze podejście będzie przedmiotem tego rozdziału, drugie zaś — które zasadniczo wzbogaca nasze rozumienie, co to znaczy „być żywym” — omówię w następnym.
Niemal każdy starożytny filozof grecki musiał mieć własne poglądy na temat natury żywych stworzeń i niemal wszystkie te urzekające koncepcje były całkowicie błędne. Empedokles (ok. 490–430 p.n.e.), bóg samozwaniec, zanim nierozważnie postanowiwszy dowieść swojej boskości, skoczył do krateru Etny, uważał na przykład, że zwierzęta są zbudowane z uniwersalnego zestawu części, które łącząc się ze sobą w różnych kombinacjach, dają słonia, komara, jaszczurkę czy człowieka. A to, że świat zamieszkują właśnie te gatunki, nie zaś na przykład latające świnie czy osły z rybimi ogonami, jest spowodowane tym, że tylko niektóre z takich kombinacji mają szanse na przeżycie. Przyroda zapewne wypróbowała także inne kombinacje w jakimś eksperymencie wyprzedzającym Wyspę doktora Moreau, ale po krótkim brykaniu, fruwaniu czy pluskaniu owe doświadczalne stworzenia wzięły i zdechły. Niemal dwa tysiące lat później podobną teorię, ale w skali molekularnej, wysunął Georges Louis Leclerc, hrabia de Buffon, który uważał, że żywe organizmy powstały spontanicznie ze zlepków cząsteczek organicznych, jak byśmy je dziś nazwali, i że może powstać tylko tyle gatunków, ile takich kombinacji ma szansę przeżyć.
Buffon myślał, że pojadł wszystkie rozumy: jego wielkie dzieło Histoire naturelle générale et particulière (które zaczęło się ukazywać w 1749 roku) miało liczyć w założeniu pięćdziesiąt tomów, a z trzydziestu sześciu, które wyszły drukiem za życia Buffona, dziewięć było poświęconych ptakom, pięć minerałom, osiem zaś opublikowanych po śmierci autora — waleniom, gadom i rybom. Ale skąd się właściwie wzięły te wszystkie stworzenia? Jest ich bardzo, bardzo dużo — do tej pory naliczono kilka milionów gatunków, a przypuszczalnie około dziesięciu milionów czeka na odkrycie. Arystoteles, niezwykle płodny myśliciel, oczywiście wysunął własną i oczywiście błędną koncepcję dotyczącą powstawania gatunków, wedle której zwierzęta spadły z nieba lub od razu wyłoniły się w rozwiniętej formie.
Równie błędną teorię zaprezentowali także Indianie Yahuna z dorzecza Amazonki, którzy uważali, że maniok wyrósł z popiołów zamordowanego i spalonego boga Milomaki. Podobne poglądy wyznawali Indianie Cahuilla z Kalifornii, którzy byli pewni, że winorośl, arbuzy i kukurydza wyrastają z ich skremowanych żołądków, źrenic i zębów. Jeszcze mniej apetyczne było pochodzenie pszenicy i fasoli, które brały się wedle nich ze spopielonych jajeczek złożonych przez wszy i spopielonej spermy .W innych wierzeniach religijnych pojawiało się pozornie proste wyjaśnienie, według którego wszystkie stworzenia duże i małe zostały stworzone przez boga i tyle. Jednak nawet części Ojców Kościoła trudno było uwierzyć w niektóre stwierdzenia z Biblii. Wielce uczony mąż święty Grzegorz z Nazjanzu (ok. 330–389, Nazjanz leżał gdzieś w Kapadocji) uważał na przykład, że część roślin i zwierząt Bóg musiał stworzyć po potopie, gdyż niewielka arka nie zdołałaby pomieścić przedstawicieli wszystkich gatunków.
William Paley (1743–1805), archidiakon Carlisle, twierdził, że niezbicie ustalił pochodzenie stworzeń w swojej opublikowanej w 1802 roku książce bez ogródek zatytułowanej Natural theology, or evidence for the existence and attributes of the deity collected from the appearances of nature („Teologia naturalna lub dowody na istnienie i atrybuty Boga zebrane na podstawie wyglądu natury”), w której posłużył się przykładem wędrowca, który pierwszy raz widząc kunsztowny zegar, dochodzi do wniosku, że za całą tą złożonością musi się kryć zegarmistrz. Tak więc każdy, kto staje wobec złożoności natury, nieuchronnie uznaje, że do jej zaprojektowania i stworzenia musiał przyłożyć rękę Bóg. Jednakże już w czasach, gdy filozofia zachodnia dopiero wypuszczała pierwsze zielone pędy, Anaksymander z Miletu (610–545 p.n.e.), opierając się tylko na spekulacji, zdołał dojrzeć skrawek prawdy i wysunął przypuszczenie — stanowiące część jego oraz Talesa i Anaksymenesa koncepcji filozoficznej dotyczącej istot żywych i życia w ogóle — że jeden gatunek zwierząt może się przekształcać w drugi. Jak zwykle w nauce, pierwszym krokiem do zrozumienia istoty rzeczy jest zebranie danych, co w tym wypadku oznacza zidentyfikowanie i zaklasyfikowanie wszystkich organizmów, które tworzą biosferę, lub przynajmniej tylu, na ile pozwala cierpliwość, upór i opatrzność. Najlepsze są takie nazwy, które informują o pokrewieństwie, jak nazwiska rodowe przyjmowane przez członków rodziny.
W połowie osiemnastego wieku wraz z rozwojem handlu morskiego nawet osoby nie wyściubiające nosa z domu wiedziały, że świat zamieszkuje mnóstwo często bardzo osobliwych organizmów, i zaczęły sobie zdawać sprawę, że proste nazwy, takie jak krowa czy pies, już nie wystarczają, tak jak Lapończykom do porozumienia się z mieszkańcami Ugandy nie wystarcza język lapoński. Pierwszy ogólnie akceptowany system nomenklaturowy opracował szwedzki botanik Carl von Linné (1707–1778), lepiej znany pod łacińskim nazwiskiem Linneusz. Linneusz wyłożył swój system nazewnictwa w pracy Systema naturae, opublikowanej w 1735 roku; z innego jego dzieła, wydanych w 1753 roku Species plantarum, pochodzi nazewnictwo roślin oparte na kategoriach systematycznych. W pracach tych Linneusz wprowadził hierarchię przynależności (ryc. 1.1) w kształcie piramidy, z królestwem w pobliżu wierzchołka i coraz bardziej szczegółowymi kategoriami, takimi jak typ, gromada, klasa, rząd, rodzina, rodzaj i gatunek, które znajdujemy, schodząc ku podstawie. Schemat ten później rozszerzono, wstawiając warstwy pośrednie, jak na przykład podrodzina lub nadrodzina. Zgodnie z nim ludzi klasyfikuje się jako gatunek Homo sapiens, rodzaj Homo, rodzina Hominidae, nadrodzina Hominoidea, śródrząd Catarrhini, podrząd Anthropoidea, rząd Primates, podgromada Eutheria, gromada Mammalia, nadgromada Tetrapoda, podtyp Vertebrata, typ Chordata, królestwo Animalia, nadkrólestwo Eukarya wchodzące w skład imperium organizmów.
Wadą systemu Linneusza jest rozpatrywanie podobieństw, a nie — co naukowo wydaje się właściwsze — szukanie pokrewieństwa. Ponadto trudno podać ścisłe definicje gromady, typu i innych kategorii. Obecnie modna w taksonomii jest kladystyka (kládos to po grecku młody pęd), która analizuje pochodzenie organizmów od wspólnego przodka i wyodrębnia z gąszczu życia różne gałęzie, czyli klady (ryc. 1.2). Kladystykę wprowadził i szczegółowo omówił w książce Phylogenetic systematics (1966) niemiecki entomolog Willi Henning (1913–1976). Według Henninga klasyfikacja powinna odzwierciedlać związki genealogiczne, a organizmy należy wyodrębnić w grupy tylko i wyłącznie na podstawie pochodzenia od wspólnego przodka. W odróżnieniu od beztroskich fizyków, którzy w swojej terminologii przejmują słowa z życia codziennego, takie jak „spin” (ang. obrót) czy „zapach”, Henning oparł swoją taksonomię na grece. Stąd w kladystyce mamy symplezjomorfie (cechy występujące u więcej niż jednego stworzenia), synapomorfie (cechy wspólnie rozwinięte) itp. Na szczęście nie musimy obciążać sobie głowy tą kłopotliwą terminologią, gdyż najczęściej posługujemy się systemem Linneusza. Niemniej jednak kladystyka jest bardzo dobrym, logicznie zbudowanym i przydatnym systemem, gdyż opiera się na związkach genealogicznych, które bez wątpienia są jedyną racjonalną podstawą klasyfikacji organizmów. Szybko jednak natykamy się na zasadnicze pytanie — z którym nie raz spotkamy się jeszcze w tym rozdziale — kłopotliwe nawet dla twórców nowszych systemów klasyfikacji: Co właściwie rozumiemy przez gatunek? Do dziś toczy się spór, jak należałoby zdefiniować ten termin.
Spór ten ma niewielkie znaczenie praktyczne, ale ponieważ pojęcie, którego dotyczy, odgrywało główną rolę w dyskusji na temat pochodzenia gatunków, musimy go choćby pokrótce zreferować, chociaż być może lepiej byłoby założyć, że nie da się sformułować uniwersalnej definicji gatunku, i uznać, że jest to termin z natury nieostry, toteż nie warto go zamykać w sztywnych ramach. Zdroworozsądkowa definicja gatunku, którą przyjęli uczeni zajmujący się taksonomią typologiczną, mówi, że gatunek jest to grupa organizmów, które wyglądają — czyli mają wyróżnialne cechy morfologiczne — inaczej niż inna grupa organizmów. Podobną myśl widać we wprowadzonym przez Platona pojęciu idei, czyli „doskonałej formy”, lub prawdziwej istoty, wobec której rzeczywisty byt jest jedynie niedoskonałą kopią.
Nietrudno nam odróżnić wróbla od kosa na podstawie ich „wyróżnialnych cech morfologicznych” i uznać je za różne gatunki ptaków. Nietrudno, a w każdym razie tak się nam wydaje, wyodrębnić ptasią naturę dwóch stworzeń i dostrzec, że jest ona odmienna od roślinnej natury rzepy; umiemy też odróżnić „wróblowatość” od „kosowatości”. Bardziej wyrafinowana definicja dotyczy pojęcia gatunku biologicznego, w którym gatunek jest określany jako grupa organizmów rozmnażających się w ramach grupy i rozrodczo odizolowanych od innych grup. Tak więc gatunek jest odosobnioną wyspą aktywnego rozmnażania, zupełnie jak Mykonos w środku lata. Zgodnie z taką definicją wróbel i kos są innymi gatunkami, gdyż rozmnażają się tylko w ramach własnej grupy, natomiast nie mogą się ze sobą krzyżować.
Do izolacji rozrodczej może dojść w różny sposób. Na przykład grupy organizmów mogą być od siebie oddzielone geograficznie — co wyjaśnia, dlaczego wyspy odegrały tak ważną rolę w rozwoju koncepcji ewolucji — lub rozmnażać się w różnych porach roku. Grupy mogą poczuć do siebie wstręt (lub co najmniej wydać się sobie mało atrakcyjne) bądź też pomimo wzajemnego pożądania odkryć, że nie są fizycznie zdolne do kopulacji Patrząc na tę sprawę od strony mechanizmu dziedziczności, opisanego szczegółowo w następnym rozdziale, możemy powiedzieć, że każdy gatunek reprezentuje określoną pulę genów, które krążą w nim przy krzyżowaniu się jego przedstawicieli — w procesie zwanym przepływem genów — ale nie przenoszą się do puli genów innego gatunku.
Przepływ genów w ramach gatunku zapewnia, że wszyscy jego przedstawiciele wyglądają mniej więcej tak samo, zatem pojęcie gatunku biologicznego jest zgodne z kryteriami przyjętymi przez taksonomię typologiczną. Dlaczego więc pojęcie gatunku wzbudza tyle kontrowersji? Definicja oparta na dobieraniu się w pary ma taką wadę, że niektóre organizmy tego nie robią. Na przykład dotyczy to części bakterii, które mimo to są klasyfikowane jako gatunek. Istnieje też wiele organizmów wielokomórkowych, które rozmnażają się bezpłciowo (jak na przykład popularny mniszek lekarski, Taraxacum officinale), a mimo to są uważane za „porządny” gatunek. Wynika stąd, że słowo „gatunek” ma dwa, czasami różne, znaczenia. Jedno z nich, którym posługiwaliśmy się powyżej, dotyczy izolacji rozrodczej organizmu. Drugie znaczenie odnosi się do terminu „gatunek” używanego po prostu na określenie jednego z punktów podstawy piramidy taksonomicznej — ostatecznej jednostki klasyfikacyjnej grupy organizmów niezależnie od tego, czy mogą one dobierać się w pary z innymi organizmami, czy też nie.
Tak więc gatunek jest po prostu taksonem, jednostką klasyfikacyjną. Termin „gatunek” na określanie taksonu jest często używany w paleontologii, gdzie jednej linii genealogicznej przypisuje się różne nazwy na różnych etapach jej rozwoju, mimo że jej kolejni przedstawiciele nigdy nie mieli szansy ze sobą współżyć. I tak Homo erectus przekształcił się na drodze ewolucji w Homo sapiens, choć nigdy nie miał z nim styczności: są to przykłady tak zwanych chronogatunków. Zrozumienie tych trudności dało asumpt do formułowania innych definicji gatunku, które czasem były zgodne, a czasem sprzeczne z pojęciem gatunku biologicznego. Na przykład w klasyfikacji fenetycznej przydziela się organizmy do tej samej grupy tylko na podstawie obiektywnych pomiarów, łącznie z przyporządkowaniem dwuwartościowym, na przykład jedynki tym organizmom, które „mają skrzydła”, a zera tym, które „nie mają skrzydeł”. Zabawy w rodzaju „poznaj swojego partnera”, serwowane nam przez gazety, czasopisma i biura matrymonialne, są z grubsza klasyfikacją fenetyczną.
Zaletą podejścia fenetycznego jest czysto mechaniczne klasyfikowanie organizmów: nie zależy ono od subiektywnych sądów dotyczących wyglądu organizmu i nie wymaga zgadywania, czy mając szansę, pewien organizm — możliwe, że obecnie wymarły — mógłby się łączyć w pary z innym organizmem. Jego wadą jest to, że choć w fenetycznie wyróżnionych grupach organizmy wyglądają identycznie, nie muszą być zdolne do rozmnażania. Tak więc mogą to być gatunki jednakowe fenetycznie, ale różne biologicznie. Na przykład weźmy muszkę owocową Drosophila i jej dwie (nie krzyżujące się ze sobą) odmiany: Drosophila pseudoobscura i Drosophila persimilis. Oba te organizmy są praktycznie nierozróżnialne fenetycznie, a zatem tworzą jeden gatunek fenetyczny, ale ponieważ nie mogą się ze sobą krzyżować, stanowią dwa gatunki biologiczne.
Istnieją inne definicje gatunku, jednak zastosowanie ich kryteriów jeszcze bardziej gmatwa obraz sytuacji. Pojęcie gatunku ekologicznego kładzie nacisk na rolę środowiska i jego zasobów oraz zagrożeń, jakie ono niesie. Definiuje ono gatunek jako grupę, która eksploatuje jedną niszę ekologiczną. Pojęcie gatunku oparte na rozpoznawaniu partnera zwraca uwagę na zdolność organizmu do rozpoznawania potencjalnego partnera płciowego. Definicja ta, blisko zresztą związana z pojęciem gatunku biologicznego, ma taką zaletę, że o zdolności do krzyżowania można jedynie wnioskować, natomiast rozpoznawanie partnera daje się bezpośrednio obserwować. Być może nowy gatunek powstaje wtedy, gdy pewna grupa organizmów przestaje rozpoznawać jako potencjalnych partnerów tych, z którymi poprzednio dobierała się w pary.
Partnera nie trzeba wcale rozpoznawać po wyglądzie: rośliny i zwierzęta komunikują się na wiele rozmaitych sposobów, łącznie z akustycznymi, a nawet opartymi na nośnikach bardzo dyskretnych, wręcz niezauważalnych dla naszych zmysłów, jak choćby związki chemiczne zwane feromonami, które ludzie czasem stosują — z tych samych, co zwierzęta i rośliny powodów — w perfumach i balsamach. Wreszcie (ale tylko w naszym krótkim przeglądzie, gdyż są jeszcze inne definicje) stosowane jest pojęcie gatunku f ilogenetycznego, definiujące gatunek jako grupę organizmów, które mają wspólnego przodka, ale różnią się przynajmniej jedną cechą. Według tej definicji przedstawiciele dwóch różnych gatunków filogenetycznych różnią się przynajmniej jedną cechą i mogą się ze sobą krzyżować. Nie ma wątpliwości, że gatunki ewoluowały i wciąż ewoluują.
Dowodami na ewolucję w przeszłości są kopalne szczątki lub odciski organizmów, które składają się na niezwykły obraz kolejnych populacji zamieszkujących Ziemię przez miliony lat. Owe „kroniki kopalne” są niekompletne — podobnie niekompletne są zbiory muzealne, choć muzea zwykle bardziej troszczą się o swoje zbiory niż ziemia — ale na tyle pełne, żeby można było na ich podstawie prześledzić, jak przez wieki zmieniali się przodkowie żyjących obecnie na Ziemi stworzeń, łącznie z przodkami człowieka, którzy wbrew obiegowym opiniom nie żyli w „zamierzchłych czasach”, ale w całkiem nieodległej przeszłości. Nauka badająca dzieje życia na Ziemi na podstawie kopalnych szczątków i odcisków skamieniałości nazywa się paleontologią Pierwsi poszukiwacze skamieniałości wyznawali pogląd Platona, że są one obrazem idealnej formy, która została stworzona w wyniku działania jakiejś vis plastica. Dziś jednak wiemy, że skamieniałości składają się ze zmineralizowanych części szkieletów (kości to głównie fosforan wapnia wraz z białkowymi włóknami) i zębów (także fosforan wapnia i różne twarde osłonki).
Skamieniałości można znaleźć w skałach osadowych, takich jak wapień, które powstały w wyniku odkładania się minerałów, nigdy natomiast nie występują w skałach magmowych, które wypłynęły na powierzchnię z głębi ziemi. Niektóre skamieniałości paleontolodzy znajdują w skałach metamorficznych, czyli skałach osadowych lub magmowych, które uległy przeobrażeniu na skutek wysokiej temperatury i ciśnienia. Bywają też skamieniałości pochodzenia organicznego, jak na przykład drewno, które uległo zmineralizowaniu w wyniku nasączenia wodą odkładającą kamień w jego naczyniach i cewkach. W tym, co znajdujemy, nie ma organicznego oryginału, który już dawno się rozłożył, ale jego trójwymiarowa kopia. Często zachowują się skorupy, lecz aragonit, odmiana węglanu wapnia, który stanowi ich główny budulec, przekształca się w twardszy i gęściejszy kalcyt. Resztki organiczne nie mogą się w ten sposób zachować, często jednak można znaleźć w skałach odciski piór (rodzaj twardego białka) i części miękkich (zbudowanych z miękkich białek i tłuszczu).
Niektóre drobne żyjątka zachowały się nietknięte w zastygłej żywicy zwanej bursztynem. Większe stworzenia, jak na przykład mamuty, znajdowano w wiecznej zmarzlinie. Ziemia pod naszymi stopami żyje w tym sensie, że bez przerwy z jej głębin wypływa magma, która zastyga, tworząc nowe obszary litosfery, czyli zewnętrznej warstwy otaczającej płynne jądro. Wypływający strumień magmy powoduje, że litosfera odsuwa się od strefy wypływu, po czym gdzieś daleko nurkuje w rów subdukcyjny. Na takim pasie transmisyjnym unoszą się, niczym krowie placki, skorupy nazywane kontynentami, które dzięki temu mogą dryfować po powierzchni kuli ziemskiej. Z owymi procesami tektoniki płyt po raz pierwszy zapoznał świat niemiecki geolog Alfred Wegener (1880–1930), który opisał je w dziele Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (1915).
Początkowo teorię Wegenera przyjęto z niedowierzaniem, ale w latach sześćdziesiątych doczekała się ona uznania, gdyż dzięki niej wykazano, że dno morza, wcześniej uważane za nieruchome, może się rozsuwać, zmieniając oblicze Ziemi (ryc. 1.3). Procesy te powodują również lokalne odkształcenia kontynentów, prowadząc zarówno do orogenezy (powstawania gór), jak i tworzenia się rozpadlin czy uskoków. Nic dziwnego, że owe ruchy terenu w niektórych wypadkach mogą powodować mieszanie się warstw geologicznych i sprawiać, że tu i ówdzie skamieniałość z jednej epoki znajdzie się poniżej skamieniałości z innej, a starsze skamieniałości, naniesione z innych miejsc, wymieszają się z młodszymi. Zwykle potrafimy zauważyć takie oczywiste niekonsekwencje, śledząc ukształtowanie warstw geologicznych.
Ze względu na siłę procesów tektonicznych w połączeniu z gwałtownymi efektami klimatycznymi — zamarzaniem oceanów, wędrówkami lodowców i przemierzającymi oceany falami tsunami szalejącymi na wybrzeżach po cofnięciu się lodowca — zdumiewa, że w ogóle zachowały się jakieś ślady naszej odległej przeszłości. Globalna wojna Ziemi przeciwko organizmom i organizmów przeciwko organizmom dokonała spustoszenia w reliktach dawnych form życia i mamy szczęście, gdy czasem udaje się nam znaleźć pojedynczy ząb. A jednak znaleźliśmy dużo więcej niż parę zębów. Szczęśliwa śmierć — jeśli coś takiego w ogóle istnieje — sprawiała niekiedy, że jakiś dinozaur zdechł w miejscu, w którym nie mogły go zjeść na obiad inne stworzenia — na przykład utonął w bagnie — został przykryty osadami i we właściwym czasie, gdy erozja zniszczyła powierzchnię ziemi, jego resztki znów ujrzały światło dzienne. Najwięcej skamielin pozostało po twardoszkieletowych morskich kręgowcach żyjących w płytkich wodach.
Gorzej reprezentowane są organizmy, które nie miały szkieletów, i takie, które łatwo ulegały zniszczeniom, na przykład ciała ptaków. Niektóre skamieniałości występują w ogromnych ilościach: wzgórza kredowe kryją sterty sfosylizowanych szczątków jednokomórkowych glonów zwanych kokolitoforami Te skamieniałości osadzają się przez cały czas w tempie mniej więcej 1,4 miliarda kilogramów rocznie. To między innymi ich obecność w wodzie morskiej powoduje, że bywa ona nieprzezroczysta.
Latem 1997 i 1998 roku całe Morze Beringa zmieniło kolor z ciemnoniebieskiego na akwamarynowy, gdy zakwitło miliardami kokolitoforów, które mogły się nacieszyć krótkim, acz spokojnym życiem, zanim stały się częścią płaskowyżu przyszłości.„Kroniki kopalne”, choć bardzo niekompletne, dostarczają jednak sugestywnych dowodów ewolucji, w której gatunki pojawiają się i znikają — jedne się przekształcają, inne wymierają, a całość przypomina plątaninę gałęzi, z których wyrastają następne gałęzie, odrostów, które obumierają, i liści stanowiących współczesną biosferę. Dane zdają się potwierdzać taką przypominającą busz historię biosfery z czasem niejednoznacznymi, ale wiarygodnymi liniami genealogicznymi. Istnieją jednak inne prawdopodobne wyjaśnienia danych kopalnych, a ponieważ jest to bardzo ważne dla zrozumienia naszego miejsca w przyrodzie, musimy się im bliżej przyjrzeć.
Konkurencyjna wobec teorii ewolucji jest teoria transmutacji, ale nią zajmiemy się później. Teraz zaś omówimy inną, a mianowicie kreacjonizm, w myśl której gatunki są zasadniczo niezmienne (dopuszczalne są jedynie bardzo drobne zmiany). Według kreacjonistów gatunki powstały od razu w takiej postaci, w jakiej je znamy, inteligentnie zaprojektowane, obdarzone życiem przez wiecznego, wszechwiedzącego, godnego boskiej czci Stwórcę. Gatunek może być wieczny, ale może też wymrzeć, robiąc miejsce nowej manifestacji niezgłębionego kaprysu Stwórcy. Ma on nieograniczoną władzę wymyślania i tworzenia zwierząt nieskończenie wielu odmian, ale buduje tylko takie, które są zdolne wzajemnie zadawać sobie rany, ból i śmierć. Oczywiście wśród tych krwiożerczych stworzeń mieści się też obdarzony wolną wolą obraz Stwórcy, czyli człowiek.
Kreacjonizm, jakiekolwiek pseudonaukowe maski by wkładał, nie jest nauką — to nieweryfikowalna hipoteza wysuwana i podtrzymywana przez antynaukowców motywowanych względami religijnymi. Gdyby chcieć być łaskawym, można by stwierdzić, że odgrywa on rolę Galileuszowego Simplicia — wykazuje wyższość wyjaśnienia naukowego, w tym wypadku ewolucjonizmu.
Od nauki stale wymaga się dostarczania nowych wyjaśnień, z kreacjonizmem zaś jest taki kłopot, że jego zwolennicy nie zdają sobie sprawy, że są Simpliciami i że ich bezustanne męczące kwestionowanie teorii ewolucji, a co gorsza przeinaczanie dowodów, to strata czasu, nerwów i groźba, że młodzi zamkną oczy na rzeczywisty cud stworzenia. Jakie są argumenty przeciwko kreacjonizmowi? Jest ich tyle, że gdybym je chciał przytoczyć, wypełniłyby cały rozdział. Podam więc tylko trzy, abyście mogli się zorientować, jaki mają charakter. Po pierwsze, mnóstwo gatunków powstało całkiem niedawno, co dobitnie świadczy o tym, że tak samo działo się w przeszłości i że skamieniałości nie są jedynie zapisem procesów wymierania, lecz także ewolucji. Po drugie, czasem można usłyszeć zarzut, że teoria ewolucji nie pozwala na przewidywanie, toteż nie sposób jej zweryfikować i dlatego nie jest ani trochę lepsza od kreacjonizmu. To stwierdzenie nie jest prawdziwe.
Do stworzenia teorii ewolucji doprowadziły badania porównawcze skamieniałości organizmów makroskopowych. W dwudziestym wieku zyskaliśmy możliwości prześledzenia ewolucji również na poziomie molekularnym. A zatem można było zweryfikować domniemanie, że zmiany ewolucyjne w skali mikro zgadzają się ze zmianami w skali makro. Stwierdzono, że tak jest w istocie: nie znaleziono ani jednego śladu zmiany molekularnej, która byłaby niezgodna ze zmianami obserwowanymi na poziomie całego organizmu. Po trzecie, przeprowadźmy eksperyment myślowy: O naruszeniu prawa autorskiego często świadczy powielenie błędów wprowadzonych, czasem specjalnie, do produktów, które bywają nielegalnie kopiowane. Tak robią na przykład wydawnictwa kartograficzne — na przykład umieszczają na mapie nie istniejący w rzeczywistości dom, aby złapać w pułapkę plagiatorów. W biologii istnieją dwa rodzaje takich błędów. Jednym z nich jest pójście ewolucji w głupim kierunku (ewolucja nie ma zdolności przewidywania). Często podawanym przykładem jest budowa oka u ssaków, które podczas ewolucji padło ofiarą zbzikowanego projektu mogącego być dziełem tylko zbzikowanego Stwórcy — otóż naczynia krwionośne umieścił on przed siatkówką, toteż wychodząc z oka, muszą się przez nią przebijać i odtąd my oraz reszta ssaków mamy na niej plamkę ślepą. Projekt ten był później powielany.
Inny rodzaj błędu pojawia się na poziomie molekularnym w postaci na przykład pseudogenów, które są nieaktywnymi kopiami zmutowanych odcinków DNA, a więc jakby fałszywymi domami na mapie*. Wróćmy więc do nauki i faktów. Mikroewolucja to rozwijanie drobnych zmian, makroewolucja zaś — tworzenie nowych gatunków i wyższych grup taksonomicznych (rzędów, rodzin itp.) wskutek nagromadzenia zmian wprowadzonych przez mikroewolucję w procesie zwanym gradualizmem filetycznym.
Jak wspomnieliśmy, empiryczne udowodnienie takiego stopniowego rozwoju napotyka problemy związane z przypuszczalną niekompletnością danych kopalnych — pośród nich bowiem często brakuje form przejściowych, których należałoby się spodziewać. Można podać dwa wyjaśnienia takiego stanu rzeczy. Według jednego formy przejściowe istniały, ale zniknęły bez śladu. Według drugiego koncepcja gradualizmu filetycznego jest błędna, dane kopalne są bardziej kompletne, niż się wydaje, a specjacja (powstawanie nowych gatunków) następowała zrywami trwającymi parę tysięcy lat po długich okresach spokoju lub „zastoju”.
Taką bardzo kontrowersyjną teorię równowagi przerywanej wysunęli w 1972 roku Niles Eldridge i Stephen Gould (1941–2002), którzy założyli, że małe izolowane populacje przechodzą gwałtowne zmiany ewolucyjne w procesie specjacji allopatrycznej (czyli że zmiana ewolucyjna gatunku zachodzi na innym terenie niż zamieszkiwany przez jego przodków). Mało prawdopodobne więc, by w „zapisie kopalnym” formy przejściowe występowały tam, gdzie formy ancestralne, a skamieniałości nowych gatunków będzie tam można znaleźć tylko pod warunkiem, że w pełni ukształtowane wróciły na ów teren: zrozumiały w takim wypadku brak form przejściowych wzmacnia wrażenie gwałtowności przekształcania się jednego gatunku w drugi.
Formy, w jakich po raz pierwszy zostały zaprezentowane teorie gradualizmu filetycznego i równowagi przerywanej, najlepiej traktować jak dwa krańce spektrum prawdopodobnych wyjaśnień. Nie należy ich uważać za konkurencyjne modele ewolucji, a raczej za dwa punkty na skali szybkości procesu specjacji. Jedne zdarzenia — związane z powstawaniem pewnych gatunków — lokują się bliżej punktu odpowiadającego gradualizmowi, a inne — równowagi przerywanej.
Niezwykle trudno ustalić tempo ewolucji gatunku i nabrać pewności, że ślady kopalne są kompletne. Nie znaczy to, że nowsze wersje koncepcji równowagi przerywanej nie wzbudzają kontrowersji, choć stanowią one rozwinięcie pierwotnej koncepcji, bo obok prostej opozycji szybko–wolno uwzględniono w nich także mechanizmy powodujące zastój i gwałtowne zmiany ewolucyjne.
Filozoficzny aspekt tej teorii także jest kontrowersyjny, bo w odróżnieniu od darwinizmu, w którym specjacja uważana jest za akumulację zmian odpowiadających adaptacjom, w koncepcji równowagi przerywanej traktuje się specjację jako siłę napędzającą adaptację. Tego, że istnieją takie kontrowersje, nie należy uważać za porażkę teorii doboru naturalnego (a tym bardziej za powód do kwestionowania ewolucji) — są one oznaką ożywionej debaty dotyczącej szczegółów jednego z najważniejszych procesów w dziejach świata. Należy podkreślić jeszcze jedno. Ewolucja to niekoniecznie dążenie do doskonałości: jej kierunek nie zawsze jest pozytywny.
Organizm może odkryć, że zwiększy swą aktywność reprodukcyjną i dzięki temu zwiększy swoją populację na Ziemi, jeśli odrzuci dużą część bagażu społecznego lub anatomicznego. Po co zawracać sobie głowę mnóstwem społecznie wymuszonych działań, jeśli bez nich można przejść do głównego zadania, jakim jest reprodukcja? Poza tym może się zmienić środowisko, a wtedy resztki przedstawicieli nieudanego gatunku mogą nagle stwierdzić, że nadszedł ich czas, by w zmienionych warunkach pobić w reprodukcji swoich rywali, z którymi wcześniej przegrywali. Jeden z gatunków osłonic (Ciona intestinalis) znalazł inne rozwiązanie tego problemu, a jest nim... odmóżdżenie. Ten mały stwór w formie larwalnej jest zdolnym do przemieszczania się myśliwym i dlatego potrzebuje mózgu. Jednak gdy tylko znajdzie odpowiednią niszę, w której może się zakotwiczyć i osiąść na stałe, nie musi już myśleć i zjada swój mózg, który stanowi teraz dla niego jedynie balast. Mózg pochłania bardzo dużo energii, toteż pozbycie się go, gdy nie jest już potrzebny, wydaje się sensownym pomysłem.
Jak powstało takie bogactwo form życia? William Paley, jak mieliśmy okazję stwierdzić, był przekonany, że wie: każdy gatunek został stworzony przez Boga i tyle. Jean Baptiste Pierre Antoine de Monet de Lamarck (1744–1829) również uważał, że wie, ale intelektualnie jest bardziej przekonujący, gdyż usiłował odkryć mechanizm powstawania form życia. Lamarck, który najpierw był żołnierzem, potem urzędnikiem bankowym, jeszcze później botanikiem, a w końcu został profesorem zoologii specjalizującym się w owadach, całe życie biedował, a na dodatek kilka lat przed śmiercią całkowicie stracił wzrok.