Apie trečiąją gyvybės hierarchiją

[Andrej Spiridonov]

Ką tik „Paleobiology“ žurnale išėjo mūsų su Niles Eldredge straipsnis kuriuo aš labai didžiuojuosi (Spiridonov A, Eldredge N (2024). The Bretskyan hierarchy, multiscale allopatry, and geobiomes—on the nature of evolutionary things. Paleobiology 1–20. https://doi.org/10.1017/pab.2023.37 ).
Kodėl? Nilesas kartu su Harvardo paleontologu ir evoliucionistu Stephen Jay Gould 1972 metais išspausdino paleontologijos mokslą pakeitusį straipsnį apie tai, kad rūšys egzistuoja sąstingyje ir faktiškai visi pokyčiai koncentruojasi ties trumpais laiko intervalais (taip vadinama pertrauktų pusiausvyrų teorija http://georgealozano.com/.../evolutio.../papers/eldredge.pdf ). Kadangi rūšiadaros yra atsitiktinės ir jų kryptys morfologinėje erdvėje yra atsitiktinės, tapo neaišku kas sukuria milijonų metų mastelio kryptingus pokyčius. Tam paaiškinti atsirado išplėstoji hierarchinė evoliucijos teorija, kuri aiškina tokius pokyčius aukštesnio lygio rūšių ir kladų atranka ir rūšiavimu. Šie ir kiti susiję tyrimai ir naujų kiekybinių ir koncepcinių prieigų įliejimas, kaip rašo mokslo filosofai ir istorikai, pradėjo taip vadinamą „Paleobiologinę revoliuciją“ – paleontologijos mokslo transformaciją iš pagrinde aprašomojo mokslo į kiekybinį ir koncepcinį mokslą kuris yra turtingas teorija. Kai kurios teorijos netgi pakeitė žmonijos pasaulėžiūrą, pvz. masinių išmirimų mokslas, kuris parodo mūsų buvimo aplinkybiškumą ir trapumą o taip pat evoliucijos radikalų nestabilumą. Fizikoje toks perėjimas įvyko 17 amžiuje su Galilėjaus ir Niutono darbais. Paleobiologinė revoliucija nebuvo tiesiog paradigmų pokytis – tai buvo pačio mokslo radikali kokybinė transformacija. Tam tikra prasme, man kaip paleontologui koautoriavimas su Niles Eldredge, kaip įsivaizduoju, buvo toks pats kaip būtų buvęs fizikui koautoriavimas su kokiu Nilsu Boru – labai stimuliuojantis ir produktyvus gvildenant giliausias reiškinių esmės.
Nilesas 1985 metais parašė knygą „Unfinished Synthesis“ turėdamas omeny evoliucijos teorijos neužbaigtumą ir hierarchijos trūkumą biologinių esybių tyrimuose ir jų priežastingumo nagrinėjime. Šioje knygoje jis įvardijo bet daug neplėtojo taip vadinamą „Bretskio hierarchiją“, kurią jis apibrėžė kaip istorinę ekosisteminių vienetų hierarchiją, šalia požymių homologijos hierarchijos ir genealoginės monofiletinių taksonų arba Linėjaus hierarchijos. Po šios knygos 2010 metais išėjo Massimo Pigliucci ir Gerd Muller redaguota knyga „The Extended synthesis“ kuri paskelbė trečiąją evoliucijos teorijos sintezę (pirmoji sintezė yra 19 a pabaigos „Darvinismas“; antroji yra 1940-tųjų – 1950-tųjų „Šiuolaikinė sintezė“, Lietuvoje žinoma kaip „sintentinė evoliucijos teorija“). Joje buvo pripažinta hierarchijos svarba evoliucijoje, tačiau ši naujausia sintezė buvo labiau teorijų rinkinys sudarantis susijusių koncepcijų tinklą nei vientisa centriniais principais apjungta nauja sintetinė teorija (tai pastebi ir mokslo filosofai https://link.springer.com/article/10.1007/s11692-017-9438-3 ). Hierarchinė evoliucijos teorija vis dar lieka nepakankamai išvystyta, norint paaiškinti visą gyvybės evoliucijos spektrą.
Taigi, kur mes? Pradėkime nuo pradžių. Viskas prasidėjo 2022 metų pabaigoje, kai buvo atmestas vienas mūsų su doktorantu straipsnis, kuriame recenzentai nesuprato pagrindinės metodo motyvacijos, kuri buvo „Bretskio vienetų“ arba vientisų bioprovincijų išskyrimas. Pagalvojau, –„juk taip čia viskas akivaizdu“. Iš kitos pusės, jei profesionalas nesupranta – tai vargu ar daug kas kitas supras. Todėl parašiau savo pradinį įsivaizdavimą apie Bretskio vienetų prigimtį ir šį tekstą išsiunčiau Nilesui asmeninę žinutę (kadangi mes jau buvome pažįstami Twitteryje). Jį jį labai nustebino, nes kaip jis man minėjo – jis visiškai buvo pamiršęs, kad rašė apie šiuos dalykus! Tačiau, kai mes pradėjome susirašinėti, pamatėme, kad koncepcinis supratimas išties neegzistuoja ir jis turi būti išrutuliuotas.
Tokiu būdu kažkur penkių mėnesių bėgyje, mes sukūrėme apibendrintąją priežastinę ir struktūrinę hierarchinę simbiotinių sistemų teoriją ir aprašėme Bretskio hierarchiją kuri apima visas tokias sistemas. Darbai būna „mažų duomenų“ ir būna „didelių duomenų“. Šis darbas buvo „nulinių duomenų“ ir neturi nei vienos lygties – tai gryna loginė analizė ir jau žinomų dėsnių ir dėsningumų sintezė, kuri perrašo biologinio pasaulio ontologiją, t.y. kas skaitosi kaip „dalykai“ ir „objektai“ evoliuciniuose vyksmuose. Mūsų pateiktas darbas tam tikra prasme yra meta-teorinis.
Nilesas anksčiau pateikė teoriją, kad biologinis pasaulis yra dualistinis ir nėra tokio dalyko kaip tiesiog „organizacijos lygiai“ – arba sistemos priklauso informacijos kelių (genealoginei) Linėjaus hierarchijai (tai gali būti organizmai, rūšys, gentys ir aukštesnio lygmens taksonai) arba jos priklauso funkcinei ekosistemų ir bendrijų (Vernadskio, kaip mes pavadinome) hierarchijai (organizmai, avatarai (populiacijos kaip funkciniai vienetai), lokalios bendrijos, , didesnio mastelio biotos). Šiame darbe mes parodėme, kad egzistuoja ir trečiasis kelias arba būdas žiūrėti į biologinį pasaulį – taip vadinama eko-genealoginių vienetų (ta pati užvadinta bet anksčiau neaprašyta Bretskio) hierarchija. Tai biotinių vienetų (gali būti molekulės, ląstelės, organizmai, ekologinės bendrijos) sistemos, kurios yra komprartmentalizuotos laike ir erdvėje, taigi esančios ontologiniais individais ir kurios pasižymi funkcijomis ir paveldimumu. Žemesniuose lygiuose Bretskio vienetai integruojasi ir yra kompartmentalizuojami dėka biotinių sąveikų ir biotinių faktorių – tai yra ląstelių membranos, įvairaus tipo ir lygio imuninės sistemos (pvz. CRISP-R pas prokariotus), organizmo ribos, rūšių atpažinimo mechanizmai ir pan. Šie žemesnio lygmens biotiškai integruoti vienetai mūsų vadinami holobiontais. Kai sistemos dydis ir komponenčių įvairovė ir sudėtingumas didėja, biotinė integracija tampa vis labiau sudėtinga (iš to ir atsiranda prieštaravimai taip vadinamos „ekosistemų evoliucijos“ koncepcijai) – vienetai jau nebeatrodo kaip vienetai o pradeda veikti kaip sąveikų kontinuumas. Tačiau, makroskopiniame lygyje pradeda dominuoti išoriniai veiksniai, fundamentaliai geologiniai savo prigimtimi – tai gali būti topografija, klimato kontrastai, geocheminiai barjerai. Šių barjerų vaidmuo dalinai jau atpažintas evoliucijos teorijoje – jie yra taip vadinamos alopatrinės rūšiadaros priežastinis pagrindas (rūšis perskiriama fizinio barjero ir jos vietoje atsiranda dvi ar daugiau skirtingų rūšių). Tačiau, kas nebuvo atpažinta, kad šis fragmentavimo procesas individualizuoja ne tik rūšis bet ir visas bendrijas, tokiu būdu sukrudamas biotos evoliucijos koherentiškumą abiotinio kompartmento viduje, taip priverčiant biotą koevoliucionuoti ir prisitaikyti. Tokie geologiškai kompartmentalizuoti biologiniai objektai mūsų yra pavadinti geobiomais. Geologinės struktūros pasižymi teigiamu skelingu (masteliavimu, maštabavimu) – tai reiškia kuo didesni masteliai – tuo didesni yra skirtumai ir tuo patvaresnės yra šios struktūros. Tai reiškia, kad ir geobiomai kurie egzistuoja dėka tokių struktūrų tūrėtų didėti savo reikšmingume ir trukmėje priklausomai nuo jų ploto/dydžio. Dar daugiau – tai reiškia, kad egzistuoja išsišynė biotinio individualumo hierarchija formuojama fizinių barjerų, nuo mažiausių dydžių iki planetos lygio. Šiame lygyje mes turime didžiausią geobiomą, kurį mes pavadinome pasinaudodami Džeimso Loveloko terminu Gaja.
Kadangi geologiniai barjerai atsiranda ir išnyksta greičiais proporcingais jų dydžiui, mes taip pat turime barjerų atsiradimo ir išnykimo hierarchiją – taigi ir geobiomų atsiskirimų ir susijungimų hierarchiją. Kaip atrodytų geobiomų „filogeniją“? Ji būtų panaši į meandruojančią upę, kur maži srautai atsiskiria ir susijungia tarpusavyje, sudarydami didesnius srautus ir kurie sudaro dar didesnius ir t.t. Kiekvienas toks „srautas“ savyje talpina koevoliucionuojančią bendriją ir šių bendrijų susijungimo metu mes gauname inovacijų mainus, panašiai kaip ir lytiniame dauginimesi. Dėl šios priežasties mes šį procesą analogizavome „fraktaliniam (geometriškai panašiam) daugiamasteliniam lytiniam dauginimuisi“. Kadangi evoliucijos metu populiacijos (plačiąją ir hierarchine prasme) maksimizuoja Fišerio informaciją apie aplinką (populiacijos požymiai monotoniškai vis geriau atspindi išorinių stresorių pasiskirstymą, taip jį neutralizuojant) mes galime nuspėti aplinkos struktūrizacijos vaidmenį šiame daugialygiame „mokymesi“. Iš anksčiau išsakytų teiginių mes matome, kad skirtingos biotos turės skirtingą „patirtį“ dėl to, kad jų kompartmentai yra skirtingo dydžio ir trukmės. Kuo didesnė trukmė ir dydis – tuo „kompetentingesnis“ tampa geobiomas su visais jo komponentais. Taigi, iš čia mes galime nuspėti konkurencingumą skirtinguose geografiniuose regionuose – didesni geobiomai turi iševoliucionuoti savyje konkurencingesnius taksonus. Tai pvz. paaiškina, kodėl Australijos biota yra nukonkuruojama ir lengvai įskverbiama rūšių atsiradusių Eurazijoje.

Mes galime matyti, kad mažuose masteliuose biologija pati apibrėžia savo objektų individualumą, tuo tarpu dideliuose masteliuose biologinis individualumas yra „efektinis", apibrėžiamas geologinių procesų. Taigi, be makroskopinio geologijos supratimo gera dalis biologijos būtų visiškai nesuvokiama.
Bretskio hierarchija taip pat įrėmina taip vadinamus didžiuosius perėjimus evoliucijos, kurie daugumoje yra perėjimai evoliuciniame individualume (pvz. molekulių sociumas -> prokariotinė ląstelė; ląstelių kolektyvas -> daugialąstis organizmas). Dalis perėjimų vyksta tik tarp giminaičių – tai yra fraternaliniai perėjimai (pvz. koralų kolonijinio superorganizmo atsiradimas arba bičių kolonijos formavimasis), tuo tarpu kiti perėjimai vyksta persijungiant tolimai giminingiems organizmams, kaip pvz. įvyko atsirandant eukrariotams. Antro tipo perėjimai vadinosi egalitariniais perėjimais. Taigi, šie perėjimai talpinasi mūsų aprašytoje Bretskio hierarchijoje. Jos apačioje.
Be šių „klasikinių didžiųjų perėjimų evoliucijoje“ mūsų teorinis rėmelis paaiškina ir kitus reiškinius neturėjusius savo integruoto teorinio konteksto, kaip pvz. masiniai išmirimai arba terestrealizacijos (sausumos kolonizacijos) procesas. Šiuo požiūriu masiniai išmirimai irgi yra didieji perėjimai individualume, aukščiausiame individualumo lygmenyje (Gajos lygyje). Masiniai išmirimai yra laikiniai fiziniai barjerai atskiriantys skirtingas sudėtimi ir veikimo mechanizmais Gajas, panašiai kaip kokie vandenynai atskiria kontinentines biotas su savo unikaliomis biotomis. Terestrealizacija yra ne kas kitą, kaip „lygiagrečios biogeografijos“ ir kokybiškai kitokios Gajos atsiradimas ir išsišakojimas nuo vandenyninės Gajos. Kadangi vandenynai ir kontinentai labai kontrastingi geodinamikos atžvilgiu – tai užduoda skirtingas individualumo kokybes šiems aukščiausio lygio geobiomams. Vandenynai yra beveik visad susijungę/integruoti ir todėl savo individualumo lygmenyje daug panašesni į gyvūnų tipo (labai integruotus) organizmus. Tuo tarpu sausumos keliauja po visą gaublį ir tik epizodiškai susijungia į vieną superkontinentą. Dėl šios priežasties, sausuminės Gajos individualumas žymiai panašesnis į epizodiškai individualizuoto gleivūno (kuris dažniausiai egzistuoja kaip paskyros „amebos“ bet epizodiškai susijungia į integruotą vienaląstį kuris užaugina vaisiakūnį).
Mes galime pamatyti, kad gyvybės evoliucija vyksta ne tik taksonų (Linėjau) hierarchijoje bet ir polifiletinių kolektyvų (Bretskio/Vrba/Bretto/ d'Orbigny/Cuvier) hierarchijoje. Dabar mes turime nuoseklią teoriją kaip ši evoliucija vyksta, ir kokie yra jos veikėjai. Beje, tie patys principai gali būti pritaikyti bet kokio tipo evoliucinėms sistemoms (pvz. tame tarpe ir žmonių kolektyvams) ir bet kokio tipo erdvėje (pvz. kompiuterinėms programoms ir jų sąveikų tinklams). Mes šiuo tyrimu tikimės koncepcinio biologijos pertvarkymo ir iš jo išeinančių naujo tipo hipotezių ir teorijų, kurie atvirai pripažintų biologinių esinių erdviškumą, laikiškumą ir jų talpinančios erdvės savybes.
Tyrimas buvo parengtas projekto S-MIP-21-9 „Didieji perėjimai makroevoliucijoje – erdvinės struktūrizacijos vaidmuo“ lėšomis.
 Šis tyrimas ir Bretskio hierarchijos teorijos vystymas vyko sunkiu laiku kaip Niles, taip ir man. Bet kaip rodo tyrimai, sunkūs laikai paskatina emocinį išsilaisvinimą ir pamatinių koncepcijų peržiūrėjimą. Manau, kad taip šiuo atveju ir įvyko.
P.S. Antroji straipsnio pavadinimo dalis— „On the Nature of Evolutionary Things“ (Apie evoliucinių esinių prigimtį“) — yra omažas Romos filosofo Lukrecijaus darbui „De rerum natura“ (angliškai verčiamas kaip „On the Nature of Things“).
Pirmoji iliustracija – Niles Eldredge „Neužbaigtosios evoliucinės sintezės“ knygos viršelis.
Antroji iliustracija – mūsų sukurta trinarė biologijos hierarchija.
Trečioji iliustracija – Tado Razmo paveikslas parodantis erdvėje ir laike izoliuotus geobiomus (abiotinių barjerų apribotus eko-genealoginius individus).

--

AS