Jemné vyladenie a neredukovateľná zložitosť

Evolučná teória – náhoda alebo dizajn?

Základnou myšlienkou biologickej evolúcie je tvrdenie, že náhodné genetické mutácie počas nesmierne dlhých časových období viedli k vzniku fyzických alebo iných znakov, ktoré poskytli organizmom určitú výhodu pri prežití. V dôsledku toho, že prežívajúce organizmy, či už rastliny alebo zvieratá, boli úspešnejšie v rozmnožovaní, vyvinuli sa nové druhy. Tento proces postupne viedol k vzniku čoraz pestrejšej škály živých organizmov.

Štúdium Darwinových spisov odhaľuje nemenný zákon, podľa ktorého museli novovyvinuté znaky poskytovať výhodu pri prežití – iba tak mohli v populácii prevážiť. Jedným z kľúčových problémov evolučnej teórie je otázka „prechodných foriem“ – organizmov, ktorých určité znaky ešte nie sú úplne vyvinuté. Darwin zistil, že vo fosílnom zázname zúfalo chýbajú práve tieto prechodné formy, a uvažoval nad tým, prečo nie sú „v hojných počtoch pochované v zemskej kôre“ (Darwin, 1861).

Evolučné paradoxy v prírode

Zásadná námietka proti Darwinovej teórii spočíva v tom, že všetky biologické štruktúry (napríklad oko) musia správne fungovať od začiatku. Ak by tvor disponoval len čiastočne vyvinutým telom, nebol by najzdatnejším jedincem na prežitie.

Ako príklad môžeme uviesť zadné nohy lariev skokanov, ktoré pomocou skákania unikajú predátorom. V každej zadnej nohe je doslova ozubenie, ktoré umožňuje synchronizované skákanie oboma zadnými nohami (jedna voči druhej v intervale 30 mikrosekúnd) priamym smerom, so zmeraným zrýchlením na úrovni 400 až 500-násobku sily zemského pritiažlivosti.

Pre organizmy, ktorých prežitie závisí na schopnosti neuveriteľne rýchlo skákať, je nelogické, aby mohli prežiť, ak by ich nožné súkolie bolo len čiastočne vyvinuté. Ak by tieto mechanizmy neboli kompletné od začiatku, skokanské schopnosti by neboli dostatočné na únik pred predátormi, čo by viedlo k ich vyhynutiu. Tieto zistenia vyvolávajú otázky o tom, ako mohla evolúcia vytvoriť tak komplexné mechanizmy, ktoré musia od počiatku fungovať bezchybne, aby umožnili prežitie.

Prírodný ozubený prevod – hmyz nás predbehol

Naša najlepšia rozumová schopnosť viedla k vynálezu mechanického ozubeného prevodu – so súmernými zubmi zasadenými do dvoch rotačných povrchov, aby sa pri otáčaní presne zapadali. Tento objav sa pripisuje gréckym mechanikom žijúcim v Alexandrii okolo roku 300 pred Kristom. V nasledujúcich storočiach sa toto jednoduché riešenie stalo základným princípom modernej technológie, ktorá umožnila vznik rôznych strojov a dopravných prostriedkov, ako sú autá a bicykle.

Ako sa však teraz ukazuje, tri milimetre dlhý hmyz, známy ako Issus coleoptratus, nás v tomto objave už dávno predbehol. Malcolm Burrows a Gregory Sutton, dvojica biológov z univerzity v Cambridge v Anglicku, objavili, že nedospelé jedince tohto druhu majú sofistikovaný prevodový ozubený mechanizmus, ktorý uzamyká zadné nohy do seba. Tento mechanizmus umožňuje súbežnú rotáciu oboch nôh v jednom okamihu, čo vedie k súčasnému skoku vpred.

Týmto spôsobom tento maličký tvor dosahuje vysokú koordináciu pohybu, ktorá je pre jeho prežitie nevyhnutná. Tento objav poukazuje na to, že príroda dokáže vyvinúť mechanizmy, ktoré sme považovali za výlučne ľudský výtvor. Hmyz Issus coleoptratus tak predstavuje fascinujúci príklad toho, ako môže byť prírodné inžinierstvo nielen sofistikované, ale v niektorých prípadoch dokonca predbehnúť ľudskú vynaliezavosť.

Objav, ktorý bol publikovaný v časopise Science v septembri 2013, je považovaný za vôbec prvý objavený funkčný ozubený systém v prírode. Tento mechanizmus sa nachádza u hmyzu z rodu Issus, ktorý je známy aj ako „rastlinný skokan“. Tento druh sa vyskytuje po celej Európe a Severnej Afrike. Malcolm Burrows a Gregory Sutton použili na svoj výskum elektrónové mikroskopy a vysokorýchlostné videozáznamy, čím odhalili existenciu ozubeného prevodu a zobrazili jeho presnú funkciu.

Tento mechanizmus zabezpečuje perfektnú koordináciu skoku. Hlavným dôvodom pre tento ozubený mechanizmus je potreba koordinácie pohybu zadných nôh. Aby hmyz dokázal skočiť priamo dopredu, musia sa jeho zadné nohy vymrštit v úplne rovnakom čase. Ak by sa jedna noha natiahla len o zlomok sekundy skôr ako druhá, hmyz by bol vymrštený do strany, namiesto priameho skoku.

Efektivita skokanského mechanizmu

Tento ozubený systém je elegantným riešením. Vysokorýchlostné videá ukázali, že hmyz skáče rýchlosťou až 14 km/h, pričom svoje zadné nohy najprv nakloní, následne ich napriami a tým spôsobí stlačenie a výskok. Celý proces prebehne v rámci 30 mikrosekúnd, teda v tridsiatich milióntinách sekundy. Unikátny mechanizmus predstavuje vynikajúcu ukážku evolučného inžinierstva, kde sa príroda opäť ukázala ako majster v tvorbe efektívnych a presných systémov, ktoré výrazne prispievajú k prežitiu druhu.

Jemne ozubené prevody na nohách hmyzu rodu Issus umožňujú mimoriadne presný pohyb.

„K riešeniu zložitého problému, ktorý mozoček a nervový systém hmyzu Issus nedokážu vyriešiť, sa využíva jeho kostra,“ uviedol Malcolm Burrows v tlačovom vyhlásení.

Ozubené prevody sa nachádzajú na vrchole zadných nôh hmyzu (na segmentoch nazývaných trochanter/chocholík) a obsahujú 10 až 12 kužeľovitých zubov so šírkou približne 80 mikrometrov. Všetci študovaní skokani rodu Issus mali rovnaký počet zubov na každej zadnej nohe, pričom ozubenie bolo elegantne zaklesnuté. Zuby majú dokonca zaoblenie pri päte, čo je dizajn používaný aj v mechanických prevodoch vytvorených ľuďmi, pretože zabraňuje opotrebovaniu počas používania.

Na potvrdenie, že ozubené prevody skutočne plnia svoju funkciu, vedci vykonali experiment s mŕtvymi telami hmyzu Issus. Ručne nastavili zadné nohy do výskokovej polohy a následne elektricky stimulovali hlavný sval jednej nohy. Výsledkom bolo, že stimulovaná noha sa natiahla, no vďaka mechanickému prepojeniu pomocou ozubenia sa súčasne napla aj druhá, nestimulovaná noha. Mŕtvy hmyz tak napriek svojej nehybnosti skočil dopredu.

Záhada dospelých jedincov

Najväčším prekvapením však je, že dospelé jedince hmyzu Issus už nemajú žiadne ozubené prevody. Keď mladší jedinci dorastajú a ich koža líná, ozubenia sa neregenerujú a u dospelých nôh sa synchronizácia zabezpečuje iným mechanizmom – radom predĺžených výčnelkov na oboch zadných nohách, ktoré tlačia druhú nohu do pohybu.

Burrows a Sutton predpokladajú, že to môže súvisieť s krehkosťou ozubeného prevodu. Ak by sa zlomil čo i len jeden zub, efektivita mechanizmu by výrazne klesla. Pre mláďatá, ktoré opakovane línajú a tým obnovujú ozubený mechanizmus, to nie je zásadný problém. Pre dospelé jedince, ktoré už zuby nemôžu nahradiť, je však výhodnejšie použiť iný spôsob synchronizácie.

Hoci podobné štruktúry už boli objavené u iných zvierat (napríklad ostnitej korytnačky alebo Arilus cristatus), tieto sú len ozdobné a nemajú mechanickú funkciu. Tento mechanizmus u hmyzu Issus sa však javí ako prvý prírodný dizajn, ktorý skutočne funguje ako naše mechanické prevodové systémy.

„O ozubených kolesách zvyčajne uvažujeme ako o ľuďmi navrhnutých strojových zariadeniach, ale ukázalo sa, že je to len preto, že sme sa nedívali dostatočne pozorne,“ povedal Gregory Sutton. „Nájdené ozubenie nie je navrhnuté, ale vyvinuté – predstavuje vysokorýchlostné a presné mechanické zariadenie, vyvinuté na synchronizáciu v živočíšnom svete.“

Evolucionisti, ako napríklad Richard Dawkins, dlhodobo tvrdili, že naše oči majú sietnicu „obrátene“, čo údajne naznačuje, že by inteligentný projektant nikdy takýto dizajn nezvolil. Podstata ich tvrdenia spočíva v tom, že bunkové svetločivné receptory sú umiestnené až za nervami, čo má údajne brániť svetlu v jeho ceste.

Nové objavy menia pohľad na dizajn oka

V skutočnosti však výskumníci v posledných rokoch zistili, že svetlo neprechádza priamo cez nervy, ale je usmerňované nálevkovitým spôsobom cez Müllerove gliové bunky. Tieto bunky sa správajú ako optická doska, ktorá zvyšuje ostrosť zobrazenia.

„Sietnica sa javí ako optimálna štruktúra, navrhnutá na zlepšenie ostrosti obrazu.“

Okrem toho tieto bunky pomáhajú oddeliť tri základné farby, takže červené a zelené svetlo sú vedené na čípky sietnice. Iným typom svetelných receptorov sú tyčinky, ktoré sú výborne prispôsobené na nočné videnie, avšak menej účinné pri detekcii zeleného a najmä červeného svetla. Müllerove bunky preto rozptyľujú modré svetlo na tyčinky, čím optimalizujú nočné videnie.

Veľká časť tohto prekvapivého výskumu pochádza z Technionu, Izraelského inštitútu pre technológiu, z laboratória doktora Erez Ribaka. Ribak, pôvodne astrofyzik, ktorý sa zameriaval na štúdium hviezd, prešiel k štúdiu očí. Jeho výskum preukázal, že Müllerove bunky musia mať správnu výšku a šírku, aby dokázali efektívne odfiltrovať rôzne farby:

„Ak je sietnica príliš hrubá alebo príliš tenká, stáva sa neúčinnou.“

Tento fakt dokázal vedením svetla rôznych farieb na sietnice človeka a prasete, pričom demonštroval, ako je svetlo riadené. Ribak vysvetľuje:

„Sietnica oka bola optimalizovaná tak, aby rozmery a hustoty gliových buniek zodpovedali farbám, na ktoré je oko citlivé. Táto optimalizácia zabezpečuje intenzívnejšie farebné videnie počas dňa, pričom nočné videnie je tým ovplyvnené len minimálne.“

Červené a zelené svetlo sú vedené nálevkovitým spôsobom cez bunky, zatiaľ čo modré svetlo je viac rozptyľované. Tento mechanizmus umožňuje optimalizáciu farebného videnia, pričom každá farba je smerovaná tam, kde je najefektívnejšie spracovaná.

Mark Hankins, profesor zrakovej neurovedy na univerzite v Oxforde, poskytol ďalšie vysvetlenie, prečo je sietnica „obrátene“ orientovaná. Podľa neho je to z dôvodu odstraňovania opotrebovaných bunkových komponentov a prístupu k zdroju energie molekúl citlivých na svetlo. Tieto možnosti zabezpečuje vrstva za svetelnými receptormi, ktorá sa nazýva retinálny pigmentový epitel (RPE).

Priestorovo úsporné riešenie

Práve toto usporiadanie znamená, že nervové vedenie nemôže byť umiestnené až za receptormi. Na tento fakt už dávnejšie poukazoval kreacionistický oftalmológ dr. George Marshall na stránkach nášho časopisu.

Ďalšie výskumy potvrdzujú, že obrátená sietnica predstavuje vynikajúce riešenie pre úsporu miesta, najmä u malých očí. Na základe analýzy očí mláďaťa zebry sa ukázalo, že práve táto štruktúra je optimálna z hľadiska miestneho rozloženia, čo je zásadné najmä pri malých očiach, kde je každé zefektívnenie priestoru dôležité. Tieto zistenia poukazujú na to, že sietnica, napriek svojej zdanlivej „obrátenosti“, predstavuje dômyselné a funkčne efektívne riešenie, ktoré zabezpečuje optimálne farebné videnie a efektívne využitie priestoru v oku.