Nincs ismétlés az élet színpadán - az evolúcióelmélet őslénytani bizonyítékai

Darwin A fajok eredete című művének megjelenésekor, 1859-ben még viszonylag kevés olyan kézzelfogható bizonyítékkal rendelkezett, amelyek alátámasztották az élőlények evolúciójáról alkotott elképzeléseit. Az azóta eltelt idő alatt azonban az egyre gyarapodó paleontológiai fölfedezések, valamint a genetika és a molekuláris biológia tudományának létrejötte és eredményei mind az evolúcióelmélet alapvető helyességét igazolták.

2009-ben két kiemelkedő, a mai természettudományt alapvetően meghatározó évfordulót is ünnepel a tudományos világ. 200 éve, 1809. február 12-én született a modern evolúcióelmélet kidolgozója, Charles Robert Darwin, és 150 éve, 1859. november 24-én jelent meg főműve, A fajok eredete, amely azután alapvetően megváltoztatta tudományos világképünket. E két évforduló tiszteletére evolúciós cikksorozatot jelentetünk meg, amelynek első részében Darwin életútját és evolúcióelméletének megszületését mutattuk be, most pedig az ősmaradványok szerepét tekintjük át.

A kőzetek kora

Darwin korában még csak nagyvonalú becslések léteztek a Föld korával kapcsolatban. Azt már a 19. században is tudták, hogy a Föld belseje több ezer Celsius-fok hőmérsékletű, és a hővezetés törvényének segítségével Darwin kortársa, Lord Kelvin kiszámította, hogy a Föld nem lehet idősebb 40 millió évesnél, különben régen kihűlt volna a belseje. Ez az idő azonban túl rövid volt Darwin számára. Az élőlények tulajdonságainak kis változások igen hosszú sorozatán alapuló evolúciós elmélete több időt követelt a földi élet fejlődéséhez.

A radioaktivitás 1896-os fölfedezését - amely több milliárd évre kitolta a Föld korát - Darwin már nem élhette meg. Ezután világossá vált, hogy az urán, a tórium és a kálium radioaktív bomlásainak hatalmas energiája évmilliárdokig biztosíthatta a Föld belsejének melegét. A radioaktivitás szolgáltatja az energiát a földrengésekhez, a vulkánkitörésekhez, és a kontinensek vándorlásához. Nem utolsó sorban az úgynevezett radioaktív óra (lásd a keretes írást) segítségével meg lehet határozni a Föld és a földi kőzetek egy részének a korát is. A Föld korát a jelenlegi számítások kis híján 4,6 milliárd évre teszik. A legősibb egysejtű élőlények (archaeák) ősmaradványai 3,5-3,8 milliárd évesek. Ez a hatalmas időintervallum már elegendő az evolúciós folyamatok lejátszódásához.

Az üledékképződés mindig a földfelszínen zajlik, így a legfiatalabb üledékes kőzetek vannak a rétegsorban legfelül. Ideális esetben minél mélyebbre hatolnánk a földkéregbe, annál idősebb kőzetekre akadnánk, míg végül elérnénk a jelenleg legidősebbnek tartott, 4,28 milliárd éves Nuvvuagittuq zöldkövet. A valóságban természetesen soha nem ilyen ideális állapotok uralkodnak. A különböző tektonikai folyamatok (gyűrődések, törések mentén lezajló kiemelkedések, hegységképződés stb.) révén a mélyben rejtőző rétegek is a felszínre kerülhetnek. Ez részben előnyös a kutatók számára, mivel olyan kőzeteket is közvetlenül lehet tanulmányozni, amelyekhez egyébként csak a mélyfúrások során kiemelt, erősen korlátozott mennyiségű mintákkal jutnánk hozzá. Ugyanezek a folyamatok persze problémákat is okoznak, hiszen a tektonika sokszor megkeveri, vagy akár teljesen fejreállítja az "ideális" rétegsorokat.

Üledékes kőzetek Balatonfüred mellett egy vasúti bevágásban. Az alul lévő vörös homokkő anyaga a földtörténeti perm időszakban, sivatagi körülmények között rakódott le. Ezután a triászban egy tengerelőrenyomulás következett, és meszes iszap borította el a területet, létrehozva a világos kőzet alapanyagát. A fiatalabb kőzet van felül, mert a rétegsort kissé megdöntő hatások nem zavarták össze az eredeti települési viszonyokat. A kőzetek tehát az ősföldrajzi környezetet is dokumentálják

Radioaktív óra

A radioaktív izotópok (azonos protonszámú, de különböző neutronszámú elemek) fontos tulajdonsága az úgynevezett felezési idő. Ez azt adja meg, hogy hány év alatt bomlik le és alakul át egy adott radioaktív elem adott mennyiségének fele a sorban következő radioaktív izotóppá, illetve végül egy stabil elemmé. A két elem arányából meglehetősen pontosan meg lehet határozni a bomlás kezdete óta eltelt időt, vagyis az ezeket tartalmazó anyagok korát (ún. abszolút kormeghatározás). Egyes, főként vulkáni eredetű kőzetek például radioaktív káliumot, uránt és tóriumot tartalmaznak. Ezek mindegyike sajátos, az illető elemre jellemző ütemben bomlik el. Az urán 238-as izotópjának a felezési ideje 4,5 milliárd év, s elbomlásakor 206-os (stabil) ólomizotóp keletkezik. Egy adott kőzet korát így az urán és az ólom arányának meghatározásával egyszerűen ki lehet számolni. A radioaktív elemeket nem tartalmazó üledékes kőzetek korát a radioaktív elemekkel rendelkező rétegekhez viszonyított helyzetükből következtetik ki.

Az evolúció a rétegsorokban is látható

Ha a fosszilizálódásnak kedvező (rendszerint üledékes) kőzetrétegekben kutatunk, akkor - szerencsés esetben - számos olyan ősmaradványra bukkanhatunk, amely jellemző arra a földtörténeti korszakra, amikor az adott réteg lerakódott.. Az azonos korú és azonos környezetben lerakódott rétegekben mindig nagyon hasonló ősmaradványokat találunk, legyenek azok bárhol a világon. Dollo törvénye kimondja, hogy "Egy szervezet nem képes - még részben sem - visszatérni az ősei által képviselt formákhoz (tulajdonságokhoz)". Ma ezt leginkább úgy emlegetik, hogy az evolúció nem ismétli meg önmagát. Ha mégis azonos vagy hasonló funkciójú szerv alakul ki egy régebben eltűnt helyett, az sosem "visszafejlődéssel" jön létre, hanem új evolúciós fejleményként. Napjainkban a tétel általános igazsága megingani látszik (muslicáknál laboratóriumi körülmények között megfigyeltek például bizonyos reverz evolúciós folyamatokat), de az élővilág nagy többségét tekintve és a természetes szelekciót véve alapul érvényesnek tekinthető.

A fenti állítás annyira igaz, hogy nemcsak a földtani rétegek kora alapján lehet meghatározni az ősmaradványok korát, hanem fordítva is: a rétegekben talált ősmaradványok alapján nagy biztonsággal megmondható egy adott földtani réteg kora (ún. relatív kormeghatározás). Itt azonban nem évmilliókban tudjuk megadni a kőzet korát, hanem csak az egymáshoz viszonyított helyzetüket: egy adott réteg idősebb, fiatalabb, vagy éppen egykorú egy másik réteghez viszonyítva. Az üledékes kőzetek ősmaradványtartalma, illetve a relatív koruk meghatározása segíti elő az egymástól távol lévő rétegsorok összehasonlítását, azonosságuk és egykorúságuk megállapítását (ún. rétegtani korreláció). Természetesen minél távolabb van egymástól a két rétegsor, annál nehezebb és bizonytalanabb a korreláció elvégzése.

Ha képzeletben lentről felfelé (azaz az idősebbtől a fiatalabb felé) haladunk a rétegekben, akkor egyre összetettebb élőlények ősmaradványaira bukkanunk. Minél régebbi egy kövületet tartalmazó réteg, annál nagyobb a különbség a fosszília és a ma élő fajok között. Darwin szerint ennek az lehet a magyarázata, hogy a későbbi rétegek flórája és faunája fokozatos fejlődéssel alakult ki a korábbi rétegekben előforduló élőlényekből. Ugyanakkor találkozhatunk olyan fajokkal is, amelyek szinte semmit nem változnak akár több száz millió éven keresztül (ún. élő kövületek, pl. bojtosúszós hal vagy Gingko biloba).

A kőzetek és ősmaradványok segítségével állt össze a földtörténeti kortáblázat, amelynek az abszolút értékeit is ismerjük. Az ősidőről és az előidőről nem sokat tudunk, mert nincs vagy viszonylag kevés innen az ősmaradvány, és azóta a kőzetek nagy része is átalakult

Nem egyenletes az evolúció sebessége

Az élővilág fejlődése azonban nem egyenletesen zajlik, mivel a külső környezeti tényezők időnként drasztikusan beleavatkoznak az események menetébe. Egy aszteroida-becsapódás, egy jégkorszak vagy egy nagyon aktív vulkáni működéssel jellemezhető időszak (vagy különösen ezeknek az együttes előfordulása) gyakran tömeges kihalásokat okozott a Földön. Öt nagy kihalási esemény mellett számos kisebb epizód színesítette a bolygónk történetét, amikor globális vagy regionális méretekben az éppen aktuális élővilág fajainak jelentős része viszonylag rövid idő alatt eltűnt.

A krétavégi nagy fajkihalást egy néhány kilométer átmérőjű test becsapódása okozta

Egyes környezeti fülkék ilyenkor szinte teljesen kiürültek, ami viszont később arra teremtett lehetőséget, hogy a túlélő fajok ide bevándoroljanak, és az adott környezethez alkalmazkodva számos új faj alakuljon ki. Az evolúció tehát nem állandó sebességgel zajlik, hanem hosszabb-rövidebb nyugodt periódusokat követve időnként ugrásszerűen megnövekedhet a megjelenő új fajok száma.

Hiányos sorozatok

Ha elfogadjuk, hogy az evolúció objektív tény, akkor azt gondolhatnánk, hogy az ősmaradványok mindig jól dokumentálják az ősöktől az utódokig vezető fokozatos és töretlen fejlődést. A paleontológusok azonban azt tapasztalják, hogy nagy hiányok vannak szinte minden törzsfejlődési sorozatban. Vajon mi lehet ennek az oka?

Darwin is egész életében azt hangoztatta, hogy ennek magyarázata a fosszilis leletanyag hiányos voltában rejlik. A valamikor élt lények végtelenül csekély hányada őrződött meg kövületként. A fosszíliákat tartalmazó geológiai rétegek gyakran olyan kőzetlemezekhez tartoztak, amelyeket a lemeztektonikai folyamatok később megsemmisítettek. Más rétegek erősen meggyűrődtek, összenyomódtak és átalakulásuk (metamorfózisuk) közben a fosszíliák megsemmisültek. A fosszíliákat rejtő rétegeknek csak kicsiny töredéke van a Föld felszínén. Az is elképzelhetetlen, hogy minden elpusztult egyed fosszilizálódjon, hiszen e folyamat lejátszódásához a körülmények rendkívül szerencsés egybeesése kell. A tetemek zöme elrothad vagy ragadozók, illetve dögevők gyomrában köt ki. Csak akkor lesz belőlük kövület, ha rögtön pusztulásuk után betemeti őket valamilyen üledék vagy vulkáni hamu.

Ritka és értékes átmeneti alakok

A szerencsés véletleneknek (no meg a kutatók áldozatos munkájának) köszönhetően azonban néha előkerül olyan ritka fosszília is, amely összeköttetést teremt az ősök és leszármazottaik között. Az első ilyen hiányzó láncszem, az 1861-ben fölfedezett, felső jurából származó (145 millió éves), a hüllők és a madarak közötti átmenetet mutató Archaeopteryx volt.

A legutóbbi ilyen szenzációs lelet pedig a halak és a szárazföldi állatok közötti átmenetet képviselő Tiktaalik roseae. Mint a fenti grafikán látható, ennél az állatnál már megjelentek a szárazföldi állatokra jellemző végtagok, valamint kialakult a fej elfordításához nélkülözhetetlen nyak. Néhány további érdekes átmeneti fosszíliát a keretes részben mutatunk be.

Néhány híres átmeneti fosszília

Archaeopteryx-fosszília

Néhány hónapja egy fiatal amerikai kutató fölfedezései megoldást hoztak egy olyan evolúciós rejtélyre, amely annak idején még Darwint is zavarba ejtette. Matt Friedman, az illinoisi Chicago Egyetem evolúcióbiológus doktorandusza három újravizsgált ősmaradvánnyal igazolta, hogy a lepényhalak szeme fokozatosan tolódott egy oldalra az idők során. Olyan kifejlett, ősi állatok maradványait azonosította, amelyeknél az egyik szem átvándorlása még csak részlegesen történt meg.

Tavaly nyáron tovább finomította a halaktól a kétéltűek felé vezető fejlődésről alkotott képünket egy újabb ősmaradvány fölfedezése. A felső devonban élt átmeneti formára, a Ventastega curonica fosszíliájára Lettországban találtak rá. A lelet erősen hiányos, ennek ellenére jól felismerhető, hogy az élőlény a Tiktaalik és az Acanthostega (az első igazi szárazföldi kétéltű) között helyezkedik el.

Szintén pár hónapja számoltak be a tudósok a Nature hasábjain arról, hogy valószínűleg megtalálták a farkos (szalamandrák) és a farkatlan kétéltűek (békák) közti régóta keresett átmeneti alakot. Ez a lény a Gerobatrachus hottoni ("Hotton öregebb békája") nevet kapta.

A talán leghíresebb evolúciós átmeneti forma a minden evolúcióelméleti tankönyvben szereplő Archaeopteryx. A hüllők és a madarak közti egyik átmenetnek tekintett "ősmadár" egyike lehetett az első röpképes madaraknak. A madarakra jellemző tulajdonságok (tollas végtagok, mellcsont stb.) mellett számos ősi hüllőjegyet megőrzött: a madaraktól eltérően apró fogai voltak és hosszú, csontos farka, mint az abban az időszakban, a jurában élt dinoszauruszoknak.

Az ősmaradványok tehát, bár néha szórványosan fordulnak elő, megkerülhetetlen bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy az élet legalább 3,5 milliárd éve elindult azon az úton, mely során az egyszerű mikrobáktól eljutott mai állapotáig.

Következik: az evolúció genetikai és molekuláris biológiai bizonyítékai