שמרנות וחדשנות במהלך האבולוציה: פרקים בסיפור וסיפור על פרקים

המחקר האבולוציוני דומה במידה רבה למחקר ההיסטורי [1] בכך שהוא כולל בתוכו שתי מטרות מחקריות שונות. מצד אחד ישנה השאיפה ל סיפור היסטורי המתאר אילו אורגניזמים חיו באיזה תקופות, אילו שינויים ספציפיים הם עברו בתגובה לשינויים בסביבה ומה הם יחסי הקירבה בין אורגניזמים שונים (מה קרה), ומצד שני השאיפה להבין את העקרונות והכללים המובילים לשינויים באורגניזמים חיים לאורך ההיסטוריה האבולוציונית (איך קרה). להשגת שתי מטרות אלו משתמשים חוקרי האבולוציה בגישות מחקריות שונות ושיטות נבדלות שרק לעתים ישנה חפיפה ביניהן. לשחזור האירועים האבולוציונים משתמשים חוקרי האבולוציה בעיקר בפליאונטולוגיה (חקר מאובנים), באנטומיה השוואתית (דמיון ושוני בין דגמי גוף של אורגניזמים שונים) ובסיסטמטיקה (קביעת יחסי קרבה בין אורגניזמים). להבנת העקרונות המנגנוניים ניתן להשתמש בכלים מולקולריים להבנת מוטציות ושינויים גנטיים אחרים, ובמקביל מקובל להשתמש בכלים חישוביים ותאורטיים לבניית מודלים המתארים שינויים לאורך זמן.

בשנים האחרונים שתי מטרות אלו הולכות ומתקרבות, ויותר ויותר חוקרים עובדים בממשק בין הבנת תהליכים באופן כללי לבין יישום העקרונות הכלליים לשחזור אירועים אבולוציוניים ספציפיים. התקרבות זו מתאפשרת בעקבות מספר מהפכות מחקריות בביולוגיה בכללותה, ובראשן המהפכה המולקולרית/גנומית של סוף המאה העשרים. ההתקדמות הדרמטית בביולוגיה המולקולרית מאפשרת מצד אחד כלים טכניים חדשים וחזקים יותר מאלו שהיו ברשות החוקרים בעבר, ומצד שני מאפשרת הבנה טובה יותר של תהליכים ביולוגיים ברמה המנגנונית הבסיסית ביותר.

בבסיס כל שחזור אבולוציוני עומד הצורך בקיומו של עץ פילוגנטי אמין. עץ פילוגנטי הוא סכימה של יחסי הקרבה בין האורגניזמים, או קבוצות האורגניזמים (טקסונים), בהם המחקר דן. למעשה, עץ פילוגנטי הוא היפותיזת מחקר אודות רצף של פיצולים אבולוציוניים של טקסון אחד לטקסוני בת, והוא כבר מספר סיפור (היפותטי) אודות ההיסטוריה של האורגניזמים הנדונים, והאבות המשותפים לאורגניזמים קרובים (ראו תמונה 1). ניתן לבנות את העץ תוך שימוש במגוון מקורות מידע. בשיטות פילוגנטיות קלאסיות, העץ נבנה על ידי השוואת אוסף גדול של מאפיינים אנטומיים. אורגניזמים להם יש תכונה אנטומית משותפת הם בסבירות גבוהה קרובים יותר זה לזה מאשר אורגניזמים החסרים תכונה זו. תכונה המשותפת למספר טקסונים מרמזת על כך שכל אותם טקסונים הם בעלי מוצא משותף. על ידי שימוש בכלים חישוביים ניתן לעבור על מספר גדול של תכונות ולשחזר את רצף הפיצולים האבולוציוניים המסביר בסבירות הגבוהה ביותר את התפלגות התכונות שאותן אנו רואים.

 

תמונה 1

"עץ פילוגנטי פשוט"

 

הבעיה בשימוש בעץ פילוגנטי המבוסס על תכונות אנטומיות מתעוררת כשאנו באים לחקור את האבולוציה של תכונה אנטומית (מבנה גוף או איבר) שבהם השתמשנו ביצירת העץ. אם יחסי הקרבה בין שני טקסונים בעץ מסתמכים על כך שהם חולקים תכונה מסוימת, אי אפשר לשאול שאלות אודות האבולוציה של תכונה זו, מכיוון שכך אנו נקלעים לטיעון מעגלי. קרי אורגניזם א' וב' קרובים מכיוון שהם חולקים תכונה X, ומכאן המסקנה שתכונה X היתה קיימת באב המשותף שלהם. הדרך לפתרון הבעיה חייבת להיות בניית העץ הפילוגנטי על בסיס מאגר נתונים נפרד מזה שאותו אנו מבקשים לחקור. העלייה הדרמטית בזמינותם של נתונים מולקולריים בשנים האחרונות מאפשרת מאגר נתונים כזה בדיוק. בניית עצים פילוגנטיים על פי נתונים מולקולריים החלה כבר בשנות ה-60 של המאה הקודמת, והופכת בהדרגה לשיטה הנפוצה והמקובלת ביותר בעולם המדעי. כיום ניתן לקבל בקלות יחסית רצפי DNA ארוכים הכוללים מידע רב בהרבה מזה שניתן לקבל מנתונים אנטומיים הנאספים בעמל רב. יתרה מכך, ניתן לבחור את הרצפים בהם משתמשים כך שיהיו ניטראליים, כלומר יהיו נטולי קשר לתכונות אנטומיות כלשהן. עצים כאלו יכולים לשמש כהיפותזה פילוגנטית למגוון מחקרים אודות האבולוציה של תכונות רבות ומגוונות.

במהלך 15 השנים האחרונות פורסמו מספרים גדלים והולכים של עצים פילוגנטיים המכסים טקסונים רבים ומגוונים של חיידקים, חד-תאיים, צמחים ובעלי חיים. עצים אלו הם ברזולוציה גבוהה יותר ומסתמכים על מאגרי נתונים ענקיים, שעליהם ניתן היה רק לחלום לפני עשורים ספורים. עצים אלו הביאו לשינוי מהותי בהבנת יחסי הקירבה בין קבוצות טקסונומיות וחייבו חשיבה מחודשת אודות האבולוציה של קבוצות רבות. השחזור הפילוגנטי החדש בבעלי חיים העלה הבדלים גדולים במיוחד יחסית לשחזורים שהיו מקובלים בעבר, ואשר נבנו על סמך תכונות אנטומיות (ראו תמונה 2). המסקנה הבולטת והמפתיעה ביותר הנובעת מיחסי הקרבה בין בעלי חיים, כפי שהם משתקפים בעצים החדשים, היא שקבוצות בעלי חיים בעלות מבנה גוף דומה אינן בהכרח קרובות מבחינה אבולוציונית והדמיון הוא לעתים קרובות תוצאה של אבולוציה מתכנסת. עקרון האבולוציה המתכנסת או הקונברגנציה ידוע ומוכר כבר שנים רבות. באבולוציה מתכנסת תנאים סביבתיים דומים מובילים להופעה מקבילה של תכונות בקבוצות רחוקות. הדוגמא המוכרת ביותר היא אבולוציה מתכנסת של טיפוסים רבים של בעלי חיים בין יונקי השלייה, הנפוצים ברוב העולם, לבין יונקי הכיס הנפוצים בעיקר באוסטרליה. כך ישנם באוסטרליה זאב כיס (שנכחד בראשית המאה ה-20), ארנב כיס,  סנאי כיס וחפרפרת כיס הדומים למיני יונקים אחרים בשאר העולם, אך לא קרובים אליהם אבולוציונית. כיום, עם הפילוגנזה החדשה, מסתבר שהאבולוציה המתכנסת נפוצה בהרבה מכפי שמקובל היה לחשוב, וקיימת גם ברמות טקסונומיות גבוהות.

 

תמונה 2

"פילוגנזה ישנה לעומת חדשה"

 

המקרה הבולט ביותר של יחסי קירבה שלא נחזו על ידי העצים הפילוגנטיים הקלאסיים נוגע לקבוצות בעלי חיים בעלי מבנה גוף סגנמטלי. סגמנטים או פרקים הם יחידות אנטומיות החוזרות על עצמם לאורך הציר הקדמי-אחורי של בעלי החיים. כל יחידה חוזרת כזו כוללת בתוכה תת-יחידות ממערכות גוף שונות. היא יכולה לכלול רכיבים ממערכת השלד, ממערכת השרירים, ממערכת העצבים וממערכות אחרות (ראו תמונה 3). לדוגמא, גופנו בנוי באופן סגמנטלי, גם אם זה לא ברור כל-כך לעין! לאורך הגוף ישנן חוליות עמוד השדרה, שהן מבנים סגמנטליים. כל זוג חוליות סמוכות מחוברות על ידי שריר סגמנטלי. כל שריר כזה מקבל אספקת דם על ידי עורק סגמנטלי, ומבוקר על ידי מצבור תאי עצב סגמנטלי. מבנה סגמנטלי הוא בעל יתרונות רבים. ישנם יתרונות ברורים, כמו בקרה טובה יותר על תנועה, ופיזור מערכת העצבים לאורך הגוף. אך מעבר לכך ישנם יתרונות אבולוציוניים. כאשר הגוף בנוי מיחידות חוזרות הבנויות על פי דגם משותף, כוחות האבולוציה יכולים לשנות רק סגמנט אחד או מספר סגמנטים, וכך לאפשר שונות גדולה מאוד בהתבסס על וריאציות על דגם קיים. הקבוצה בעולם החי לה אנו שייכים היא החוליתנים (או בעלי חוליות) שכל חבריה הם בעלי סגמנטים. קבוצות אחרות בעולם החי שהן בעלות מבנה סגמנטלי הן פרוקי הרגליים (הקבוצה הכוללת חרקים, עכבישים, נדלים וסרטנים) והתולעים הטבעתיות (קבוצה הכוללת את שילשולי הגשם המוכרים, את העלוקות וכן מספר גדול של תולעים ימיות מוכרות פחות). על פי העצים הפילוגנטיים המבוססים על אנטומיה, שתי הקבוצות האחרונות נחשבו תמיד לקבוצות קרובות מאוד בהסתמך על הדמיון בדגם הגוף הסגמנטלי. מעבר לכך, פרוקי הרגליים נחשבו תמיד כקבוצה שמוצאה האבולוציוני הוא מתוך התולעים הטבעתיות. העצים המבוססים על נתונים מולקולריים מראים בדרגת בטחון גוברת שפרוקי הרגליים והתולעים הטבעתיות שייכים לשני ענפים מרוחקים מאוד של עולם החי. פרוקי הרגליים קרובים ביותר לקבוצת תולעים פשוטות ומיקרוסקופיות המכונה תולעים עגולות או נמטודות, ואילו התולעים הטבעתיות קרובות ביותר דווקא לרכיכות (חלזונות, צדפים ותמנונים). רק השימוש במאגר נתונים המנותק מן המבנה האנטומי אפשר את הבנת יחסי הקירבה הללו.

 

תמונה 3

"תיאור סכמטי של דגם גוף סגמנטלי"

 

תוצאה לא פחות מפתיעה של השחזורים הפילוגנטיים החדשים היא קבורתו של עקרון האבולוציה הפרוגרסיבית של עולם החי. מאז שחר הביולוגיה היה נפוץ הרעיון שבעלי חיים בעלי דגם גוף פשוט יותר הם פרימיטיביים יותר, ושלאורך האבולוציה ניתן לראות עליה הדרגתית במורכבות וב"מודרניות" של בעלי החיים. בהתאם לתפיסה זו, שורטטו עצים פילוגנטיים בהם כל בעלי החיים הפשוטים נמצאים קרוב לבסיס העץ, אחריהם בעלי חיים מורכבים מעט יותר, ובצמרת העץ כל הקבוצות של בעלי החיים בעלי דגם גוף מורכב. בעצים המתפרסמים בשנים האחרונות מופיעות מספר קבוצות של בעלי חיים בעלי דגם גוף פשוט מאוד בקירבה אבולוציונית לבעלי חיים מורכבים בהרבה (ראו תמונה 2). קבוצות מורכבות מופיעות בענפים שונים של העץ ואין כל עדות לעלייה צפויה וקבועה במורכבות לאורך האבולוציה. המסקנה הבלתי נמנעת ממבנה פילוגנטי זה היא שהרבה טקסונים פרימיטיביים לכאורה הם צאצאים של טקסונים מורכבים הרבה יותר. כיצד זה יתכן? מסתבר שבחלק גדול מן המקרים, בעלי חיים בעלי דגם גוף פשוט הם או קטנים מאוד, או טפילים. בבעלי חיים קטנים המותאמים לחיים בין גרגרי חול או בשכבות מים דקות באזורים לחים ישנו יתרון אבולוציוני לחסכנות. כל מבנה או איבר מיותר מקשה על הישרדות והולך לאיבוד עם הזמן. כך, אבולוציה של גודל קטן הולכת יד ביד עם אבולוציה לכיוון דגם גוף פשוט יותר. בעלי חיים טפיליים חיים על או בתוך בעל חיים אחר, ומסתמכים עליו לכל צרכיהם, החל בתזונה וכלה בהגנה. אורך החיים הטפילי מאפשר "ויתור" על מבנים ומערכות מיותרים. אין כמעט צורך בתנועה, מכיוון שכל מה שצריך נמצא במקום אחד, אין כמעט צורך בהגנה, ומערכת העיכול יכולה להיות פשוטה מאוד, מכיוון שהמזון מגיע אל הטפיל מוכן לאכילה. כך גם אבולוציה של אורך חיים טפילי מלווה לרוב באבולוציה של דגם גוף פשוט מאוד ומתמחה לתפקוד מסוים. חשוב לסייג ולהדגיש כי בכל זאת נכון לומר שלאורך זמן ארוך מאוד ישנה עלייה בממוצע במורכבות של עולם החי, אך לאורך ענף אבולוציוני אחד ניתן לראות גם עלייה במורכבות וגם ירידה במורכבות כתוצאה מהקטנה או טפילות, או כפי שאומרים במוספי הכלכלה: "מגמה מעורבת". כמו בדוגמא שהובאה מוקדם יותר, גם כאן, רק עצים פילוגנטיים המבוססים על נתונים נייטראלים יכלו להצביע על התופעה.

יוצא אם כך, שההנחה שבעלי החיים הפשוטים ביותר מקבילים לבעלי החיים המוקדמים ביותר אינה נתמכת על ידי העובדות. זה מעורר את השאלה כיצד נראו בעלי החיים המוקדמים ביותר - אלו שהם אבותיהם של כל בעלי החיים שאנו רואים היום? לצורך הדיון נתרכז רק בקבוצת בעלי החיים בעלי הסימטריה הדו-צדית, הקבוצה המכונה בילטריה. הבילטריה כוללים את רוב החיות המוכרות, מתולעים, דרך חלזונות, כוכבי ים וחרקים וכלה בבעלי חוליות ויונקים. בקבוצה זו לא כלולים שושנות הים, אלמוגים מדוזות וספוגים, שהם בעלי סימטריה מעגלית או חסרי סימטריה, והם שייכים לקבוצות שנפרדו מן הבילטריה עמוק בשחר החיים. אם נסתכל במבנה העצים הפילוגנטיים הקלאסיים, הרי שנגיע למסקנה שהאב הקדום של כל הבילטריה היה דומה ליצורים הנמצאים בבסיס העץ - תולעים פשוטות, חסרות גפיים, חסרות עיניים עם מבנה גוף אחיד וללא תוספות מיוחדות. היצורים החיים הדומים ביותר לאב קדום היפוטתי זה הם התולעים השטוחות או הנמטודות שהוזכרו קודם לכן. על פי העצים הפילוגנטיים החדשים מסקנה זו כנראה שגויה. קיומם של יצורים בעלי מבנים אנטומיים מורכבים בכל ענפי העץ, והעובדה שהיצורים הפשוטים לכאורה אינם בהכרח בבסיס העץ מעידים על כך שהאב הקדום המשותף לכל הבילטריה חייב היה להיות יצור מורכב בהרבה מכפי שהיה מקובל להניח עד כה. ישנו ויכוח סוער אודות עד כמה היה מורכב, אך נראה שהיו לו לפחות רקמות תמיכה פנימיות, ראש עם אברי חוש מפותחים כולל עיניים, מוח המורכב מאזורים נבדלים וכולל מספר סוגי תאים, ואולי גם גפי תנועה כלשהן.

הויכוח נעשה סוער במיוחד כאשר באים לדון במבנה הסגמנטלי של אותו אב קדום היפותטי של כל הבילטריה. כאן נחלקים החוקרים לשני מחנות המסרבים להגיע להסכמה. מחנה אחד טוען שהמורכבות של דגם הגוף הסגמנטלי היא כזו שלא יתכן שהוא הופיע מספר פעמים במהלך האבולוציה, ולכן האב הקדום היה בהכרח בעל גוף הבנוי מפרקים. על פי טענה זו, חלק מצאצאיו של האב הקדום שמרו על המבנה הסגמנטלי וחלק איבדו אותו במהלך האבולוציה. מנגד, טוען המחנה השני שהמבנה הסגמנטלי מקנה יתרונות רבים כל-כך לבעל החים, שלא יתכן שמאב בעל פרקים יצאו כל-כך הרבה צאצאים חסרי פרקים, ולכן האב הקדום היה בעל מבנה גוף בלתי-סגמנטלי, והמבנה הסגמנטלי הופיע מספר פעמים בנפרד.

על בסיס הנתונים שהוצגו עד עתה, ישוב הסכסוך המדעי המתואר אינו אפשרי. פתרון התעלומה ושחזור טוב יותר של אבי הבילטריה מחייבים מידע נוסף. כאן המקום לחזור לאבחנה שעשיתי בראשית המאמר - אבחנה בין תיאור אירועים היסטוריים אבולוציוניים, לבין מציאת מנגנוני שינוי אבולוציוני. כאן גם המקום להציג תחום מחקרי חדש בחקר האבולוציה: ביולוגיה התפתחותית אבולוציונית או בשמה העממי  [2evo-devo [. ההנחה העומדת בבסיס תחום זה היא שכל בעל חיים שאנו רואים הוא תוצר הן של תהליך ההתפתחות העוברית שלו מביצה ועד בוגר, והן של התהליכים האבולוציוניים שאבותיו עברו. שינויים בדגם הגוף של בעל חיים הם בהכרח שינויים בתהליך ההתפתחות העוברית היוצר את דגם הגוף. מכאן, מחקר השינויים שעברו עוברים לאורך האבולוציה שופך אור גם על רצף הארועים (מה קרה) וגם על מנגנון השינויים (איך קרה). בפועל, אין ברשותנו עוברים של בעלי חיים שחיו בעבר ונכחדו. לכן, חוקרים בתחום הביולוגיה ההתפתחותית האבולוציונית מסתכלים במגוון עוברים של בעלי חיים הקיימים היום ומנסים להבין מתוך ההבדלים בין העוברים כיצד השתנה תהליך ההתפתחות לאורך העידנים.

התהליכים ההתפתחותיים המובילים ליצירת דגם גוף סגמנטלי נחקרו ונחקרים במספר רב של מעבדות. רוב הידוע לנו על תהליכים אלו נגזר ממספר קטן יחסית של מיני בעלי חיים המכונים "חיות מודל". אלו הן חיות שנוח לגדלן במעבדה, לקבל מהם עוברים ולערוך ניסויים על העוברים. חיות המודל הנפוצות בתחומים אלו הן התרנגולת, הצפרדע הרפואית (קסנופוס), דג הזברה וזבוב הפירות (דרוזופילה). שלוש הראשונות שייכות כולן לבעלי החוליות, ותהליך יצירת הסגמנטים בשלושתן די דומה. הסגמנטים העוברים נקראים סומיטים והם נגזרים מאזור אחורי בעובר. הסומיטים נוצרים בזה אחר זה כשהקדמיים נוצרים ראשונים ואחריהם הסומיטים האחוריים. ברמה הגנטית, התהליך מבוקר על ידי קבוצה של מולקולות שהאינטראקציה ביניהם יוצרת סיגנאל מחזורי, כעין שעון בעל קצב תקתוק קבוע. כל מחזור מולקולרי, או תקתוק של השעון, שולח גל מולקולרי לאזור האחורי וגורם ליצירה של סומיט נוסף. מספר הסומיטים נקבע על ידי קצב תקתוק השעון, וכך השעון של צפרדע מתקתק לאט יותר באופן יחסי מן השעון של נחש [3].

חיית המודל הרביעית שהוזכרה, זבוב הפירות דרוזופילה, היא חרק, והחרקים כאמור שייכים לפרוקי הרגליים - הגדולה שבקבוצות בעלי החיים הסגמנטליים. תהליך יצירת הסגמנטים בדרוזופילה שונה מאוד מזה שבבעלי החוליות. כאן ישנה קבוצה של מולקולות המחלקות את העובר המוקדם ליחידות קטנות והולכות, עד שהחלוקה האחרונה מחלקת את העובר ל-15 יחידות שכל אחת מהן תיתן מוצא לסגמנט אחד בזבוב הבוגר. הסגמנטים בעובר הדרוזופילה נוצרים למעשה בו זמנית ולא בזה אחר זה כמו בבעלי החוליות. ההבדל הגדול בין תהליך יצירת הסגמנטים בשתי הקבוצות, והעובדה שהתהליך מבוקר על ידי מולקולות אחרות המקודדות על ידי גנים שונים לגמרי, נותן תמיכה לרעיון שדגם הגוף הסגמנטלי הופיע בנפרד בכל אחת משתי הקבוצות.

הקורא הנבון שם לב אולי שבעוד המסקנה בנוגע לבעלי החוליות מתבססת על שלושה מינים רחוקים זה מזה אך דומים בתהליך יצירת הסגמנטים, המסקנה בנוגע לפרוקי הרגליים מתבססת על מין אחד בלבד. ואכן, במהלך העשור האחרון הצטבר מידע אודות ההתפתחות העוברית של מינים רבים ושונים של פרוקי רגליים; עכבישים, נדלים, סרטנים וחרקים נוספים מעבר לזבוב. מסתבר שתהליך ההתפתחות בדרוזופילה הוא יוצא דופן ושונה מהרוב הגדול של שאר פרוקי הרגליים. דגם יצירת הסגמנטים האופיני לפרוקי הרגליים הוא יצירה של סגמנטים בזה אחר זה מאזור אחורי, כאשר הסגמנטים הקדמיים נוצרים לפני האחוריים. לא רק זאת, אלא מסתבר גם שהרבה מן המולקולות המעורבות בתהליך הן אותן המולקולות האחראיות ליצירת הסומיטים בבעלי החוליות. ועוד, במין של נדל שנחקר על ידי כותב שורות אלו, נראה שאינטראקציה בין מולקולות שונות יוצרת סיגנאל מחזורי גלי באזור האחורי של העובר, וסיגנאל זה קשור קשר הדוק ליצירת סגמנטים. המסקנה מהמחקר ההשוואתי בהתפתחות עוברית של פרוקי רגליים היא הפוכה למסקנה מן המחקר בדרוזופילה לבדה; ישנם קווי דמיון רבים בין תהליך יצירת הסגמנטים בבעלי חוליות ובפרוקי רגליים, ונראה כי יש כאן תמיכה דווקא לטענה לפיה דגם הגוף הסגמנטלי בשתי הקבוצות נגזר מאב קדום משותף שהיה במשתמע גם הוא בעל סגמנטים.

 לו הסיפור היה מסתיים כאן, לא היה טעם להביאו. השוואת תהליכים התפתחותיים היא רק כלי אחד לשחזור אירועים אבולוציוניים. כלים אחרים מציירים תמונה אחרת ומושכים דווקא לכיוון האבולוציה הנפרדת של דגמי גוף סגמנטליים. בשנים האחרונות התגלו מספר מאספי מאובנים המתוארכים קרוב מאוד לזמן ההופעה של בעלי החיים הבילטרליים. מאספים אלו מאפשרים לנו הצצה נדירה לדגמי הגוף המוקדמים ביותר של קבוצות שונות בעולם החי. השוואת דגמי הגוף המיוצגים במאובנים העתיקים לדגמי גוף של קבוצות הקיימות היום מרמזת שבקבוצות בעלות סגמנטים, המבנה הסגמנטלי הופיע בהדרגה לאורך האבולוציה. כלומר, כשכל אחת מן הקבוצות הללו הופיעה לראשונה, דגם הגוף שלה לא היה סגמנטלי באופן מלא כפי שאנו רואים אותו היום. מכאן, האב המשותף של כל הבילטריה לא היה בעל סגמנטים.

בחקר אירועים אבולוציוניים שהתרחשו לפני זמן ארוך מאוד - במקרה זה כ-600 מיליון שנה - לא מפתיע, וגם לא נדיר, למצוא שלא ניתן להגיע למסקנה חד-משמעית בנוגע למה קרה. בדוגמא הנוכחית, נעשה שימוש בכל הכלים העומדים לרשות החוקרים; בניית עצים פילוגנטיים המבוססים על מאגר נתונים מולקולרי גדול ואמין, השוואת תהליכי התפתחות עוברית בין מינים קרובים ורחוקים ושחזור תהליכים קדומים ובנוסף, הסתמכות על מאובנים מראשית עולם החי והשוואתם לבעלי חיים קיימים. למרות כל זאת, איננו יכולים לומר דבר מה ברור אודות מבנה הגוף של אותו אב קדמון עתיק. כל אחד מן הכלים המחקריים מצביע לכיוון אחר, וזו הסיבה שהויכוח המדעי נותר בעינו. מכיוון שלא ניתן להתעלם מאף אחד מן הנתונים שהוצגו, מנסים חוקרים שונים להציע תיאוריות המצליחות ליישב את הסתירות לכאורה בין הנתונים.

בשורש הבעיה עומד היחס בין שמרנות לחדשנות באבולוציה. באופן כללי, דגמי גוף בבעלי חיים והתהליכים המייצרים אותם הם שמרנים במידה רבה מאוד. המבנה הבסיסי של קבוצות רבות של בעלי חיים לא השתנה כלל במאות מיליוני שנות אבולוציה. רוב השינויים הם תוספות קטנות או וריאציות על נושא אחד. מאידך, ישנן דוגמאות לא מעטות של חידושים אבולוציוניים המובילים להופעה של קבוצות חדשות או להתאמה לסביבות מחיה שונות. חדשנות זו אינה יכולה להופיע יש מאין. כל שינוי אבולוציוני חייב להתבסס על מה שקיים כבר באורגניזם, או במילים אחרות, לעשות שימוש בגנים קיימים. מקובל להניח שבין הכוח המשמר לכוח החדשני, ידה של השמרנות לרוב על העליונה. לפיכך, כאשר אנו רואים גנים דומים מעורבים בתהליכים דומים, סביר יותר לשער שזו עדות לשימור של תפקוד עתיק. אבל חשוב גם לזכור שמכיוון שגם החדשנות מתבססת על גנים קיימים, יכול גם לקרות שבשני ענפים אבולוציוניים שונים אותם הגנים "יגוייסו" באופן מקביל לטובת מבנה דומה. כך נמצא בשני בעלי חיים גנים דומים בתהליכים דומים בלא שזה היה תפקידם באב המשותף לשניים. אולי זהו המצב בדוגמא שהוצגה כאן [4].

המחקר האבולוציוני התקדם רבות בשנים האחרונות. ההתקדמות היא גם ברמה הטכנולוגית ובפיתוחם של כלים חדשים המאפשרים שאלת שאלות חדשות, וגם ברמה התפיסתית ובהבנה טובה יותר של כיצד האבולוציה פועלת. התקדמות מדעית צופנת בחובה לעתים רבות גם זניחתן של תפיסות ישנות ושינויים מהותיים בתיאוריות מקובלות [5]. השאלות הנמצאות כיום בחזית המחקר נוגעות לאופי השינויים במהלך האבולוציה. כיצד נוצרים חידושים אבולוציוניים? על מה חידושים אלו מתבססים, וכיצד ניתן לזהות אותם? מן הצד השני, מדוע תכונות מסוימות שמורות כל כך ומה הם הכוחות המשמרים אותן? כיצד נבדיל בין תכונות שמורות לבין תכונות דומות כתוצאה מאבולוציה מתכנסת? ככל שאנו מבינים יותר, כך אנו רואים עד כמה הבנתנו חסרה, ועד כמה התהליכים האבולוציוניים הם מורכבים ומרתקים.

 

1. מאמר זה מבוסס על מספר הרצאות ציבוריות שניתנו במהלך אירועי "שנת דרווין" ב-2009, באוניברסיטה העברית, בטכניון, בבית בלגיה בירושלים, וב"קפה מדע".

2. לסקירה רחבה בעברית של תחום ה-evo-devo ראו מאמרו של ד"ר רם רשף "עוברים במבוך האבולוציוני- שיני עופות ורגלי נחשים", גלילאו, ינואר 2010, עמ' 26-36

3. זוהי הפשטה מסוימת של המצב. לתיאור מדויק יותר ראו:

 F. J. Vonk and M. K. Richardson, “Developmental biology - Serpent clocks tick faster”, Nature. 454, 2009, pp. 282-283.

4. בסוגיה זו דנתי לעומק במאמר:

 A. D. Chipman, “Parallel evolution of segmentation by co-option of ancestral gene regulatory networks”, Bioessays, 32, 2010, pp. 60-70.

5. בניגוד למה שטוענים משום מה מתנגדי האבולוציה, מחקר האבולוציה אינו דוגמטי, ועדויות חדשות מביאות לעתים קרובות לשינויים תפיסתיים.