Obywatel ryba, czyli ile w człowieku karpia, a ile małpy wąskonosej

Wśród licznych brytyjskich zespołów grających muzykę ska punk jest niejaki Citizen Fish. W jednym z wywiadów jego członkowie wyjawili, że kiedyś przeczytali, iż z naukowego punktu widzenia człowiek jest rybą. Jednocześnie jednak zachowuje się inaczej niż większość ryb. Na przykład tworzy państwa, których może być obywatelem. Zatem jest i rybą, i obywatelem. Obywatelem rybą.

Co to jest ryba, w sumie każdy wie. Ma z reguły podłużny kształt, płetwy, skrzela, kręgosłup, ości itd. Żyje w wodzie. Jest zmiennocieplna. Wydala amoniak. Nie ma włosów ani piór. Nie wydziela mleka. Nie poci się.

Rybami zajmują się ichtiolodzy. Niektórzy dodają, że także minogami, co może wskazywać, że minóg rybą nie jest. Czyli człowiek jest, a minóg nie? Coś tu jest nie tak.

Czy ryby i ryby różnią się jak ptaki i ssaki (i dlaczego tak)

Z ryb wyewoluowały płazy. Płazy nie są rybami. Ryby wyewoluowały z minogów, czy raczej większej grupy je obejmującej – bezszczękowców. Do nich należą także śluzice. A kiedyś również ostrakodermy, czyli takie coś, co można zobaczyć wpisując w wyszukiwarkę frazę „ryby dewońskie”.

W dewonie, zwanym nawet erą ryb, żyło dużo więcej wodnych kręgowców: ryby pancerne, chrzęstnoszkieletowe, kostnoszkieletowe, dwudyszne, trzonopłetwe. Istniała nawet ichtiostega, czyli ogniwo pośrednie między rybami a płazami. Jednak to różnego rodzaju bezżuchwowce są najbardziej ikoniczne. One są w końcu rybami. A może nie?

To zależy, jak ryby zdefiniować dokładniej. Można tak, żeby do definicji pasował karp, śledź, jesiotr, rekin, płaszczka, latimeria i prapłetwiec, a nie pasował minóg. Gdyby cofnąć się do dewonu, różnice między nimi byłyby mniej jaskrawe. Polscy ichtiolodzy raczej zajmują się tylko niektórymi, więc łatwo im zobaczyć głównie podobieństwa w grupie obejmującej karpie i śledzie oraz różnice między nią a grupą minogów. Patrząc na drzewa, nie widzą lasu.

Co więcej, różnice między poszczególnymi liniami ryb – np. chrzęstno- i kostnoszkieletowymi – są tak duże, jak między ptakami a ssakami. Skoro już i tak godzimy się na tak niejednorodny worek z etykietką ryby, to równie dobrze można w nim umieścić bezszczękowce. Kwestia kryteriów i konwencji.

Czy wieloryb to bardziej karp czy z człowiek (i dlaczego to nieoczywiste)

No właśnie: kryteriów. Grupowanie organizmów zawsze odbywa się na podstawie jakiegoś. Stąd stworzenia domowe i dzikie, dwunożne i czworonożne, nielotne i lotne, o skrzydłach pierzastych i błoniastych, o liczbie kopyt parzystej i nieparzystej itd. W ten sposób konstruowane są dziś klucze do oznaczania tego, co żyje, bo stosując podział rozwidlający się na kolejnych poziomach można wreszcie dojść do konkretnego podmiotu. Ale ustalane w ten sposób grupy wyglądają sztucznie.

Już Arystoteles krytykował próby takiego prostego podziału. Wskazywał, że kryteriów wyróżniania grup organizmów – taksonów – musi być więcej. Intuicyjnie – im więcej cech wspólnych, tym takson wydaje się silniej umocowany. Ciężko bronić tezy, że karp ma więcej cech wspólnych z człowiekiem niż ze śledziem, i że ze stokrotką ma więcej wspólnego niż z człowiekiem. Pytanie, ile wieloryb ma cech wspólnych z karpiem i człowiekiem, jest jednak bardziej podchwytliwe. Odpowiedź zależy bowiem o tego, jak głęboko wniknąć po pierwszym rzucie oka.

W przypadku roślin prawie każda taksonomia ludowa wyróżnia drzewa, krzewy i rośliny zielne. W takim układzie jabłoń jest łączona z sosną, a róża z kosodrzewiną. Jednak wszystkie inne cechy wskazywałyby, że jednak sosna jest bliższa kosodrzewinie, a jabłoń róży. Żeby jednak nie opierać się na sumie intuicyjnych wrażeń, przyrodnicy postanowili wybrać jakieś kryteria kluczowe.

Linneusz uznał, że można się przyjrzeć liczbie pręcików. Stąd gromady takie jak jednopręcikowa, dwupręcikowa itd. Kolejnym kryterium była liczba słupków, więc w gromadzie jednopręcikowej wyróżnił rzędy jednosłupkowy i dwusłupkowy, w dwupręcikowej jednosłupkowy, dwusłupkowy i trzysłupkowy itd. (Najwyraźniej był przekonany, że cechy męskie są ważniejsze nie tylko w jego świecie, ale i w świecie roślin). Pod koniec systemu znalazły się gromady bardziej problematyczne, np. ze zrośniętymi pręcikami i słupkami. A zamykały go skrytopłciowe, takie jak glony czy paprocie. I tak w jednym rzędzie znalazły się np. kozłek, szafran i kukurydza, ale pszenica (jak większość traw) powędrowała do innego, choć siostrzanego. Iście matematyczna konsekwencja.

Linneusz jest ikoną nowoczesnej systematyki, ale jego systemu wcale nie przyjęto jednogłośnie jako obowiązującego w świecie botaniki. Wielu jego kolegów po fachu uznało, że ma lepszy pomysł na klasyfikację roślin, a pochodzenie z Francji czy Niemiec zwiększało ich siłę przebicia. Niemniej jedno przyznawali zgodnie: skupienie się na organach rozrodczych roślin to dobry kierunek.

Jak się nazywa nauka podziału na ryby i nie ryby (i dlaczego fenetyka)

Przez większość XIX i XX w. podstawowy podział roślin biegł po linii kwiatowe (nasienne) oraz zarodnikowe, do których – oprócz paproci, mchów i im podobnych – zaliczano wówczas glony, grzyby i bakterie. Wśród roślin nasiennych nagonasienne stały w kontrze do okrytonasiennych. W tych ostatnich co prawda, wyróżniano jednoliścienne i dwuliścienne, ale te znowu dzielono na wolnopłatkowe, zrosłopłatkowe i bezpłatkowe. Budowa kwiatu nie była jedyną, ale jedną z najważniejszych cech diagnostycznych – w opisach z reguły umieszczano jej schemat. A nazwy rodzin często odnosiły się do cech kwiatów lub kwiatostanów: motylkowate, wargowe, złożone, krzyżowe, baldaszkowate itd.

Wraz z rozwojem nowych narzędzi – także informatycznych – podjęto próby obiektywizacji pomiaru podobieństwa organizmów. Podstawowa idea była taka: należy zebrać jak najwięcej cech morfologicznych, anatomicznych, fizjologicznych, biochemicznych oraz genetycznych i zmierzyć je lub opisać w sposób jakościowy. A później przy pomocy takich czy innych narzędzi analitycznych sprawdzić, jakie tworzą skupienia. Podstawy takiego podejścia pojawiły się zresztą już za czasów Linneusza, a samą metodę nazwano fenetyką. Zbieżność językowa z fenologią i fenotypem nie jest przypadkowa – we wszystkich przypadkach chodzi o wygląd.

Fenetyka pozwala na stwierdzenie, na ile karp i śledź są podobne do siebie, a na ile każdy z nich przypomina minoga czy człowieka. Umożliwia także ilościowe, obiektywne ujęcie tego, co wskazywała systematyka tradycyjna. Oczywiście, narzędzie wygeneruje macierz czy dendrogram, ale to od człowieka zależy, które skupienie nazwie rybami, pozostawiając resztę jako nie-ryby.

Czy ZSRR jest jak PRL (i dlaczego Arystoteles się w tej sprawie mylił)

Ortodoksyjna fenetyka zakłada równocenność cech. Ale nie dla wszystkich taksonomów. Być może w teorii, gdyby zebrać wszystkie cechy, takie założenie dałoby właściwy wynik. Tyle że liczba cech zawsze jest ograniczona, zatem i wynik może być przekłamany.

Gdyby wziąć pod uwagę tylko formy życiowe, jabłoń i sosna byłyby razem jako drzewa, a róża i kosodrzewina w innej grupie jako krzewy. Gdyby uwzględnić formy życiowe i kwiaty, wtedy nie sposób utworzyć grup, bo podobieństwa i różnice się znoszą. Jeśli dorzucić jeszcze kształt liści, za wspólnotą jabłoni i sosny przemawiałaby tylko jedna cecha, a przeciwko – dwie. Widać jak na dłoni, że wynik byłby właściwy, gdyby większe znaczenie niż formie życiowej nadać kwiatom lub kształtowi liści.

Dlatego w środowisku skupionym w drugiej połowie XX w. wokół Andrzeja Batki, warszawskiego mykologa (co wówczas jeszcze oznaczało bycie specyficznym botanikiem), rozwijała się szkoła systematyczna nieortodoksyjnie podchodząca do matematycznej bliskości zestawów cech. Nieformalnie mówiono o odległościach batkoidalnych.

Obrazowo można powiedzieć, że tak jak dla osoby wychowanej w XX w. w Warszawie każdy mieszkaniec Warszawy wyglądał bardzo odmiennie, ale mieszkańcy Pekinu byliby prawie nieodróżnialni, mimo że obiektywnie są tak samo zróżnicowani jak ci pierwsi, tak w pewnych kontekstach jedne podobieństwa są ważniejsze od innych, mimo że obiektywnie są sobie równe. Inne porównanie? Można powiedzieć, że PRL trochę przypomina ZSRR, ale stwierdzenie, że ZSRR trochę przypomina PRL, obiektywnie prawdziwe w arystotelesowskiej logice, jest mylące, bo jedno państwo jest hegemonem, a drugie satelitą.

Czy bycie gryzoniem jest umowne (i dlaczego wiewiórka jest realna)

Taki relatywizm może brzmieć jak herezja, ale nie jest oderwany od współczesnej matematyki i logiki, szczególnie kiedy pojawiły się pojęcia takie, jak logika rozmyta. Również odległości nie muszą trzymać się reguł geometrii euklidesowej. Nie wdając się w zawiłości matematyczne, można powiedzieć, że istnieją różne sposoby definiowania odległości nazywane metryką.

Na co dzień jesteśmy przyzwyczajeni do metryki euklidesowej. Jeżeli mamy kwadrat o boku równym 100 m, to wiemy, że odległość między przeciwległymi jego krańcami zgodnie z twierdzeniem Pitagorasa wynosi pierwiastek kwadratowy z 20 tys., czyli nieco ponad 141 m. Jeżeli kwadrat to przestrzeń ograniczona ulicami na Manhattanie, to będąc gołębiem możemy to potwierdzić. Jednak jeżeli jesteśmy przechodniem, twierdzenie Pitagorasa nic nam nie da: żeby dostać się na drugi kraniec, musimy ominąć dwie ściany wieżowca, a więc przebyć 200 m.

Świat, w którym nie można chodzić na skos, określany bywa jako metryka Manhattan. Innych, możliwych do wyobrażenia, jest całe mnóstwo – choćby szachownica: odległości na niej są inne dla pionka, a inne dla konia. I to również bywa eksplorowane w nieortodoksyjnej fenetyce.

Fenetyka daje klasyfikację organizmów, do której jesteśmy przyzwyczajeni. Z hierarchicznym układem królestw, typów, gromad, rzędów, rodzin, rodzajów, gatunków i odmian. Czy jednak fakt, że krowa i pies należą do różnych rzędów (parzystokopytne i drapieżne) tej samej gromady (ssaków) oznacza, że są sobie tak samo bliskie lub odległe, jak biedronka i komar (chrząszcz i muchówka w obrębie owadów) albo świerk i cis (sosnowiec i cyprysowiec w obrębie iglastych)? To w zasadzie pytanie metafizyczne dotyczące realnego wymiaru takich systemów.

Generalnie przyjmuje się, że taksony są bytami umownymi, choć niektórzy dopuszczają realność gatunków. Ich zdaniem bycie ssakiem czy gryzoniem jest umowne, ale bycie wiewiórką rudą jest realne.

Jak rysować drzewo taksonomiczne (i dlaczego niełatwo)

Próbą odejścia od takiego wymiaru jest sprowadzenie klasyfikacji do bliskości filogenetycznej. Umowne kategorie taksonomiczne są nieważne, liczy się tylko pochodzenie ewolucyjne. Krowa i pies są do siebie podobne pod wieloma względami i fenetyka to wykaże, bo mają zestaw podobnych cech. Jednak to podobieństwo ma właśnie takie stopień, bo wyewoluowały od wspólnego przodka. Trzeba więc jedynie odtworzyć drzewo rodowe każdego gatunku i drzewo taksonomiczne gotowe.

Wspólnego przodka mieli człowiek i szympans, więc są rodzajami siostrzanymi, gałązkami jednego drzewa wyrastającymi ze wspólnego węzła. Ich wspólna gałąź, idąc w stronę pnia, prowadzi do kolejnego węzła, z którego wyrasta też gałązka zakończona gorylem, a idąc dalej, napotyka węzeł, z którego wyrasta gałązka prowadząca do orangutanów itd.

Pytanie, ile wieloryb ma cech wspólnych z karpiem i człowiekiem, jest podchwytliwe. Odpowiedź zależy bowiem o tego, jak głęboko wniknąć po pierwszym rzucie oka.

Kłopot w tym JAK odtworzyć to drzewo. Otóż trzeba znaleźć takie cechy, które pochodzą od wspólnego przodka i takie, które powstały tylko w jednej linii, powodując jej oddzielenie się w węźle. Dla ssaków cechy odziedziczone po wspólnym przodku to np. owłosienie, zdolność wytwarzania mleka i termoregulacji, budowa kosteczek słuchowych, czworonożność (choć u ludzi czy nietoperzy, nie mówiąc już o wielorybach, realizowana nieco inaczej) itd.

Kosteczki słuchowe są unikatowe dla ssaków, ale czworonożność nie. Ją ssaki odziedziczyły po jeszcze dawniejszym przodku: rybach mięśniopłetwych. Ryby kostnoszkieletowe dały im zaś kostny szkielet, a jeszcze starsze, będące też przodkami minogów – kręgosłup. Itd.

Przy odtwarzaniu takiej historii trzeba decydować, która cecha ma znaczenie, a która nie. Człowiek i kawia domowa (zwana dawniej świnką morską i morświnką) nie potrafią wytwarzać witaminy C. Nie jest to jednak cecha odziedziczona po wspólnym przodku, bo skądinąd wiemy, że całe mnóstwo innych ssaków tę zdolność ma. Taką cechą, która powstała niezależnie od siebie w różnych liniach rozwojowych nazywa się homoplazją. I nie nadaje się do wskazywania wspólnego pochodzenia. Żeby je stwierdzić, należy szukać cech, które są apomorfiami, czyli są charakterystyczne tylko dla danej linii rozwojowej.

Taką cechą dla ssaków może być wytwarzanie mleka – występuje u wszystkich, a nie charakteryzuje ptaków czy żab. W obrębie ssaków jedne wytwarzają rozwinięte łożysko – i to jest apomorfia łożyskowców – a inne nie wytwarzają, podobnie jak wspólny przodek łożyskowców i pozostałych ssaków (stekowców i torbaczy).

Owłosienie jest wspólną cechą wszystkich ssaków, a zapewne też ich kopalnych przodków, więc dla łożyskowców nie jest apomorfią, a plezjomorfią. To którą -morfią jest dana cecha zależy więc od punktu odniesienia. Plezjomorfią można też określić formę bardziej przypominającą tę występującą u przodków – będzie nią więc włos u ssaków. Ale już kolec jeża, który jest przekształconym włosem, będzie apomorfią.

Pojawienie się nowej cechy w wyniku ewolucji, oznacza powstanie apomorfii – węzła, z którego wyrastają dwie gałęzie. Jedna prowadzi do gatunku zachowującego cechę konserwatywną, a więc plezjomorfię (choć przed powstaniem tego węzła była jeszcze apomorfią), a druga do gatunku mającego cechę nową – a więc nową apomorfię.

Analiza cech i ustalanie, która jest którą -morfią, a także wzajemne ich relacje, czyli znajdowanie węzłów, w których dawne apomorfie stają się plezjomorfiami i przodkami nowych apomorfii, prowadzi do konstruowania drzewa. Gałęzie zaczynające się od węzła nazywa się kladami.

Oczywiście, każdy klad zaczyna się od węzła kończącego poprzednią gałąź, ale niekończącego klad wyższego rzędu, bo oba klady potomne są jego częścią. Klad człowiek (Homo) należy do kladu Hominini, do którego oprócz tego należy klad szympans. Klad Hominini należy do kladu Homininae, do którego należy też klad zawierający goryla. Klad Homininae należy do kladu Hominidae, zawierającego oprócz tego klad zawierający orangutana. Hominidae (człowiekowate) należy do kladu Hominoidea (człekokształtne), ten do Catarrhini (małpy wąskonose), ten do Simiiformes (małpokształtne), ten do Haplorrhini (wyższe naczelne), ten do Primates (naczelne), ten do Placentalia (łożyskowce), ten do Theria (ssaki żyworodne), ten do Mammalia (ssaki), ten do Therapsida (terapsydy), ten do Sinapsida (synapsydy), ten do Amniota (owodniowce), ten do Tetrapoda (czworonogi), ten do Sarcopterygii (mięśniopłetwe), ten do Osteichthyes (ryby kostnoszkieletowe), ten do Gnathostomata (szczękowce), ten do Vertebrata (kręgowce), ten do Craniata (czaszkowce), ten do Olfactores, ten do Chordata (strunowce), ten do Deuterostomia (wtórouste), ten do Nephrozoa, ten do Bilateralia (dwubocznie symetryczne), ten do Metazoa (zwierzęta), ten do Opisthokonta, ten do Obazoa, ten do Amorphea, ten do Eukaryota (eukarionty). Tu można zakończyć, choć niektórzy ciągnęliby jeszcze do Asgard i Protoarchaeota.

Jak się pozbyć efektu kiwi (i dlaczego za pomocą kladów)

Dużo tych poziomów, prawda? A gdyby poszukać głębiej, da się znaleźć kolejne cechy, które można uznać za wystarczające do zdefiniowania nowego węzła i kladu. Węzłom zasadniczo odpowiadają kategorie taksonomiczne – gatunek, rodzaj, rodzina, rząd, gromada, typ, królestwo. Skoro robi się ich więcej, trzeba się ratować dodawaniem niestandardowych (plemię, supergrupa, cesarstwo, domena) albo pośrednich (nad-, pod-, a gdy tego zabraknie – infra-). I tak jednak tego nie wystarczy, więc kladystyka musiała podjąć ostateczną decyzję: nie ma kategorii taksonomicznych, są tylko klady na różnych poziomach.

Takie podejście rozwiązuje problem znany jako efekt kiwi. Otóż jeżeli weźmiemy kurę, to wiemy, że należy ona do podrodziny bażantów w rodzinie kurowatych w rzędzie grzebiących itd. W podrodzinie bażantów, jak łatwo się domyślić, oprócz kur są bażanty, ale też choćby pawie. W rodzinie kurowatych są też pstropióry, w grzebiących np. przepiórki, kuropatwy, indyki. Każdy z tych taksonów można jakoś zdefiniować i opisać. Tymczasem kiwi należy do rodziny, która współcześnie nie ma innych rodzajów. Rodzina ta należy do rzędu, który nie ma innych rodzin.

Rodzaj kiwi, rodzina kiwi i rząd kiwi poza pierwszym członem nazwy niczym się nie różnią. Ich wyodrębnienie ma na celu wyłącznie wypełnienie poziomu w systemie. W kladystyce nie ma takiej potrzeby. Klad kiwi choć odpowiada poziomem kladowi kura (czyli rodzajowi, bo rozgałęzia się na gatunki), jednocześnie odpowiada kladowi grzebiące, bo po prostu się po drodze nie rozgałęzia. To jest cecha kladogramów – z jednego węzła wyrastają często gałęzie o bardzo różnym stopniu rozgałęzienia.

Czy karp jest bliżej rekina niż człowiek (i dlaczego nie)

Kiwi to tak naprawdę nie najlepszy przykład, bo dość krótki, szczególnie po odkryciu skamieniałości rodzaju siostrzanego. Tymczasem w świecie szeroko rozumianych pierwotniaków często jest tak: znamy jakiś gatunek, który jest tak niepodobny do pozostałych, że właściwie równorzędny taksonom takim, jak zwierzęta czy rośliny, albo jeszcze wyższym. W kladystyce nie ma dysonansu, że jeden gatunek jest „królestwem” – jest po prostu kladem. To, że jego siostrzany klad liczy miliony gatunków, nie jest naszym zmartwieniem.

Niektóre z wymienionych wyżej nazw kladów nazw wydają się znajome. Jednak o ile tradycyjnie wyznaczane taksony mają granice oddzielające je nie tylko od ewolucyjnych przodków, ale i potomków (to przyjmuje fenetyka i klasyczna taksonomia), o tyle w kladystyce wszystkie klady potomne zawierają się w kladzie macierzystym.

Raczej się zgadzamy, że jesteśmy eukariontami, kręgowcami, ssakami. Jeżeli jednak tak, to konsekwentnie jesteśmy małpami wąskonosymi. Ale też rybami mięśniopłetwymi i kostnoszkieletowymi. W tym ostatnim kladzie jest zarówno karp, jak i człowiek. Nie ma natomiast rekina. Z kladystycznego punktu widzenia ryba rekin jest on bardziej odległy od ryby karpia niż obywatel ryba.