Mint azt annak idején már Darwin is felismerte, bonyolult biológiai rendszerek - ő példának az emberi szemet használta - vélhetőleg nem a ma ismert formájukban alakultak ki a semmiből, hanem számos köztes alakon keresztül, működési változásokkal jöttek létre. Nyilván ezen átmenetek tanulmányozása gyakran nehézségekbe ütközik, de kérdés, hogy ez a folyamat modellezhető –e valahogyan?

Richard E. Lenski és munkatársai éppen erre vállalkoztak, számítógépes programokkal, mondhatni digitális élőlényekkel modellezték egy bonyolult működés kialakulását. Mint tudjuk, az evolúció három alapfeltétele, hogy a résztvevő egységek önmagukat lemásolják, szaporodjanak (1), magukhoz hasonló utódokat hozzanak létre, hogy ezekben a másolatokban időnként hibák, mutációk történjenek (2) és végül, hogy az egyes változatok életképessége különbözzön, (3) azaz szelekciós nyomás hasson az egységekre. A kísérletben használt digitális élőlények ezt a három feltételt teljesítették, önmagukat másolták, időnként hibásan és végig versengtek egymással. A modellhez az Avida platformot használták, ahol az egyes digitális élőlények egymástól függetlenül szaporodnak, ám időnként hibás másolatok készülnek róluk, energiát pedig a környezettől függően különböző logikai műveletek teljesítésével nyerhetnek. A genomjuk egy körkörös utasítássor, amelyeket egymás után hajt végre, kivéve, ha az utasítás egy másik utasításhoz ugrasztja. Minden egyes utasítás huszonhat féle lehet, ezek láthatóak a második ábrán. Az induló program csak szaporodni volt képes, semmilyen logikai műveletet sem hajtott végre, saját magát utasításonként másolta le. A másolásba azonban hibák csúsztak, pontmutációk inszerciók és deléciók történtek a digitális élőlények genomjában. A kutatók semmilyen előfeltételt sem szabtak a mutációknak, az egyes mutáns genomok működése egyedül az utasításkészletüktől függött. Éppen úgy mint a természetben, a mutációk többsége az Avida programban is hátrányos vagy semleges, csak kis részük előnyös.

A szelekciós nyomást a rendszerben az jelenti, hogy az egyes élőlények az utasítások végrehajtásához szükséges energiáért versengenek, ennek az alapegysége az egy utasítás végrehajtására elegendő energiamennyiség, ezt nevezték SIPnek (single-instruction processing). Az Avida programban minden egyes élőlény két módon juthat SIPhez:

Minden egyes egyed a genomjának hosszával arányos mennyiségű SIPet kap, ám programja végrehajtásával bármely digitális élőlény ennél több SIPet szerezhet magának, egy és két bemeneti értéken végzett logikai utasítássorok végrehajtásával 32 bitnyi számsorokon. Viszont a genomot felépítő 26 utasításból csak egyetlen egy a nand (not and) logikai művelet, így ezek az utasítássorok nem hozhatóak létre egyszerűen a megfelelő műveletek egymás után illesztésével, ráadásul a nand is csak a megfelelő bemeneti-kimeneti parancsokkal együtt működik. Az egyes logikai utasítások sikeres emulálásáért kapott SIP növekedés látható az ábrán. Mint látható, az EQU utasítás végrehajtása jelenti a legnagyobb előnyt, mivel ez legkevesebb öt nand utasítással hajtható végre, ez a legbonyolultabb. Az emberi erővel írott legrövidebb program, ami ezt a műveletet hajtja végre tizenkilenc utasításból áll, ám ez nem képes osztódni. (Ez a program megtalálható a kiegészítő adatok között, programozó vénájúak próbálkozhatnak rövidebbet írni.)

A színpad készen áll, az ősi program csak szaporodni képes, ám ha képessé válna kilenc logikai művelet végrehajtására fölös energiához jutna. Ez a fölös energiamennyiség exponenciálisan nő az egyes logikai műveletek nehézségével. A kiindulási program egyetlen mutáció hatására sem válik képessé egyetlen művelet elvégzésére sem, a legegyszerűbbhöz is több mutáció együttes bekövetkezése szükséges ráadásul az új utasítások adott sorrendben történő végrehajtása is, így elmondhatjuk, hogy a feladat rendkívül bonyolult, az ÉRTEM szóhasználatával rendkívül komplex.

Nyilván nem túl meglepő az eredmény: A körülbelül tizenötezer nemzedéken át végzett kísérletekben akadt olyan populáció, amely a legbonyolultabb EQU műveletet is elvégezte. Richard E. Lenski honlapján megtalálható a kísérlet összes adata, például az EQU utasítást végrehajtani képes digitális élőlény teljes leszármazási fája is. Az eredeti program ötven utasításból állt, a végső nyolcvanháromból és mind a kilenc logikai utasítást képes volt végrehajtani. Ez a genom 111 lépésben állt elő, ebből negyvenöt emelte az utód fittnesszét a szülőhöz képest, negyvennyolc semleges volt, tizennyolc pedig egyenesen hátrányos volt a szülőhöz képest. A tizennyolc hátrányos mutációból tizenöt csak olyan 3% -kal csökkentette a fittnesszt, ezek nem jelentettek végzetes hátrányt, tulajdonképpen kedvező körülmények között fennmaradhattak, de kettő ötven százaléknál is jobban csökkentette a fittnesszt. Az egyik egy pontmutáció volt, amely csökkentette a szaporodás hatékonyságát, ennek a káros hatását ellensúlyozta a közvetlenül utána következő mutáció, amely a genom egy távoli pontján történt, így maradhatott életben. A másik mutáció viszont a nand működést rontotta el, az egyetlen alapvető logikai műveletet. Összesen két egyed hordozta ezt a  rendkívül káros mutációt, ám az ő utódaik közül került ki a győztes, ugyanis a következő lépésben létre is jött az utódaik közt az EQU művelet elvégzésének képessége. Természetesen felmerült a kérdés, hogy ez a nagyon káros mutáció szükséges volt –e a következő, nagyon előnyös mutáció létrejöttéhez, vagy csak véletlen, hogy éppen ezek között a kevésbé életképes egyedek közt jött létre a "nyertes" genotípus? Visszaállították az első mutációt, amire megszűnt az EQU működés, vagyis ez a meglepően hátrányos mutáció szükséges előfeltétele volt a legelőnyösebb genom működésének. Ebben az esetben egy káros mutáció előzetes megléte szükséges ahhoz, hogy egy előnyös mutáció létrehozhasson egy új működést.

Ezek után kipróbálták, hogy ha egyesével elrontják az első EQU –t végző genom utasításait, megszűnik –e az EQU működés?  Mint az ábrán látható, azt találták, hogy a genom hatvan utasításából harmincöt szükséges az EQU működéshez, vagyis ha elrontják ezeket az utasításokat, a program nem képes végrehajtani az EQU műveletet. Gondolkodjunk el ezen egy kicsit! Adott egy működés, amihez harmincöt utasítás szükséges. Ebből azonban harminchárom pontosan ebben az állapotban megtalálható az ősében is, egy életképes, működő digitális élőlényben, amely nem képes végrehajtani az EQU műveletet. Sőt, ebből a harmincöt műveletből három szükséges a szaporodáshoz is, öt ugyanebben a formában megtalálható a kiindulási élőlényben is, egy csomó másik pedig egyéb logikai műveletek elvégzéséhez, ha jól számolom az EQU művelet elvégzéséhez szükséges utasításoknak csak harmada az ami semmilyen más működésez sem kell.

Természetesen mondhatjuk, hogy ez csak valami hihetetlen csoda, kozmikus véletlen folyamán jött létre, de a kísérletet ötvenszer ismételték meg, ebből huszonháromszor kialakult EQU művelet elvégzésére képes digitális élőlény. Ha megnézték, hogy az első EQU utasítást elvégezni képes egyed hány változásnyira volt a kiindulási egyedtől (azaz hány mutáció történt a hozzá vezető leszármazási vonalban, amíg megjelent ez a működés), nem meglepő módon azt találták, hogy a legrövidebb leszármazási vonal vége 51 mutációnyira volt a kiindulási egyedtől, a leghosszabb pedig 721 lépésnyire. A bonyolult működés megjelenéséhez vezető út változó hosszúságú, mivel véletlenszerű és nagyrészt előre megjósolhatatlan, ám elég jó hatásfokú, hiszen az esetek felében a kísérlet ideje alatt létrejött egy meglepően bonyolult működés. Ami igazán meglepő: Ha megvizsgálták, hogy az EQU működés létrejötte előtti mutációk előnyösek –e, azt találták, hogy a huszonhárom esetből csak ötben mutatkozott hátrányosnak az utolsó előtti mutáció, mint a példának választott esetben, a többiben az utolsó lépések mindegyike fittnessznövekedéssel járt, ami egyértelműen mutatja, hogy ugyanaz a működés nem csak egy módon jöhet létre. A huszonhárom EQU műveltet végző genom legrövidebbje negyvenkilenc utasításból állt, a leghosszabbja háromszázötvenhatból. Az EQU működésen kívül négy-nyolc másik logikai műveletet tudtak elvégezni.  Az EQU működést eredményező huszonhárom végső mutációból húsz önmagában hátrányos lett volna az EQU művelet energianyeresége nélkül, de három önmagában is előnyös volt. Elvégezték az EQU működések funkcionális elemzését is, a legrövidebben tizenhét utasításból valósította meg ezt, a leghosszabban negyvenkilencből.

No most miért érdekes ez számunkra? Az ÉRTEM egyik állandó érve az egyszerűsíthetetlen összetettség, ami ugye olyan rendszer, amelynek bármelyik alegységét eltávolítva a rendszer már nem képes eredeti működésére. Ezekről a rendszerekről azt állítják, hogy nem jöhetnek létre evolúciós folyamatokkal. Ez itt éppen egy ellenpélda, egy harmincöt alegységből álló EÖ rendszer, ami bizony evolúciós folyamatokkal jött létre, nulláról kiindulva, mégis az esetek közel felében kialakult, mondhatni üzembiztosan létrejött. A másik fontos tanulság, hogy a legutolsó működéshez való görcsös ragaszkodás teljesen értelmetlen, az, hogy egy rendszer egy evolúciós folyamat végén valamilyen működést végez, semmit sem mond a történetéről, vagyis hogy az egyes részegységek milyen működéseket végeztek a múltban. A legvégső tanulság pedig, ha valaki olyasmiket állít, hogy egy adott rendszer egyetlen lehetséges őse sem lehetett működőképes, egyszerűen csak a levegőbe beszél, nem valószínű, hogy bárki át tudná látni még egy ilyen egyszerű program összes lehetséges változatát illetve egy ilyen működéshez vezető összes lehetséges utat sem.

Richard E. Lenski, Charles Ofria, Robert T. Pennock, Christoph Adami (2003): The evolutionary origin of complex features; Nature Vol 423 page:139

Sexcomb