Hvad er Evo Devo?

DEFINERING AF EVO DEVO

NOVA: Der har været al denne summen om evo devo. Hvad er den centrale idé, og hvorfor er det så spændende?

Cliff Tabin: Evolutionær udviklingsbiologi, eller “evo devo”, er et bredt begreb, der dækker over mange ting. Og forskellige mennesker bruger udtrykket lidt forskelligt, og det er også forskelligt fra videnskabsmand til videnskabsmand, hvad der gør det interessant for dem.

For mig starter jeg med at se på udviklingssiden. Revolutionen inden for udviklingsbiologien og revolutionen inden for de biologiske videnskaber som helhed har bragt os til det punkt, hvor vi faktisk kan begynde at forstå, hvordan generne får et embryon til at forme sig, som det gør, hvorfor et lem dannes i første omgang, og så hvorfor armen er forskellig fra benet, hvorfor hjertet, der starter som et rør i midten, folder sig op, så det kommer til at ligge til venstre og ikke til højre. Vi er begyndt at forstå den slags virkelig grundlæggende spørgsmål, og det er fantastisk i sig selv.

Vi er også ved at nå til det punkt, hvor vi ikke kun kan forstå, hvordan man laver et lem, men også hvordan processen kan ændres på, hvad der faktisk er subtile måder, således at lemmet tager form som en flagermusvinge i forhold til en menneskehånd i forhold til en svømmeflip. Og det synes jeg er enormt spændende.

Så for mig er det grundlæggende aspekt af evo devo at forstå, hvordan udviklingen justeres over evolutionær tid.

En af de vigtigste opdagelser inden for evo devo er, hvor ens vores gener er med dem hos alle andre dyr, ikke sandt?

Ja. En af de mest fantastiske overraskelser i den tid, jeg har beskæftiget mig med videnskab, har været at opdage, at de gener, der er involveret i at skabe så forskellige dyr som en frugtflue og et menneske, grundlæggende set er de samme gener. Da vi tænkte på sådanne ting for f.eks. 20 år siden, måtte man antage, at generne til at lave en frugtflue ville indeholde instruktioner til vinger, altså gener, som vi ikke havde brug for. Og omvendt at vi ville have gener til at lave et menneskelegeme eller et menneskehjerte, som en flue aldrig ville få. Det forbløffende resultat var, at de samme gener tilnærmelsesvis er til stede i begge dele og bliver brugt i begge dele.

Det er den smukkeste proces at se organisation opstå.

Nu, i bakspejlet, er vi naturligvis klar over, at fluer og mennesker begge er dyr. Vi havde en fælles forfader. Måske var det en ubeskrivelig lille ormelignende tingest, men den lille ormelignende tingest havde allerede det sæt af gener, der gjorde dens hoved forskelligt fra dens hale og dens tarm forskelligt fra dens hjerte. For at denne orm kunne udvikle sig til en flue eller i sidste ende udvikle sig til et menneske, blev disse gener brugt på forskellige måder, i forskellige kombinationer og med forskellig timing.

Fundamentalt set var den genetiske værktøjskasse, som vi kalder den, allerede til stede hos den fælles forfader. Og dette forfædres sæt af gener var kraftigt og alsidigt nok til at levere materialet til at generere de forskellige former for dyreliv, som vi nu ser på Jorden. Det var noget, som ingen havde forventet, og det har gjort studiet af forskellige organismer meget dybtgående. Det betyder, at det, man lærer ved at studere en flues udvikling, virkelig har direkte konsekvenser for forståelsen af den måde, vi selv er skabt på, for selv om en flue er forskellig fra et menneske, og selv om det er så længe siden, vi adskilte os fra hinanden, bruger vi stort set de samme gener til at gøre det samme – at få en organisation til at opstå i et embryon.

Og du og andre biologer så det aldrig komme.

Jeg ville have væddet alt på, at det ikke ville være tilfældet. Jeg ville have troet, at de gener, der er involveret i at skabe en flue, ville være anderledes end dem, der skaber et menneske. Jeg ville også have troet, at det ville kræve langt flere grundlæggende gener inden for denne værktøjskasse for at lave et menneske. Jeg ville have troet, at de gener, man bruger til at udløse dannelsen af et hjerte, ville være helt forskellige fra dem, man bruger til at lave en knogle, som ville være helt forskellige fra dem, man bruger til at gøre forsiden af et embryon forskellig fra bagsiden af et embryon osv.

Det viser sig, at det samme gen eller de samme gener bruges igen og igen, bare på forskellige måder og i forskellige kombinationer med andre gener i en celle. Og vi bruger, hvad jeg ud fra min tidligere intuition ville anse for at være et latterligt lille antal gener.

ALT OM EMBRYOET

Det faktum, at vi alle deler et fælles sæt af gener, er let at se på embryonale stadier, ikke sandt? Meget tidligt i deres udvikling ser alle dyr stort set ens ud.

Ja. En af de ting, der er blevet diskuteret siden 1800-tallet, er, at hvis man ser på embryoner fra forskellige hvirveldyr – uanset om det er en fisk, en salamander, en frø, en kylling, en mus eller et menneske – så ligner de hinanden meget på de tidlige stadier. Faktisk gennemgår de trin, hvor de er næsten umulige at skelne fra hinanden. En seriøs professionel, der ser nærmere på dem i et mikroskop, kan naturligvis se forskelle næsten fra starten. Men ligheden i de tidlige stadier er virkelig bemærkelsesværdig.

En af grundene til, at jeg tror, at det er tilfældet, er, at de tidlige aspekter af at sætte benene på det rigtige sted, at gøre hovedet forskelligt fra kroppen, disse meget tidlige og meget grundlæggende ting skal foregå på en vis skala, der er dikteret af det område, hvor nøglemolekyler er i stand til at handle. Så når vi alle har nogenlunde samme størrelse, uanset om vi er en marsvin, et menneske eller en abe, foregår den samme slags processer. Derefter uddyber man forskellene. Så i de tidlige stadier er det ikke bare en lægmand, der synes, at de ligner hinanden; på grundlæggende måder ligner de virkelig hinanden.

Et af de store øjeblikke i evolutionens historie er, da en finne først udviklede sig til et lem.

Det er forbløffende at se et time-lapse af et embryon under udvikling, uanset hvilket dyr. Du må have et sjovt job.

En af de fantastiske ting ved mit felt er bare muligheden for at se embryoner udvikle sig. Det er den smukkeste proces at se en organisation opstå, uanset om man ser det på time-lapse-fotografering, eller om man ser det under et mikroskop over tid. Det er fantastisk smukt at se det ske, og hele processen i sig selv er så grundlæggende smuk, at æstetikken kombineret med logikken bare er overvældende.

DET SKÆNKEDE BILLEDET

Hvorfor besluttede du dig for at studere næbdannelsen hos Darwins finker?

Jamen, efterhånden som teknologien er blevet udviklet, og efterhånden som vores viden om udvikling er vokset, kom det til et punkt, hvor det blev realistisk at tænke på at forsøge at forstå, hvordan udviklingsinstruktionerne blev justeret for at give variation i naturen. Vi ønskede ikke at se på vidt forskellige dyr, for der ville være en masse forskelle mellem dem, og det ville være for svært at finde ud af, hvad der egentlig foregår. Vi ønskede at se på dyr, der er meget nært beslægtede, og som ideelt set kun har én struktur, der adskiller sig på en meget vigtig måde fra art til art.

Darwins finker på Galapagos er et godt eksempel herpå. Det er fugle, der i bund og grund er den samme organisme, men de har næb, der er meget forskelligt udformet. Denne forskellighed i næbform har gjort det muligt for dem at have meget forskellige livsstile. Næbbet er en grundlæggende vigtig struktur – det har en stor økologisk betydning – og disse forskellige finkearter var blot en enkelt fugleart for en million år siden. Så det er en af grundene til, at Darwins finker var meget tiltalende for os.

Og hvad fandt I?

Hvor vi foretog vores forskning, var det muligt, at helt forskellige gener var involveret i at lave næb af forskellige former. Vi troede ikke, at det var sandsynligt, ud fra det, vi vidste om, hvordan generne styrer udviklingen, men det var muligt. Det, vi fandt, forstærkede det generelle billede, der tegnede sig: at de samme gener er involveret i at lave et skarpt, spidst næb eller et stort, bredt næb, der knækker nødder. Det, der gør hele forskellen, er, hvor meget man tænder et gen, hvornår man tænder det, og hvornår man slukker det – de subtile forskelle i reguleringen. Specifikke gener er afgørende for at lave et hvilket som helst næb, men det er justeringen – mængden af genet, tidspunktet for genet, varigheden af genet – der faktisk gør tricket.

EN ARM OG ET BEN

Gå den samme slags justeringer ind i dannelsen af lemmer?

Ja, og på nuværende tidspunkt forstår vi på en meget grundlæggende måde en stor del af den molekylære regulering, de gener, der fortæller lemmerne, hvordan de skal dannes. Vi forstår, hvordan en tidlig masse af celler får information, der fortæller en gruppe, at den skal blive til en struktur, og en gruppe skal blive til en anden. Vi forstår, hvordan væv begynder at danne en knogle i modsætning til f.eks. en sene. På en meget grundlæggende måde kender vi nu de gener, der er ansvarlige for, at lemmerne bliver, som de er.

Det gør f.eks. en arm til en arm i modsætning til et ben?

Ja, det er rigtigt. Som jeg sagde tidligere, er den grundlæggende struktur af et lem, som vi ser i f.eks. vores arm, gengivet med en vis variation hos forskellige dyr for at fungere som en vinge eller en svømmevinge. Men du vil også se variation i den struktur, som et lem har i din egen krop. En arm og et ben er grundlæggende ens strukturer – når man f.eks. bevæger sig fra skulderen eller hoften mod fingrene eller tæerne, har man en enkelt knogle i det øverste led, efterfulgt af to knogler i det nederste led og derefter mange knogler, der danner de fem fingre. Det forreste og det bageste lem er bygget op efter samme grundplan.

Jeg tror ikke, at man behøver at se naturshows for at blive overvældet af mangfoldigheden af liv på Jorden.

Vi ved nu, at der er specifikke gener, der er aktiveret i det bageste lem, i benet, som ikke er aktiveret i det forreste lem, armen. Når de er aktiveret, får den tidlige lemknoppe mere karakter af ben. Der er andre gener, som kun er til stede i forbenet eller armen på de tidlige stadier i lemknoppen. Så i bund og grund kan forskellen mellem en arm og et ben spores tilbage til forskelle i generne i den tidlige lemknoppe. Disse for- eller baglårsspecifikke gener påvirker det generelle sæt af lem-instruktioner, der fastlægges af andre gener, således at resultatet bliver en arm eller et ben.

Vi tager vores lemmer for givet, men udviklingen af lemmerne fra en fiskefinne langt tilbage i tiden var et stort spring fremad, ikke sandt?

Et af de store øjeblikke i evolutionens historie er, da en finne først udviklede sig til et lem. Det var noget, der skete hos en fisk, der levede på lavt vand og lærte at manipulere sig selv i det lavvandede. Det, den gjorde, var at udvikle en struktur, der kunne rotere, og som havde segmenter, der uafhængigt kunne bevæge sig i forhold til hinanden, og som endte i fingre, hvilket var noget, der gav denne fisk den fantastiske evne til at bevæge sig rundt i mudderet. Det viste sig at være et grundlæggende træk, der havde et enormt potentiale, en enorm fleksibilitet.