DEFINING EVO DEVO
NOVA: Evo Devosta on ollut paljon puhetta. Mikä on keskeinen idea, ja miksi se on niin jännittävä?
Vastaanota sähköpostiviestejä tulevista NOVA-ohjelmista ja niihin liittyvästä sisällöstä sekä esillä olevia raportteja ajankohtaisista tapahtumista tieteen näkökulmasta.
Cliff Tabin: Evolutiivinen kehitysbiologia eli ”evo devo” on laaja termi, joka käsittää paljon asioita. Ja eri ihmiset käyttävät termiä hieman eri tavalla, ja myös se, mikä tekee siitä heille kiinnostavan, vaihtelee tutkijasta toiseen.
Minä aloitan tarkastelemalla kehityspuolta. Kehitysbiologian vallankumous ja koko biologisten tieteiden vallankumous on saanut meidät pisteeseen, jossa voimme itse asiassa alkaa ymmärtää, miten geenit saavat alkion muodostumaan sellaiseksi kuin se muodostuu, miksi raaja ylipäätään muodostuu, ja sitten miksi käsivarsi on erilainen kuin jalka, miksi sydän, joka alkaa keskellä olevana putkena, taittuu vasemmalle eikä oikealle. Alamme ymmärtää tällaisia todella perustavanlaatuisia kysymyksiä, ja se on sinänsä hämmästyttävää.
Olemme myös pääsemässä pisteeseen, jossa pystymme ymmärtämään, että emme vain ymmärrä, miten raaja muodostuu, vaan myös sitä, miten prosessia voidaan muuttaa itse asiassa hienovaraisilla tavoilla, kuten siten, että raaja saa lepakon siiven muodon tai ihmiskäden muodon tai evän muodon. Ja se on minusta valtavan jännittävää.
Minulle siis evo devon perustavanlaatuinen näkökohta on sen ymmärtäminen, miten kehitystä viritetään evoluution aikana.
Yksi evo devon keskeisimmistä löydöistä on se, kuinka samankaltaisia geenimme ovat kaikkien muiden eläinten geenien kanssa, eikö niin?
Ja. Yksi hämmästyttävimmistä yllätyksistä sinä aikana, kun olen ollut tieteen parissa, on ollut havainto siitä, että geenit, jotka osallistuvat niinkin erilaisten eläinten kuin hedelmäkärpäsen ja ihmisen tekemiseen, ovat pohjimmiltaan samoja geenejä. Kun ajattelimme tällaisia asioita vaikkapa 20 vuotta sitten, täytyi olettaa, että hedelmäkärpäsen tekemiseen tarvittaviin geeneihin sisältyisi ohjeita siipiä varten, geenejä, joita emme tarvinneet. Ja päinvastoin, että meillä olisi ihmisen raajan tai sydämen tekemiseen tarkoitettuja geenejä, joita kärpäsellä ei koskaan olisi. Hämmästyttävä havainto oli se, että ensi näkemältä samat geenit ovat molemmissa ja niitä käytetään molemmissa.
Se on mitä kaunein prosessi nähdä organisaation syntyvän.
Nyt jälkikäteen ymmärrämme tietysti, että kärpäset ja ihmiset ovat molemmat eläimiä. Meillä oli yhteinen esi-isä. Ehkä se oli epämääräinen pieni matomainen otus, mutta tuolla pienellä matomaisella otuksella oli jo joukko geenejä, jotka tekivät sen pään erilaiseksi kuin sen hännän ja sen suoliston erilaiseksi kuin sen sydämen. Jotta tuo mato kehittyisi kärpäseksi tai kehittyisi lopulta ihmiseksi, näitä geenejä käytettiin eri tavoin, eri yhdistelmissä ja eri ajoituksella.
Periaatteessa geneettinen työkalupakki, kuten me sitä kutsumme, oli jo olemassa yhteisessä esi-isässä. Ja tuo esi-isien geenijoukko oli riittävän voimakas ja monipuolinen, jotta se pystyi tarjoamaan materiaalia niiden erilaisten eläinkunnan muotojen synnyttämiseen, joita nyt näemme maapallolla. Tätä ei kukaan osannut odottaa, ja se on tehnyt eri organismien tutkimisesta hyvin syvällistä. Se tarkoittaa, että sillä, mitä opimme tutkimalla kärpäsen kehitystä, on suoria vaikutuksia siihen, miten me itse olemme syntyneet, sillä vaikka kärpänen eroaa ihmisestä ja vaikka olemme eronneet toisistamme niin kauan sitten, käytämme pohjimmiltaan samoja geenejä samaan tarkoitukseen – organisaation luomiseen alkioon.
Ja sinä ja muut biologit ette osanneet odottaa sitä.
Olisin lyönyt vetoa, että näin ei olisi käynyt. Olisin luullut, että kärpäsen tekemisessä mukana olevat geenit olisivat erilaisia kuin ihmisen tekemisessä mukana olevat geenit. Olisin myös luullut, että ihmisen tekemiseen tarvitaan paljon enemmän perusgeenejä tuon työkalupakin sisällä. Olisin luullut, että geenit, joita käytetään käynnistämään sydämen muodostuminen, olisivat täysin erilaisia kuin ne, joita käytetään luun muodostumiseen, jotka olisivat täysin erilaisia kuin ne, joita käytetään tekemään alkion etupuoli erilaiseksi kuin alkion takapuoli, ja niin edelleen.
Kävi ilmi, että samaa geeniä tai samoja geenejä käytetään yhä uudestaan ja uudestaan, vain eri tavoin ja erilaisissa yhdistelmissä muiden geenien kanssa solussa. Ja me käytämme sellaista määrää geenejä, jota pitäisin aikaisemman intuitioni perusteella naurettavan pienenä.
KAIKKI ALKUPERÄSTÄ
Todellisuus siitä, että meillä kaikilla on yhteiset geenit, on helposti havaittavissa alkioasteella, eikö olekin? Hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa kaikki eläimet näyttävät pitkälti samanlaisilta.
Kyllä. Yksi asia, josta on keskusteltu 1800-luvulta lähtien, on se, että jos tarkastellaan eri selkärankaisten – olipa kyseessä kala, salamanteri, sammakko, kana, hiiri tai ihminen – alkioita, ne näyttävät varhaisessa vaiheessa hyvin samanlaisilta. Itse asiassa ne käyvät läpi vaiheita, joissa ne ovat lähes erottamattomia. Vakavasti otettava ammattilainen, joka tarkastelee niitä tarkasti mikroskoopilla, voi tietysti erottaa erot lähes alusta alkaen. Varhaisvaiheiden samankaltaisuus on kuitenkin todella huomattavaa.
Yksi syy, miksi uskon, että näin on, on se, että alkuvaiheessa jalkojen asettaminen oikeaan paikkaan, pään tekeminen erilaiseksi kuin vartalo, nämä hyvin varhaiset ja perustavanlaatuiset asiat täytyy tapahtua tietyssä mittakaavassa, joka määräytyy sen mukaan, millä alueella avainmolekyylit pystyvät toimimaan. Kun olemme kaikki suunnilleen samankokoisia, olimmepa sitten pyöriäinen, ihminen tai apina, samantyyppiset prosessit ovat käynnissä. Sen jälkeen eroja kehitellään. Alkuvaiheessa ne eivät siis maallikon mielestä näytä samankaltaisilta, vaan ne ovat perustavanlaatuisilla tavoilla todella samankaltaisia.
Yksi evoluution historian suurista hetkistä on se, kun evä kehittyi raajaksi.
On hämmästyttävää katsoa aikakuva kehittyvästä alkiosta, mistä tahansa eläimestä. Sinulla on varmaan hauska työ.
Yksi hienoimmista asioista alallani on juuri mahdollisuus seurata alkioiden kehittymistä. Se on mitä kaunein prosessi, kun näkee organisaation syntyvän, olipa kyseessä sitten time-lapse-kuvaus tai mikroskoopin alla ajan kuluessa tapahtuva tarkastelu. On häkellyttävän kaunista seurata sen tapahtumista, ja koko prosessi itsessään on niin perustavanlaatuisen kaunis, että estetiikka yhdistettynä logiikkaan on suorastaan häkellyttävää.
NOKAN MUODOSTUMINEN
Miksi päätit tutkia nokanmuodostusta Darwinin suomuilla?
Noh, kun teknologia on kehittynyt ja tietämyksemme kehityksestä on kasvanut, päästiin siihen pisteeseen, että oli realistista ajatella, että yritetään ymmärtää, miten kehitysohjeita viritettiin luonnossa monimuotoisuuden aikaansaamiseksi. Emme halunneet tarkastella valtavan erilaisia eläimiä, koska niiden välillä olisi paljon eroja, ja olisi liian vaikeaa selvittää, mitä todella tapahtuu. Halusimme tarkastella eläimiä, jotka ovat hyvin läheistä sukua ja joilla on mieluiten vain yksi rakenne, joka eroaa hyvin merkittävästi eri lajien välillä.
Galapagossaarilla elävät Darwinin finchit ovat loistava esimerkki tästä. Ne ovat lintuja, jotka ovat pohjimmiltaan samaa organismia, mutta niillä on hyvin erimuotoiset nokat. Tuo nokan muodon erilaisuus on mahdollistanut niille hyvin erilaiset elämäntavat. Nokka on perustavanlaatuisen tärkeä rakenne – sillä on suuri ekologinen merkitys – ja nämä eri suomulajit olivat miljoona vuotta sitten vain yksi lintulaji. Tämä on siis yksi syy siihen, miksi Darwinin suomut olivat meille hyvin houkuttelevia.
Ja mitä te löysitte?
Ennen kuin teimme tutkimuksemme, oli mahdollista, että täysin erilaiset geenit osallistuivat erimuotoisten nokkien tekemiseen. Emme pitäneet sitä todennäköisenä sen perusteella, mitä tiesimme siitä, miten geenit ohjaavat kehitystä, mutta se oli mahdollista. Se, mitä löysimme, vahvisti yleistä kuvaa: samat geenit osallistuvat terävän, teräväkärkisen nokan tai suuren, leveän, pähkinöitä murskaavan nokan tekemiseen. Eron tekee se, kuinka paljon geeniä kytketään päälle, milloin se kytketään päälle ja milloin pois päältä – hienovaraiset erot säätelyssä. Tietyt geenit ovat välttämättömiä minkä tahansa nokan syntymiselle, mutta se on viritys – geenin määrä, ajoitus, kesto – joka itse asiassa tekee tempun.
VARSI JA JALKA
Meneekö raajojen muodostumisessa samanlainen hienosäätö?
Kyllä, ja tässä vaiheessa ymmärrämme hyvin perustavanlaatuisella tavalla suuren osan molekulaarisesta säätelystä, geenit, jotka kertovat raajan muodostumisesta. Ymmärrämme, miten varhainen solumassa saa tietoa, joka käskee yhden ryhmän muuttua yhdeksi rakenteeksi ja toisen ryhmän muuttua toiseksi. Ymmärrämme, miten kudos alkaa muodostua luuksi eikä esimerkiksi jänteeksi. Hyvin perustavanlaatuisella tavalla tiedämme nyt geenit, jotka ovat vastuussa siitä, että raajasta tulee sellainen kuin se on.
Se tekee käsivarren toisin kuin esimerkiksi jalan?
Oikein. Kuten sanoin aiemmin, raajan perusrakenne, jonka näemme vaikkapa kädessämme, toistuu eri eläimissä jonkin verran muunneltuna ja toimii siivenä tai räpylänä. Mutta näet myös vaihtelua raajan rakenteessa omassa kehossasi. Käsi ja jalka ovat pohjimmiltaan samankaltaisia rakenteita – esimerkiksi olkapäästä tai lonkasta kohti sormia tai varpaita siirryttäessä yläraajassa on yksi luu, jonka jälkeen alaraajassa on kaksi luuta ja sitten monta luuta, jotka muodostavat viisi numeroa. Etu- ja takaraajat rakentuvat samasta perussuunnitelmasta.
En usko, että tarvitsee katsoa luonto-ohjelmia ollakseen häkeltynyt elämän monimuotoisuudesta maapallolla.
Me tiedämme nyt, että on olemassa tiettyjä geenejä, jotka käynnistyvät takaraajassa, sääressä, ja jotka eivät käynnisty eturaajassa, käsivarressa. Kun ne kytkeytyvät päälle, varhainen raajan nuppu saa enemmän jalan luonnetta. On muitakin geenejä, jotka ovat läsnä vain eturaajassa tai käsivarressa raajan silmun varhaisvaiheessa. Käsivarren ja jalan välinen ero voidaan siis pohjimmiltaan jäljittää varhaisessa raajan nupussa olevien geenien eroihin. Nämä etu- tai takaraajaspesifiset geenit vaikuttavat muiden geenien asettamiin yleisiin raajaohjeisiin siten, että lopputuloksena on käsivarsi tai jalka.
Me pidämme raajojamme itsestäänselvyyksinä, mutta raajan kehittyminen kalan evästä aikoinaan oli valtava harppaus eteenpäin, eikö ollutkin?
Yksi evoluutiohistorian suurista hetkistä on se, kun evä kehittyi ensimmäistä kertaa raajaksi. Tämä tapahtui kalassa, joka eli matalassa vedessä ja oppi manipuloimaan itseään matalassa vedessä. Se kehitti rakenteen, joka pystyi pyörimään ja jossa oli segmenttejä, jotka pystyivät liikkumaan itsenäisesti toisiinsa nähden ja jotka päättyivät sormenpäihin, mikä antoi tälle kalalle loistavan kyvyn liikkua lietteessä. Se osoittautui perusominaisuudeksi, jolla oli valtava potentiaali, valtava joustavuus.
Koska näemme, että tuon raajan peruskaavio – yksi luu yläraajassa, kaksi luuta alaraajassa, ranteet, jotka kiertyvät, sarja viittä tai vähempää sormenpäätä – on kehittynyt niin, että siitä on syntynyt kaikkea mahdollista lepakon siivestä, joka on tarkoitettu leijumiseen, pyöriäisen räpylän evästä, joka on tarkoitettu uintiin ja merillä liikkumiseen, kädestä, joka on tarkoitettu tarttumiseen tai pianon soittoon, ja myyrälihan raajasta, joka on tarkoitettu kaivamiseen. Valtavat erot raajojen käytössä ovat mahdollistaneet sen, että myöhemmät eläimet – sammakkoeläimet, matelijat, linnut, nisäkkäät – ovat voineet kehittyä poikkeuksellisen moninaisiksi elämäntavoiksi.
AN EVOLUTION REVOLUTION
Evo devon ala on todella räjähdysmäisessä kasvussa, eikö olekin?
Se on aivan uskomatonta. Nopea tahti, luulen että enemmän kuin mikään muu, on se mitä en olisi odottanut. Luulen, että olisin ennustanut, että pääsisimme lopulta sinne, missä olemme ymmärryksen suhteen; en vain koskaan uskonut, että se tapahtuisi niin nopeasti kuin se on tapahtunut. On ollut teknologisia vallankumouksia – sekvensointivallankumous, joka mahdollisti kokonaisten genomien sekvensoinnin, ja teknologia, jolla voidaan käsitellä valtavia tietomääriä samanaikaisesti ja lajitella asioita. On uskomatonta, mitä kaikkea voi tehdä ja miten paljon helpompaa ja nopeampaa se on nyt kuin silloin, kun aloitin. En olisi ikinä uskonut, että se tapahtuisi näin nopeasti.
Miten onnistut pysymään mukana?
On hyvin vaikeaa pysyä mukana, kun tieto liikkuu niin nopeasti. Luulen, että pysyt ajan tasalla niistä asioista, jotka kiinnostavat sinua eniten. Kun aloitin biologian parissa, luin kaiken koko molekyylibiologian alalta, koska sitä tehtiin nykyiseen verrattuna suhteellisen vähän. Voit lukea kahta tai kolmea lehteä, ja periaatteessa pysyt ajan tasalla solubiologiasta, fysiologiasta, immunologiasta, kehitysbiologiasta ja syöpäbiologiasta. Mutta nyt ei pysy mukana edes kehitysbiologiassa tai evoluutiobiologiassa. Valitset alasi, valitset aiheesi, valitset kysymyksesi, ja pohjimmiltaan pysyt ajan tasalla siitä, mikä todella jännittää sinua eniten.
Ja elämän monimuotoisuus, sellaisena kuin se paljastuu evo devo:n kautta, on se, mikä oikeasti innostaa sinua.
Ei tarvitse katsoa luonto-ohjelmia ollakseen häkeltynyt elämän monimuotoisuudesta maapallolla. Voit yksinkertaisesti käydä kävelyllä kotona. Näet lintuja, oravia, koiria. Tulet kotiin ja halaat lastasi. Nämä asiat ovat itsestäänselvyyksiä. Mutta jos otat askeleen taaksepäin ja katsot, miten hämmästyttävä lintu on lennossa, miten täydellisesti sopeutunut orava juoksee puussa ylös ja alas ja niin edelleen, maailma on niin hämmästyttävä. Uskomatonta tässä ajassa historiassa tieteellisestä näkökulmasta on se, että pystymme ymmärtämään tätä monimuotoisuutta, ja se vain lisää jännitystä. Se ei vähennä sen mysteeriä. Se tekee siitä entistäkin maagisemman.