Mi az Evo Devo?

Az EVO DEVO MEGHATÁROZÁSA

NOVA: Az evo devo körül nagy a felhajtás. Mi a lényege, és miért olyan izgalmas?

Cliff Tabin: Evolúciós fejlődésbiológia, vagy “evo devo”, egy tág fogalom, amely sok mindent magában foglal. És a különböző emberek kissé eltérően használják a kifejezést, és az is különbözik tudósról tudósra, hogy mi teszi számukra érdekessé.

Nálam azzal kezdem, hogy megnézem a fejlődési oldalt. A fejlődésbiológia forradalma, és az egész biológiai tudományok forradalma eljutott minket arra a pontra, ahol ténylegesen elkezdhetjük megérteni, hogy a gének hogyan alakítják ki az embriót úgy, ahogyan kialakul, miért alakul ki egyáltalán egy végtag, és aztán miért más a kar, mint a láb, miért hajtódik össze a szív, ami középen csőként indul, hogy a bal oldalon legyen, és ne a jobb oldalon. Kezdjük megérteni ezeket az alapvető kérdéseket, és ez már önmagában is lenyűgöző.

Eljutottunk arra a pontra, ahol már nem csak azt értjük meg, hogyan alakul ki egy végtag, hanem azt is, hogyan lehet a folyamatot olyan finom módokon megváltoztatni, hogy a végtag denevérszárny vagy emberi kéz vagy uszony alakját öltse. És ez számomra rendkívül izgalmas.

Az evo devo alapvető aspektusa számomra tehát annak megértése, hogy a fejlődés hogyan módosul az evolúciós idő folyamán.

Az evo devo egyik legfontosabb felfedezése, hogy a génjeink mennyire hasonlítanak az összes többi állatéhoz, igaz?

Igen. Az egyik legmeglepőbb meglepetés a tudományban eltöltött időm alatt az volt, hogy kiderült, hogy azok a gének, amelyek olyan különböző állatok létrehozásában vesznek részt, mint a gyümölcslégy és az ember, alapvetően ugyanazok a gének. Amikor ilyen dolgokon gondolkodtunk, mondjuk 20 évvel ezelőtt, azt kellett feltételeznünk, hogy a gyümölcslégy létrehozásához szükséges gének a szárnyakra vonatkozó utasításokat tartalmazzák, olyan géneket, amelyekre nekünk nincs szükségünk. És fordítva, hogy olyan génjeink lennének az emberi végtagok vagy az emberi szív létrehozására, amelyekkel egy légy soha nem rendelkezne. A megdöbbentő felfedezés az volt, hogy első közelítésben ugyanazok a gének vannak jelen mindkettőben, és mindkettőben használják őket.

Ez a legszebb folyamat a szervezet kialakulását látni.

Most, utólag persze rájöttünk, hogy a légy és az ember is állat. Volt egy közös ősünk. Talán egy jellegtelen kis féregszerű dolog volt, de ez a kis féregszerű dolog már rendelkezett a géneknek azzal a készletével, amely megkülönböztette a fejét a farkától és a beleit a szívétől. Ahhoz, hogy az a féreg légyé, vagy végül emberré fejlődjön, ezeket a géneket különböző módon, különböző kombinációkban, különböző időzítéssel használták.

Alapvetően a genetikai eszköztár, ahogy mi nevezzük, már ott volt a közös ősben. És ez az ősi génkészlet elég erős és sokoldalú volt ahhoz, hogy az állati élet olyan változatos formáinak létrehozásához szükséges anyagot szolgáltasson, amilyeneket ma a Földön látunk. Erre senki sem számított, és ez nagyon mélyrehatóvá tette a különböző élőlények tanulmányozását. Ez azt jelenti, hogy amit egy légy fejlődésének tanulmányozásából megtudunk, az valóban közvetlen hatással van arra, ahogyan mi magunk is létrejövünk, mert bármennyire is különbözik egy légy az embertől, és bármennyire is régen váltunk el egymástól, alapvetően ugyanazokat a géneket használjuk ugyanarra a dologra – a szervezet kialakulására egy embrióban.

És te és más biológusok nem látták előre.

Mindenbe lefogadtam volna, hogy ez nem így lesz. Azt hittem volna, hogy a légy létrehozásában részt vevő gének különböznek azoktól, amelyek az embert létrehozzák. Azt is gondoltam volna, hogy sokkal több alapvető gén kell ahhoz az eszközkészleten belül, hogy ember legyen belőle. Azt gondoltam volna, hogy azok a gének, amelyeket a szív kialakulásához használunk, teljesen különböznek azoktól, amelyeket a csontok létrehozásához használunk, amelyek teljesen különböznek azoktól, amelyeket ahhoz használunk, hogy az embrió elülső oldala különbözzön az embrió hátsó oldalától, és így tovább.

Kiderült, hogy ugyanaz a gén vagy gének újra és újra használatban vannak, csak más-más módon és más génekkel kombinálva egy sejtben. És olyan gént használunk, amit én az előzetes megérzéseim alapján nevetségesen kevés génnek tartanék.

MINDIG AZ EMBRYÓRÓL

A tény, hogy mindannyiunknak közös génkészlete van, már az embrionális stádiumban könnyen nyilvánvaló, nem igaz? Fejlődésük nagyon korai szakaszában minden állat nagyjából hasonlóan néz ki.

Igen. Az egyik dolog, amiről már az 1800-as évek óta beszélnek, hogy ha megnézzük a különböző gerincesek embrióit – legyen az hal, szalamandra, béka, csirke, egér vagy ember – a korai stádiumban nagyon hasonlóan néznek ki. Valójában olyan lépéseken mennek keresztül, ahol szinte megkülönböztethetetlenek. Egy komoly szakember, aki mikroszkóp alatt közelről szemügyre veszi őket, persze szinte a kezdetektől fogva meg tudja állapítani a különbségeket. De a korai szakaszok hasonlósága valóban figyelemre méltó.

Az egyik ok, amiért szerintem ez így van, az az, hogy a lábak megfelelő helyre helyezése, a fejnek a testtől való megkülönböztetése, ezek a nagyon korai és nagyon alapvető dolgok egy bizonyos skálán történnek, amit az a tartomány diktál, ahol a kulcsmolekulák képesek hatni. Tehát amikor mindannyian nagyjából azonos méretűek vagyunk, legyen szó akár disznóhalról, akár emberről vagy majomról, ugyanazok a folyamatok játszódnak le. Ezután kidolgozzuk a különbségeket. Tehát a korai szakaszokban nem csak egy laikus gondolja azt, hogy hasonlónak tűnnek; alapvető dolgokban valóban hasonlóak.

Az evolúció történetének egyik nagy pillanata, amikor egy uszony először fejlődött végtaggá.

Megdöbbentő megnézni egy fejlődő embrió időzített felvételét, bármely állat esetében. Biztosan szórakoztató lehet a munkád.

Az egyik nagyszerű dolog a szakterületemen, hogy megfigyelhetjük az embriók kibontakozását. A legszebb folyamat látni a szervezet kialakulását, akár time-lapse fotózáson látod, akár mikroszkóp alatt nézed az idő múlásával. Lenyűgözően gyönyörű nézni, ahogyan ez történik, és maga az egész folyamat olyan alapvetően gyönyörű, hogy az esztétika a logikával kombinálva egyszerűen lenyűgöző.

A CSAKKAKÉPZÉS

Miért döntött úgy, hogy a Darwin-pintyek csőrképződését tanulmányozza?

Hát, ahogy a technológia fejlődött, és ahogy a fejlődéssel kapcsolatos ismereteink gyarapodtak, eljutottunk arra a pontra, amikor reális lett az a gondolat, hogy megpróbáljuk megérteni, hogy a fejlődési utasításokat hogyan hangolták a természetben a változatosság érdekében. Nem akartunk hatalmasan különböző állatokat vizsgálni, mert rengeteg különbség lenne közöttük, és túl nehéz lenne szétválogatni, hogy mi is történik valójában. Olyan állatokat akartunk vizsgálni, amelyek nagyon közeli rokonok, és amelyek ideális esetben csak egyetlen olyan szerkezettel rendelkeznek, amely nagyon fontos módon különbözik a fajok között.

A Galápagos-szigeteken élő Darwin-pintyek remek példát mutatnak erre. Ezek olyan madarak, amelyek lényegében ugyanabból a szervezetből származnak, de csőrük nagyon különböző formájú. Ez a változatos csőrforma tette lehetővé számukra, hogy nagyon különböző életmódot folytassanak. A csőr alapvetően fontos szerkezet – nagy ökológiai jelentősége van -, és ezek a különböző pintyfajok egymillió évvel ezelőtt még csak egyetlen madárfaj voltak. Tehát ez az egyik oka annak, hogy Darwin pintyei nagyon vonzóak voltak számunkra.

És mit találtak?

A kutatásunk előtt lehetséges volt, hogy teljesen különböző gének vesznek részt a különböző formájú csőrök kialakításában. Ezt nem tartottuk valószínűnek az alapján, amit arról tudtunk, hogy a gének hogyan irányítják a fejlődést, de lehetséges volt. Amit találtunk, megerősítette a kialakulóban lévő általános képet: ugyanazok a gének vesznek részt egy éles, hegyes csőr vagy egy nagy, széles, diótörő csőr kialakításában. A különbséget az jelenti, hogy mennyire kapcsoljuk be a gént, mikor kapcsoljuk be, mikor kapcsoljuk ki – a szabályozás finom különbségei. Bizonyos gének nélkülözhetetlenek bármelyik csőr kialakításához, de valójában a finomhangolás – a gén mennyisége, időzítése, időtartama – az, ami a trükköt véghezviszi.

Egy kar és egy láb

A végtagok kialakulásában is ugyanezek a finomhangolások játszódnak le?

Igen, és ezen a ponton, nagyon alapvető módon, megértjük a molekuláris szabályozás nagy részét, a géneket, amelyek megmondják a végtag kialakulását. Megértjük, hogy egy korai sejttömeg hogyan kapja meg azt az információt, ami azt mondja az egyik csoportnak, hogy egy struktúrává váljon, és az egyik csoportnak, hogy egy másik struktúrává váljon. Megértjük, hogy a szövet hogyan kezd el csontot képezni, szemben például az inakkal. Nagyon alapvető módon most már ismerjük azokat a géneket, amelyek felelősek azért, hogy a végtagunk olyanná váljon, amilyen.

Ezek teszik a kart, szemben például a lábbal?

Igen. Ahogy korábban mondtam, a végtag alapvető szerkezete, amit mondjuk a karunkban látunk, némi variációval különböző állatokban megismétlődik, hogy szárnyként vagy uszonyként szolgáljon. De a saját testünkön belül is látunk variációkat a végtagok szerkezetében. A kar és a láb alapvetően hasonló szerkezetű – ahogy például a válltól vagy a csípőtől az ujjak vagy a lábujjak felé haladunk, a felső végtagban egyetlen csontot találunk, amelyet két csont követ az alsó végtagban, majd sok csont alkotja az öt számjegyet. A mellső és a hátsó végtag ugyanarra az alaptervre épül.

Nem hiszem, hogy természetfilmeket kell nézni ahhoz, hogy lenyűgözzön a földi élet sokszínűsége.

Ma már tudjuk, hogy vannak olyan specifikus gének, amelyek a hátsó végtagban, a lábban bekapcsolódnak, az elülső végtagban, a karban viszont nem. Ha ezek bekapcsolódnak, akkor a korai végtagbimbó inkább lábjelleget kap. Vannak más gének, amelyek csak a mellső végtagban vagy a karban vannak jelen a végtagbimbó korai szakaszában. Tehát alapvetően a kar és a láb közötti különbség a korai végtagbimbón belüli génkülönbségekre vezethető vissza. Ezek az elülső vagy hátsó végtagspecifikus gének befolyásolják a többi gén által meghatározott általános végtag-instrukciókat, hogy az eredmény egy kar vagy egy láb legyen.

A végtagjainkat természetesnek vesszük, de a végtag evolúciója a halak uszonyából régen hatalmas előrelépés volt, nem igaz?

Az evolúció történetének egyik nagy pillanata, amikor az uszony először fejlődött végtaggá. Ez egy olyan halban történt, amely sekély vízben élt, és megtanulta, hogyan manipulálja magát a sekély vízben. Kifejlesztett egy olyan szerkezetet, amely képes volt forogni, és olyan szegmensekkel rendelkezett, amelyek egymástól függetlenül tudtak mozogni, és amelyek ujjakban végződtek, ami megadta ennek a halnak azt a nagyszerű képességet, hogy a mocsárban közlekedjen. Kiderült, hogy ez egy olyan alapvető tulajdonság, amely hatalmas potenciállal, hatalmas rugalmassággal rendelkezett.

Mert azt látjuk, hogy e végtag alaprajza – egy csont a felső végtagban, két csont az alsó végtagban, csuklók, amelyek csavarodnak, öt vagy kevesebb ujjpercből álló sorozat – úgy lett kidolgozva, hogy a denevér szárnyától a szárnyalásra, a disznóúszó uszonyától az úszásra és az óceánokban való navigálásra, a markolásra vagy zongorázásra szolgáló kéztől a vakond ásásra szolgáló végtagjáig mindent megkapjunk. A végtaghasználat óriási különbségei tették lehetővé, hogy a későbbi állatok – kétéltűek, hüllők, madarak, emlősök – rendkívüli életmódot alakítsanak ki.

Egy evolúciós forradalom

Az evo devo területe valósággal robbanásszerűen fejlődik, nem igaz?

Ez egyszerűen elképesztő. A gyors tempó, azt hiszem, mindennél jobban az, amire nem számítottam volna. Azt hiszem, megjósoltam volna, hogy előbb-utóbb eljutunk oda, ahol most tartunk a megértés tekintetében; csak azt nem gondoltam volna, hogy ez ilyen gyorsan fog történni, mint ahogyan történt. Voltak technológiai forradalmak – a szekvenálási forradalom, amely lehetővé tette, hogy teljes genomokat szekvenáljunk, a technológia, amely egyszerre hatalmas mennyiségű információt képes kezelni és rendezni a dolgokat. Hihetetlen, hogy mit lehet tenni, és mennyivel könnyebb és gyorsabb, mint amikor én kezdtem. Soha nem gondoltam volna, hogy ez ilyen gyorsan fog történni.

Hogyan sikerül lépést tartani?

Nehéz lépést tartani, amikor a tudás ilyen gyorsan fejlődik. Szerintem azt csinálod, hogy azokkal a dolgokkal foglalkozol, amelyek a legjobban érdekelnek. Amikor elkezdtem a biológiát, mindent elolvastam a molekuláris biológia teljes területéről, mert a maihoz képest viszonylag keveset foglalkoztak vele. Két-három folyóiratot olvashattál, és alapvetően képes voltál lépést tartani a sejtbiológiával, az élettannal, az immunológiával, a fejlődésbiológiával és a rákbiológiával. Most viszont még a fejlődésbiológiával vagy az evolúcióbiológiával sem tudsz lépést tartani. Kiválasztod a területeket, kiválasztod a témákat, kiválasztod a kérdéseket, és alapvetően azzal foglalkozol, ami a legjobban izgat.

Az életnek az evo devo által feltárt sokszínűsége az, ami igazán izgatja.

Nem hiszem, hogy természetfilmeket kell nézni ahhoz, hogy lenyűgözzön a földi élet sokszínűsége. Egyszerűen csak sétálj egyet otthon. Látod a madarakat, mókusokat, kutyákat. Hazajössz és megöleled a gyerekedet. Ezeket a dolgokat természetesnek vesszük. De ha egy lépést hátralépsz, és megnézed, milyen csodálatos a madár repülése, a mókus olyan tökéletesen alkalmazkodott, ahogy fel-le szaladgál a fán, és így tovább, akkor ez egy olyan csodálatos világ. És ami tudományos szempontból hihetetlen a történelem ezen szakaszában, az az, hogy képesek leszünk megérteni ezt a sokféleséget, és ez csak még izgalmasabbá teszi a dolgot. Nem demisztifikálja. Csak még varázslatosabbá teszi.