Vad är Evo Devo?

Den nya definitionen av Evo Devo

NOVA: Det har varit mycket snack om Evo Devo. Vad är huvudidén och varför är det så spännande?

Cliff Tabin: Evolutionär utvecklingsbiologi, eller ”evo devo”, är en bred term som omfattar många saker. Och olika människor använder begreppet lite olika, och även vad som gör det intressant för dem skiljer sig från forskare till forskare.

För mig börjar jag med att ta en titt på utvecklingssidan. Revolutionen inom utvecklingsbiologin, och revolutionen inom de biologiska vetenskaperna som helhet, har fört oss till en punkt där vi faktiskt kan börja förstå hur generna gör att ett embryo bildas på det sätt som det gör, varför en lem bildas överhuvudtaget, och sedan varför armen skiljer sig från benet, varför hjärtat som börjar som ett rör i mitten viker sig upp så att det hamnar till vänster och inte till höger. Vi börjar förstå den typen av riktigt grundläggande frågor, och det är fantastiskt i sig.

Vi börjar också komma till den punkt där vi inte bara kan förstå hur man skapar en lem, utan också hur processen kan förändras på vad som faktiskt är subtila sätt, till exempel så att lemmen tar formen av en fladdermusvinge jämfört med en mänsklig hand jämfört med en fenan. Och det tycker jag är enormt spännande.

Så för mig är den grundläggande aspekten av evo devo att förstå hur utvecklingen justeras under evolutionär tid.

En av de viktigaste upptäckterna inom evo devo är hur lika våra gener är dem hos alla andra djur, eller hur?

Ja. En av de mest fantastiska överraskningarna under den tid som jag har ägnat mig åt vetenskap har varit upptäckten att de gener som är inblandade i skapandet av så olika djur som en fruktfluga och en människa i grunden är samma gener. När vi tänkte på sådana saker för till exempel 20 år sedan var man tvungen att anta att generna för att göra en fruktfluga skulle innehålla instruktioner för vingar, gener som vi inte behövde. Och omvänt att vi skulle ha gener avsedda för att göra en mänsklig lem eller ett mänskligt hjärta som en fluga aldrig skulle få. Det häpnadsväckande resultatet var att, till en första approximation, samma gener finns i båda och används i båda.

Det är den vackraste processen att se organisation växa fram.

Nu, i efterhand, inser vi förstås att både flugor och människor är djur. Vi hade en gemensam förfader. Kanske var det en obestämd liten maskliknande sak, men den lilla maskliknande saken hade redan den uppsättning gener som gjorde att huvudet skiljde sig från svansen och tarmen skiljde sig från hjärtat. För att den där masken skulle utvecklas till en fluga, eller för att slutligen utvecklas till en människa, användes dessa gener på olika sätt, i olika kombinationer och med olika timing.

Fundamentalt sett fanns den genetiska verktygslådan, som vi kallar den, redan hos den gemensamma förfadern. Och denna uppsättning gener från förfäderna var tillräckligt kraftfull och mångsidig för att tillhandahålla materialet för att generera de olika former av djurliv som vi nu ser på jorden. Detta var något som ingen hade förväntat sig, och det har gjort studiet av olika organismer mycket djupgående. Det betyder att det man lär sig när man studerar utvecklingen hos en fluga verkligen har direkta konsekvenser för förståelsen av hur vi själva skapas, för hur olika en fluga än är från en människa och hur länge sedan vi skiljde oss åt, använder vi i princip samma gener för att göra samma sak – att få en organisation att växa fram i ett embryo.

Och du och andra biologer såg det aldrig komma.

Jag skulle ha satsat vad som helst på att så inte skulle vara fallet. Jag skulle ha trott att de gener som är inblandade i att skapa en fluga skulle vara annorlunda än de som skapar en människa. Jag skulle också ha trott att det skulle krävas mycket mer grundläggande gener inom den verktygslådan för att göra en människa. Jag skulle ha trott att de gener man använder för att utlösa bildandet av ett hjärta skulle vara helt annorlunda än de gener man använder för att skapa ett ben, som skulle vara helt annorlunda än de gener man använder för att göra framsidan av ett embryo annorlunda än baksidan av ett embryo, och så vidare.

Det visar sig att samma gen eller gener används om och om igen, bara på olika sätt och i olika kombinationer med andra gener i en cell. Och vi använder vad jag skulle anse vara, baserat på min tidigare intuition, ett löjligt litet antal gener.

ALLT OM EMBRYOT

Det faktum att vi alla delar en gemensam uppsättning gener är lätt att se på embryonalt stadium, eller hur? Mycket tidigt i sin utveckling ser alla djur i stort sett likadana ut.

Ja. En av de saker som har diskuterats sedan 1800-talet är att om man tittar på embryon från olika ryggradsdjur – oavsett om det är en fisk, salamander, groda, kyckling, mus eller människa – så ser de i tidiga stadier väldigt lika ut. I själva verket går de igenom steg där de nästan inte går att skilja åt. En seriös yrkesman som tittar närmare på dem i ett mikroskop kan naturligtvis se skillnader nästan från början. Men likheten i de tidiga stadierna är verkligen anmärkningsvärd.

En av anledningarna till att jag tror att så är fallet är att de tidiga aspekterna av att sätta benen på rätt plats, att göra huvudet annorlunda än kroppen, dessa mycket tidiga och mycket grundläggande saker måste ske på en viss skala som dikteras av det område inom vilket nyckelmolekylerna kan agera. Så när vi alla är ungefär lika stora, oavsett om du är en tumlare, en människa eller en apa, sker samma slags processer. Efter det kan man sedan utveckla skillnaderna. Så i de tidiga stadierna är det inte bara en lekman som tycker att de ser likadana ut; på grundläggande sätt är de verkligen likadana.

Ett av de stora ögonblicken i evolutionens historia är när en fena för första gången utvecklades till en lem.

Det är häpnadsväckande att titta på en tidsfördröjning av ett embryo under utveckling, av vilket djur som helst. Du måste ha ett roligt jobb.

En av de fantastiska sakerna med mitt område är möjligheten att se embryon utvecklas. Det är den vackraste processen att se en organisation växa fram, oavsett om man ser det i tidsförloppsfotografering eller om man tittar på det i ett mikroskop över tid. Det är fantastiskt vackert att se det hända, och hela processen i sig är så grundläggande vacker att estetiken i kombination med logiken bara är överväldigande.

TWEAKING THE BEAK

Varför bestämde du dig för att studera näbbbildningen hos Darwins finkar?

Ja, allteftersom tekniken har utvecklats och allteftersom vår kunskap om utveckling har ökat, kom det till en punkt där det blev realistiskt att tänka på att försöka förstå hur utvecklingsinstruktioner justerades för att ge variation i naturen. Vi ville inte titta på enormt olika djur, eftersom det skulle finnas en massa skillnader mellan dem, och det skulle bli för svårt att reda ut vad som egentligen pågår. Vi ville titta på djur som är mycket nära besläktade och som helst bara har en enda struktur som skiljer sig på ett mycket viktigt sätt mellan arterna.

Darwins finkar på Galapagosöarna är ett utmärkt exempel på detta. Det är fåglar som i huvudsak är samma organism, men de har näbbar som har mycket olika form. Denna mångfald i näbbform har gjort det möjligt för dem att ha mycket olika livsstilar. Näbben är en grundläggande viktig struktur – den har stor ekologisk betydelse – och dessa olika finkarter var bara en enda fågelart för en miljon år sedan. Så det är en av anledningarna till att Darwins finkar var mycket tilltalande för oss.

Och vad fann ni?

Innan vi gjorde vår forskning var det möjligt att helt olika gener var inblandade i att skapa näbbar med olika former. Vi trodde inte att det var troligt, baserat på vad vi visste om hur generna styr utvecklingen, men det var möjligt. Det vi fann förstärkte den allmänna framväxande bilden: att samma gener är inblandade i tillverkningen av en vass, spetsig näbb eller en stor, bred, nötkrossande näbb. Det som gör hela skillnaden är hur mycket man aktiverar en gen, när man aktiverar den och när man stänger av den – de subtila skillnaderna i regleringen. Specifika gener är nödvändiga för att skapa vilken näbb som helst, men det är justeringen – mängden av genen, tidpunkten för genen, varaktigheten av genen – som faktiskt gör tricket.

En arm och ett ben

Går det till på samma sätt när lemmar bildas?

Ja, och vid den här tidpunkten förstår vi, på ett mycket grundläggande sätt, en stor del av den molekylära regleringen, de gener som talar om för lemmarna hur de ska bildas. Vi förstår hur en tidig cellmassa får information som talar om för en grupp att bli en struktur och en grupp att bli en annan. Vi förstår hur vävnad börjar bilda ett ben till skillnad från en sena, till exempel. På ett mycket grundläggande sätt känner vi nu till de gener som är ansvariga för att din lem blir som den är.

Det gör till exempel en arm till skillnad från ett ben?

Ja. Som jag sa tidigare återges den grundläggande strukturen hos en lem som vi ser i vår arm, till exempel, med viss variation hos olika djur för att fungera som en vinge eller ett fenor. Men du kommer också att se variation i den struktur som en lem antar i din egen kropp. En arm och ett ben är i grunden liknande strukturer – när du rör dig från axeln eller höften mot fingrarna eller tårna har du till exempel ett enda ben i den övre extremiteten, följt av två ben i den nedre extremiteten och sedan många ben som bildar de fem fingrarna. Den främre och den bakre extremiteten är uppbyggda enligt samma grundplan.

Jag tror inte att man behöver titta på naturprogram för att bli överväldigad av mångfalden av liv på jorden.

Vi vet nu att det finns specifika gener som aktiveras i den bakre extremiteten, i benet, och som inte aktiveras i den främre extremiteten, armen. När de aktiveras får den tidiga lemknoppen mer benkaraktär. Det finns andra gener som bara finns i frambenet eller armen i de tidiga stadierna av lemknoppen. Så i grund och botten kan skillnaden mellan en arm och ett ben spåras tillbaka till skillnader i gener i den tidiga lemknoppen. Dessa specifika gener för fram- eller bakbenet påverkar den allmänna uppsättningen av beninstruktioner som andra gener lägger fast, så att resultatet blir en arm eller ett ben.

Vi tar våra lemmar för givna, men utvecklingen av lemmar från en fiskfena för länge sedan var ett enormt steg framåt, eller hur?

Ett av de stora ögonblicken i evolutionens historia är när en fena för första gången utvecklades till en lem. Detta var något som inträffade hos en fisk som levde på grunt vatten och som lärde sig att manipulera sig själv på grunt vatten. Vad den gjorde var att utveckla en struktur som kunde rotera och som hade segment som självständigt kunde röra sig i förhållande till varandra och som slutade i fingrar, vilket var något som gav den här fisken den fantastiska förmågan att ta sig fram i dyngan. Det visade sig vara en grundläggande egenskap som hade en enorm potential, en enorm flexibilitet.