Sean B. Carroll: Loputtomat kauniit muodot

Tämän löydöksen jälkeen paljastui, että samat, eri eläimissä olevat geenit hallitsivat myös eri ruumiinosien kehitystä, kuten silmien, raajojen ja sydänten, joiden rakenteet ovat äärimmäisen erilaiset eri eläimissä ja joiden oli pitkään ajateltu kehittyneen täysin eri tavoilla. Eri lajien kehitykseen liittyvien geenien vertailusta tuli uusi, embryologian ja evolutiivisen biologian väliin sijoittuva oppiala – evolutiivinen kehitysbiologia elo lyhyesti ”evodevo”.

Sean B. Carrollin Loputtomat kauniit muodot valaisee lukijalle mitä tarkoittaa evodevo: embryologian ja evoluutiobiologian liitto. Carroll tekee tämän tyylilleen ominaisesti kiinnostavalla, innostavalla ja tieteellisellä tavalla. Teoksen lukeminen vaatii taustakäsitystä biologian (genetiikan, evoluutioteorian, mielellään myös morfologian) käsitteistä ja teorioista, mutta Carroll valaisee oman osuutensa, näiden alojen yhteenliittämisen, kattavasti. Tiedon ja tutkimustapojen sisäistämistä auttavat hyvät esimerkit hankajalan kehitysmuodoista perhosen täpliin. Välillä monimuotoisuutta pohditaan tilastotieteellisestäkin näkökulmasta.

Evodevoa pohjustetaan käymällä läpi muutamia olennaisia peruskäsitteitä: homologia (samasyntyisyys, vrt. analogia eli samatoimisuus), homologiasarja (homologisten rakenteet, jotka ovat syntyneet sarjana), Willinstonin laki (”evoluutiossa on laki, että eliön osien lukumäärällä on taipumus vähentyä ja harvemmat osat ovat toiminnaltaan suuresti erikoistuneita”), modulaarisuus, symmetria, polaarisuus…

     Eliöiden rakenteiden muodostumisen tutkimukseen paneudutaan käymällä ensiksi lävitse mutatoituneita muotoja – ”hirviöitä”, kuten Carroll laskettelee. Yksisilmäisten karitsojen taustalla esimerkiksi piileskelee altistuminen syklopamiinille – jota emo voi saada niityillä satunnaisesti rehottavista jättipärskäjuurista. Puoliksi yhteenkasvaneiden sammakonpoikasten kohtalo valottaa, että alkiossa on organisaattoreita, jotka vuorovaikutuksessa muiden osien kanssa vaikuttavat muodon kehittymiseen eli morfogeneesiin. Organisaattorit tuottavat aineita, morfogeenejä, jotka vaikuttavat toisten solujen kehitykseen. Morfogeenien pitoisuusgradientti ratkaisee vaikutuksen: esimerkiksi perhosen siipeen kehittyvän silmätäplän yhdisteet leviävät keskeltä, ja ympäröivien solujen pigmentti riippuu yhdisteen pitoisuudesta.

Seuraavassa luvussa paneudutaan genetiikkaan, ja selvitetään mikä ns. geneettisten kytkimien toimintatapa ja merkitys on evodevossa. Kytkimet ovat geeniin liittyviä proteiini + DNA-sekvenssikomboja, jotka vaikuttavat geenin luentaan (klassinen esimerkki E. colin laktoosikytkin, jonka Carrollkin esittelee). Alkionkehityksessä tällaisilla kytkimillä on merkittävä rooli: ne muodostavat tavallaan ketjureaktion jossa: ”jokaisen kytkimen kääntyminen perustuu aikaisempiin tapahtumiin, ja - - kytkin käynnistämällä geeninsä toiminnassa uuden hahmon vuorostaan luo perustan seuraavalle kehityksen hahmojen ja tapahtumien joukolle”. Kytkinten vuoksi toistuvissa rakenteissa ylipäätänsä voi olla näin paljon variaatiota: kytkinten ansioista samoja geneettisen työkalupakin geenejä voidaan käyttää eri tavoin eri eläimissä – mutaatio voi iskeä työkalupakin geenin (joita on suhteellisen vähän ja jotka toimivat useassa eri alkionkehityksen vaiheessa eri tavoin) sijaan kytkimeen, joita on useita* ja joista jokainen toimii ”yhdessä tehtävässä”.

     Oleellista on ymmärtää taas uusien termien merkitys: geneettinen työkalupakki (useita eri proteiineja, jotka vaikuttavat muiden geenien aktiivisuuteen alkionkehityksessä: mm. Hox-proteiinit, hormoneja, solureseptoreja…), homeoboksit eli Hox-geenit (merkittävimpiä geenejä, jotka ohjaavat syntyvän eliön muotoja, esimerkiksi banaanikärpäsellä näitä on kahdeksan)…

Luvussa 4 käsitellään alkionkehityksen hahmottamista hauskan mutta haastavan abstraktilla tasolla. Olennaista on ajatella alkio ”pallona”, johon kartoitetaan pituus- ja leveyspiirit kuin planeettaan, ja jossa täten tarkennetaan pallo moduulien verkoksi. Jokainen raaja tulee käsittää uutena tällaisena ”pallona”. Carroll puhuu ”raidoista” ja ”pisteistä” ja ”kapeista raidoista”, mutta olennaista on käsittää miten alkio jakautuu koordinaatteihin, ja Hox-geenit määrittävät mitä yksittäisessä jaokkeessa tai jaokejoukossa tapahtuu (toistuvien osien erikoistuminen edellyttää, että eri osat ovat eri Hox-vyöhykkeissä – ja vyöhykkeiden liikkeen aikaansaavat DNA-sekvenssien mutaatiot hox-geenien kytkimissä!). Kytkimet muodostaessaan ”raitoja” ja vastaavia, yhdistävät monenlaisia ”+ ja – -syötteitä” (aktivaattorit ja repressorit).

     Minua jäi mietityttämään mikä loppujenlopuksi tekee morulan eri soluista erilaisia siten, että jossakin jokin kytkin ”käynnistyy” ja toisessa ei – mikä aloittaa tapahtumasarjan? Leviääkö munasoluun kenties hedelmöityksessä jostakin yhdisteestä/yhdisteistä ratkaiseva pitoisuusgradientti, joka jakaa solun itä-länsi-suunnassa tms.?

Luku 6 paneutuu hieman helpompaan mutta yhtä mielenkiintoiseen aiheeseen: miten embryologia liittyy paleontologiaan ja miten nykyisiä eliöitä tutkimalla voidaan selvittää menneiden esi-isien piirteitä. Tähän liittyen Carroll kertoo hienolla tavalla simppelin ja loogisen käsnäjalkaisia tutkimalla toteutetun esimerkkikokeen: koska käsnäjalkaisilla löytyivät samat Hox-geenit kuin sukupuun toisesta haarasta niveljalkaisilta, löytyvät ne myös näiden yhteiseltä esi-isältä – sekä myös esi-isästä käsnäjalkaisten ja niveljalkaisten lisäksi kehittyneiltä valejalkaisilta, joihin myös Burgess Shalen kuuluisan fossiiliesiintymät otukset pitkälti kuuluvat.

     Carroll valottaa hienosti miten kenties näennäisesti yksinkertaisesta hankajalasta voi kehittyä hyönteisen siipi (plus raajahaarasta jalka), ja miten upeaa fossiiliaineistoa meillä tämän kehityksen varrelta on (tunnustan että ”primitiivinen vesitoukka” teki minuun vaikutuksen). Mikä hyönteisillä kehittyy siiveksi, hämähäkeillä kehittyy kirjakeuhkoiksi, ilmaputkiksi ja kehruuosiksi ja tuhatjalkaisilta sen sijaan poistuu kokonaan.

Indigo

* suuri vaihtelu johtuu työkalupakin proteiinien ja niiden tunnistus- eli nk. nimikirjoitussekvenssien käytöstä yhdistelminä – paljon tehokkaampaa kuin pelkkien eri proteiinien koodailu!