Evoluutiossa on peruutusvaihde

Joukko muitakin tutkimuksia on osoittanut, että eläinlajit voivat saada takaisin ominaisuuksia, jotka niiden esivanhemmat menettivät miljoonia vuosia sitten. Evoluutio ei siis ole ollenkaan niin yksioikoinen ilmiö kuin on oletettu. Evoluution taka-askelista on merkkejä myös ihmisessä.

Laki kieltää peruuttamasta

Evoluutio tuottaa koko ajan yhtä rajuja muutoksia kuin eteläamerikkalaisen sisiliskon kohdalla. Käärmeet ovat menettäneet jalkansa, ihmisellä ei ole enää häntää, ja pingviinit ovat kadottaneet kykynsä lentää.

Uusissa olosuhteissa vanhat ominaisuudet ovat tulleet epätarkoituksenmukaisiksi. Pitkään evoluution tuomien muutosten on uskottu olevan peruuttamattomia. Asiaa on pidetty niin selvänä, että siitä on kirjoitettu jopa laki jo 1890-luvulla. Belgialaisen paleontologin Louis Dollon mukaan nimetty Dollon laki toteaa, että evoluutio on palautumaton ilmiö.

Dollon lakia on pidetty evoluutioteorian perusoppina. Kadonneen piirteen palautumisen on katsottu vaativan niin monen geenin muuttumista tarkalleen edeltäviin muotoihinsa, että se on käytännössä mahdotonta. Myös eteläamerikkalaisen sisiliskon kohdalla geenimuutokset näyttävät valtavilta.

Siirtyminen munimisesta elävien poikasten synnyttämiseen edellyttää muutoksia synnytyskanavassa, munan kuoren ohentumista, istukan kehittymistä sekä muutoksia immuunijärjestelmässä, jotta emon elimistö ei pidä sikiötä elimistöön tunkeutuneena vieraana kappaleena.

Dollon laki on ollut tutkijoiden lähtökohtana yli sata vuotta, ja äkkiseltään se vaikuttaakin järkeenkäyvältä. Tietotekniikan kehittyminen ja uudet dna-analyysin menetelmät ovat kuitenkin tehneet mahdolliseksi tarkastella miljoonien vuosien evoluutiota uudesta näkökulmasta.

Algoritmi rakentaa sukupuita

Avain lajien kehitysvaiheiden tutkimiseen on niin sanottu evoluutiopuu. Se on tietyn eliöryhmän syntyä ja polveutumishistoriaa kuvaava haarautuva puumainen kaavio. Kun esimerkiksi ihmisen lähimmät ja kaukaisimmat sukulaislajit asetellaan puun oksiksi, nähdään, että niillä kaikilla on turkki. Niinpä ihmisenkin täytyy polveutua karvapeitteisistä lajeista.

Samalla tavalla evoluutiopuu paljasti chileläisille ja australialaisille tutkijoille, että monet munivat sisiliskolajit polveutuvat lajeista, jotka synnyttivät eläviä poikasia. Evoluutiopuussa munivien sisiliskolajien oksia ympäröivät eläviä poikasia synnyttävät lajit.

Kehityshistoriansa aikana sisiliskot olivat siis välillä muuttuneet munivista eläviä poikasia synnyttäviksi ja taas palanneet munimaan.

Lajien asettaminen evoluutiopuun oksiksi sukulaisuussuhteiden mukaan voi kuulostaa yksinkertaiselta, mutta se on ollut mahdollista vasta vähän aikaa. Sitä varten pitää selvittää kaikki mahdolliset tavat, joilla lajit voivat olla sukua toisilleen.

Neljän lajin sukulaisuussuhteista voidaan saada 15 erilaista evoluutiopuuta, joista pitää valita todennäköisin esimerkiksi geenianalyysin perusteella. Jos lajeja on kymmenen, ne voivat olla sukua toisilleen 34 miljoonalla eri tavalla. Silloin todennäköisimmän evoluutiopuuversion valinta on jo hyvin vaikeaa. Tutkittaessa eteläamerikkalaista sisiliskoa tarkasteltiin 258 eri lajin geenejä.

Niin monen lajin dna:n kartoittaminen olisi vielä muutama vuosi sitten ollut lähes mahdoton urakka. Nykyään dna-analyysimenetelmät ovat entistä edullisempia ja myös tietokoneiden laskentateho on kasvanut. Niinpä tutkijat kävivät algoritmien avulla läpi 500 miljoonaa mahdollista evoluutiopuuta ja löysivät lopulta sisiliskolle todennäköisimmän sukupuun.

Geenianalyysien lisäksi algoritmeille syötettiin tietoja sukupuuttoon kuolleiden sisiliskolajien fossiileista ja eri lajien elinympäristöistä. Tuloksista tutkijat päättelivät, että ensimmäiset sisiliskot, jotka siirtyivät munimisesta elävien poikasten synnyttämiseen, elivät silloin, kun Andien vuoristo syntyi 30 miljoonaa vuotta sitten.

Korkealla vuorten rinteillä oli kylmempää kuin alangoilla. Kylmässä emon ruumiin ulkopuolella kehittyvillä poikasilla oli huonot selviytymismahdollisuudet. Niinpä sisiliskojen joukossa yleistyi geenimuunnos, joka sai poikasen pysymään emon sisällä sikiönkehityksen loppuun asti.

Munankuoren korvasi ohut sikiökalvo, ja poikanen oli elinkelpoinen heti synnyttyään. Kun myöhemmin jotkin sisiliskot muuttivat korkealta Andien rinteiltä vuorten juurelle, missä oli lämpimämpää, ne alkoivat taas lisääntyä munimalla.

Sisiliskot ovat vain yksi esimerkki eläimistä, jotka uhmaavat Dollon lakia. Lainrikkojia on paljastunut sitä mukaa kuin tekniikan kehittyminen on tuottanut uusia tutkimusmenetelmiä. Vuonna 2011 löydettiin maailman yli 6 000 sammakkolajin joukosta yksi, jolla on hampaat alaleuassa. Se on piirre, jonka sammakot menettivät vähintään 225 miljoonaa vuotta sitten.

Ihminenkin näyttää olevan Dollon lain vastainen. Ihmisen kaukaisella sukulaisella kaksi selän lihasta sulautui yhteen 89 miljoonaa vuotta sitten. Pari miljoonaa vuotta sitten evoluutio otti taka-askeleen, ja nyt lihas on ihmisellä taas kahdessa osassa.

Uinuvat geenit voi herättää

Dollon lakia on rikottu niin monta kertaa, että tutkijoiden on ollut pakko tarkistaa käsityksensä evoluution luonteesta. Nykykäsityksen mukaan ominaisuuksien taustalla olevat geenit eivät katoa, vaikka ominaisuus ei enää ilmene lajin yksilöissä, vaan geenit ovat jo tallella perimässä vaikkakin passiivisina. Niin kauan kun geenit ovat ehjiä, ne voivat myös herätä ja ominaisuus voi palata.

Esimerkki tästä on löydetty kanasta. Linnut menettivät hampaansa yli 60 miljoonaa vuotta sitten. Useimmat hampaiden muodostumista ohjaavat geenit ovat kuitenkin yhä kanan perimässä. Muuttamalla niistä yhtä voidaan herättää loputkin ja saada kanalle kasvamaan hampaat.

Selitys sille, että hammasgeenit ovat säilyneet, vaikka hampaat ovat hävinneet, on luultavasti se, että samat geenit liittyvät myös muihin ominaisuuksiin. Useimmat geenit ovat osallisia monessa elimistön piirteessä tai toiminnossa, kuten erityyppisten kudosten kehityksessä. Niinpä lintujen hammasgeenit saattavat liittyä esimerkiksi höyhenten muodostumiseen.

Lisääntymistä on helppo muuttaa

Sisiliskojenkin tapauksessa kyse näyttää olevan pikemminkin geenien aktiivisuuden muutoksesta kuin muutoksesta itse geeneissä. Kansainvälinen tutkijaryhmä tutki äskettäin kahta kiinalaista sisiliskolajia, joista toinen munii ja toinen synnyttää eläviä poikasia. Kun tutkijat analysoivat geenejä, jotka määräävät sisiliskojen lisääntymistavan, he huomasivat yllätyksekseen, että lisääntymistavan vaihto ei ole geneettisesti tarkasteltuna kovinkaan iso harppaus.

Lajit erosivat toisistaan etupäässä geenien aktiivisuudessa. Esimerkiksi munankuoren paksuutta säätelevä geeni oli tallella myös eläviä poikasia synnyttävän lajin perimässä, mutta se oli passiivinen. Kun geenit ovat olemassa, paluu munimiseen ei ole niin iso asia kuin on uskottu.

Tätä käsitystä tukee sekin, että siirtyminen elävien poikasten synnyttämisestä munimiseen on havaittu myös eräillä käärmeillä.

Useimmat boat synnyttävät nykyään eläviä poikasia, mutta Arabian aavikolla ankarissa oloissa elävä Eryx jayakari -laji on palannut munimiseen. Tämä havaittiin, kun yhdysvaltalaisen Yalen yliopiston tutkijat laativat 41 boakäärmelajin evoluutiopuun.

Toisen esimerkin tarjoaa australialainen sisilisko Saiphos equalis. Rannikolla elävät lajin yksilöt munivat, mutta vuorilla elävät yksilöt synnyttävät eläviä poikasia. Jos lajin sisällä voi olla näin suuria eroja, siirtymä ei voi olla geneettisesti kovin mullistava.

Vanhat raajat putkahtavat esiin

Eläimillä – ja ihmisilläkin – on perimässään tallella monen vanhan ominaisuuden tai piirteen ainekset. Viitteitä niistä näkyy sikiönkehityksessä. Esimerkiksi delfiinin sikiöllä on alkuvaiheessa pienet takajalat muistona siitä nelijalkaisesta maaeläimestä, josta se polveutuu. Useimmiten piirteet häviävät ennen syntymää, mutta eivät aina.

Ihmisen sikiölle kasvaa kuuden viikon iässä pieni häntä. Tavallisesti se katoaa sikiönkehityksen edetessä, mutta poikkeuksia tapahtuu. Silloin tällöin syntyy lapsia, joilla on häntä, ja tutkijat kiistelevät yhä siitä, miten ja miksi häntä kehittyy.

Ihmissikiöllä esiintyy toinenkin jäänne kaukaisesta menneisyydestä: kidukset. Ihmisen kaukaisiltakin sukulaislajeilta ne hävisivät yli 350 miljoonaa vuotta sitten. Muinaisten piirteiden pilkahdukset voivat ennakoida yllättäviäkin käänteitä eläinlajien tulevassa kehityksessä.

Hirmuliskojen piirteet palaavat

Viime vuosina tutkijat ovat etsineet vastausta siihen, mikä saa evoluution ottamaan takapakkia. Osa tutkijoista elättelee myös toiveita siitä, että sukupuuttoon kuolleita lajeja, kuten mammutteja tai hirmuliskoja, voitaisiin palauttaa elävien kirjoihin geenitekniikan avulla.

Muutokset voivat kuitenkin olla niin yksinkertaisia, että ne tapahtuvat ilman ihmisen väliintuloakin, kuten munivat sisiliskot ja sammakon alahampaat osoittavat.

Sen jälkeen kun lintujen kehityslinja erkani niiden hirmuliskoesivanhemmista, ne ovat muuttuneet paljon. Ne ovat muun muassa menettäneet hampaansa. Jo kahden geenin herääminen voi kuitenkin tuoda hampaat takaisin. Tällainen geenimuunnos voi tapahtua luonnostaankin, mutta se tekee samalla linnun elinkelvottomaksi ja alkio kuolee ennen kuoriutumistaan.

Tulevaisuudessa voi kuitenkin tapahtua toinen geenimuunnos, jonka tuloksena syntyy elinkelpoisia lintuja, joilla on hampaat. Laboratoriossa on myös tehty geenimuutoksia, joiden seurauksena linnut ovat saaneet hyvin samanlaiset jalkojen ja pään luut kuin liitukauden Velociraptor-petolisko. Linnut voivat siis hyvinkin ottaa uudelleen käyttöön esivanhempiensa ominaisuuksia.

Eteläamerikkalainen hoatsin on ehkä jo ottanut tällaisen askeleen. Useimmilla linnuilla ei ole siivissään kynsiä, tai ne ovat surkastuneet hyvin pieniksi. Hoatsinin poikasilla sen sijaan siipien kynnet muistuttavat sen hirmuliskosukulaisten kynsiä. Tutkijat uskovat, että hoatsin muinoin menetti kyntensä, kun niille ei ollut käyttöä, mutta ne tulivat takaisin, koska niiden avulla poikaset pääsevät kiipeilemään puissa.

VIDEO: Tutkijat haluavat luoda dinosaurukset uudelleen