Evoluutio

Evoluutiossa on peruutusvaihde

Evoluutio voi kulkea myös taaksepäin. Tähän asti on oletettu, että kadonneet piirteet eivät palaa, mutta uusi tutkimus osoittaa, että niin on käynyt sisiliskolle, sammakoille ja ihmisellekin.

Shutterstock

Uusi sisiliskosukupolvi Andien rinteillä näkee päivänvalon, kun kantava naaras levittää takajalkansa ja ponnistaa, kunnes jalkojen välistä putkahtaa ulos ohuen, läpinäkyvän kalvon peittämä poikanen. Noin viisitoista minuuttia myöhemmin emon ympärillä kieppuu kolme vastasyntynyttä poikasta.

Sisiliskojen elämä on alkanut näin siitä lähtien, kun niiden esivanhemmat ottivat 30 miljoonaa vuotta sitten huiman askeleen ja alkoivat synnyttää eläviä poikasia. Sitä ennen poikaset olivat kuoriutuneet munasta. Käänne sisiliskojen evoluutiossa oli niin raju, että tutkijat ovat pitäneet sitä peruuttamattomana.

Viime vuonna chileläiset ja australialaiset tutkijat kuitenkin havaitsivat, että ainakin neljä Liolaemus-suvun sisiliskolajia on ottanut askeleen taaksepäin ja alkanut taas lisääntyä munimalla.

Vuoret käänsivät evoluution suunnan

Ensin Liolaemus-lajin sisiliskot munivat. Sitten ne synnyttivät eläviä poikasia. Nyt ne taas munivat.

50 miljoonaa vuotta sitten: Esivanhemmat munivat

Useimpien sisiliskojen tavoin eteläamerikkalaisen Liolaemuksen esivanhemmat lisääntyivät munimalla. Niiden aikana Andien vuoria ei vielä ollut.

30 miljoonaa vuotta sitten: Vuorten synty lopetti munimisen

Kun Andit syntyivät, Liolaemuksen elinympäristö jäähtyi. Kylmässä on kilpailuetu, että poikaset kehittyvät elinkelpoisiksi emon sisällä.

20 miljoonaa vuotta sitten: Lämpö toi munimisen takaisin

Osa eläviä poikasia synnyttävistä sisiliskoista muutti lämpimälle alangolle. Siellä oli taas tarkoituksenmukaista lisääntyä munimalla.

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. Tähän asti 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.

Useimmat sisilisko- ja käärmelajit lisääntyvät munimalla. Noin 20 prosenttia synnyttää eläviä poikasia.

© shutterstock & Lotte Fredslund

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.

Sisiliskoja tavataan vuorten rinteillä jopa 4 500 metriä merenpinnan yläpuolella.

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.

Sirkka sai siivet takaisin

Kummitussirkat olivat siivettömiä yli 50 miljoonaa vuotta. Sitten ne saivat lentokykynsä takaisin.

Kummitussirkat menettivät siipensä noin 95 miljoonaa vuotta sitten. Tähän tulokseen yhdysvaltalais-saksalainen tutkijaryhmä päätyi tutkittuaan hyönteislahkon evoluutiopuuta. Silti nykyään 40 prosentilla kummitussirkkalajeista on siivet. Lajien keskinäisten sukulaisuussuhteiden analyysi osoitti, että ainakin neljälle toisistaan riippumattomalle ryhmälle lahkon sisällä on kehittynyt siivet uudestaan. Ensimmäinen ryhmä sai lentokyvyn takaisin 40 miljoonaa vuotta sitten. Kummitussirkkojen siivet ovat pääosin samanlaiset kuin muillakin hyönteisillä, ja todennäköisesti niiden siipien kehitystä ohjaavat samat geenit kuin muillakin hyönteisillä. Nämä geenit ovat säilyneet ehjinä, vaikka niillä ei ole ollut käyttöä yli 50 miljoonaan vuoteen. Selitys on luultavasti se, että samat geenit vaikuttavat myös muiden raajojen muodostumiseen.

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.

Geenimuunnos toi hampaat takaisin alaleukaan

330–230 miljoonaa vuotta sitten sammakoilta hävisivät alahampaat. Viisi miljoonaa vuotta sitten yksi laji sai ne takaisin.

1. Välittäjäaine käynnistää hampaiden synnyn

Sammakon sikiönkehityksen aikana sen suussa aktivoituu geenejä, joiden tuottamat välittäjäaineet (siniset pisteet) käynnistävät hampaan alun eli niin sanotun hammasnystyn (vaaleanpunainen Y) muodostumisen. Suurimmalla osalla sammakkolajeista nämä geenit eivät aktivoidu alaleuassa.

2. Geenit aktivoituvat ylä- ja alaleuassa

Yhdellä sammakkolajilla, eteläamerikkalaisella Gastrotheca guentherilla, hammasgeenit aktivoituvat sekä ylä- että alaleuassa ja välittäjäaineet käynnistävät hampaiden muodostumisen ylä- ja alaleukaan.

3. Sammakko saa uusvanhat hampaat

Gastrotheca guentheri -lajin sammakot saavat täysin kehittyneet hammasrivit sekä ylä- että alaleukaan. Hampaat kehittyvät todennäköisesti samalla tavalla kuin sammakoiden muinaisilla esivanhemmilla ainakin 230 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.

Selkälihas yhdistyi ja jakautui taas

Ihmisenkin selässä olevat suunnikaslihakset olivat 85 miljoonaa vuotta yhteen sulautuneina.

95 miljoonaa vuotta sitten: Lihas oli kahdessa osassa

Liitukaudella eläneellä ihmisen ja jyrsijöiden yhteisellä kantamuodolla oli selkärangan ja lapaluun välissä sekä iso että pieni suunnikaslihas. Jyrsijöillä on siitä lähtien koko ajan ollut kaksi suunnikaslihasta.

89 miljoonaa vuotta sitten: Osat sulautuivat yhteen

Ihmisen ja apinoiden esivanhemmilla iso ja pieni suunnikaslihas kasvoivat yhteen 89 miljoonaa vuotta sitten. Useimmilla apinoilla, kuten ihmisen lähimmällä sukulaisella simpanssilla, on vain yksi suunnikaslihas.

2,4 miljoonaa vuotta sitten: Lihas jakautui taas kahtia

Noin 2,4 miljoonaa vuotta sitten eläneillä ihmisen esivanhemmilla suunnikaslihas jakautui uudestaan kahteen osaan. Syytä muutokselle ei ole keksitty. Samanlainen kehitys on tapahtunut paviaaneilla ja silkkiapinoilla.

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.

Evoluutio

Jotkin sisiliskolajit munivat, toiset synnyttävät eläviä poikasia, vaikka lajit geneettisesti muistuttavat toisiaan hyvin paljon.

© Antoshin Konstantin

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.

Mutaatio palauttaa kadonneita ruumiinosia

Ihminen voi saada hännän, kanan suuhun voi kasvaa hampaat, ja delfiinillä voi olla takajalat. Jopa miljoonia vuosia piilossa ollut ruumiinosa tai piirre voi geenimutaation kautta ilmaantua yllättäen jollekin yksilölle. Ilmiö on nimeltään atavismi. Se osoittaa, että vaikka tietyt piirteet eivät tavallisesti ilmene lajin yksilöissä, niiden geenit ovat yhä tallessa lajin perimässä.

  • Ihmiselle voi kasvaa häntä

    Ihmisen sikiön kehityksen neljännellä viikolla sille muodostuu häntä, joka normaalisti katoaa kuudennen ja kahdeksannen viikon välillä. Aina näin ei käy. Viime vuosisadoilta tiedetään ainakin 40 ihmistä, joilla on syntyessään ollut häntä. Yleensä häntä leikataan pois, mutta yksi intialaispoika piti häntänsä 18-vuotiaaksi asti. Se kasvoi 18-senttiseksi.

  • Kananpoika sai krokotiilin hampaat

    Kanalla esiintyy geenissä talpid2- muunnos, jonka seurauksena kananpoika kuolee ennen kuoriutumistaan. Sama geenimuunnos saa kanansikiön kasvattamaan leukoihinsa hampaanalut. Keilamaiset hampaat ovat hyvin samankaltaiset kuin lintujen lähimmällä nykysukulaisella krokotiililla.

  • Delfiinillä oli ylimääräiset evät

    Yleensä delfiineillä on selkäevän lisäksi vain yksi eväpari, joka on kehittynyt niiden neliraajaisen esivanhemman etujaloista. Delfiinin perimässä on silti yhä myös takaraajojen kehitystä ohjaava geeni. Vuonna 2006 Japanin rannikolla havaittiin delfiini, jolla oli eväpari myös takaruumiissa. Jokin oli saanut takaraajojen geenin heräämään tämän yksilön perimässä.

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.

Evoluutio

Eteläamerikkalainen Gastrotheca guentheri -sammakko on ainoa sammakkolaji, jolla on hampaat alaleuassa.

© Courtesy of Dr. Mark Wilkinson. © Trustees of the Natural History Museum, London.

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

Lue myös:

Menneisyys

Kheopsin pyramidi ei enää ole arvoitus

2 minuuttia
Evoluutio

Kalojen neitseellinen syntymä hämmästytti

2 minuuttia
Evoluutio

Elämä syntyi lätäkössä

10 minuuttia

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!