Darwin riemastuisi geeneistä

Vastaa vihkoosi seuraaviin kysymyksiin. Laita otsikko ja kirjoita vastaukset sellaisessa muodossa, että niistä käy ilmi, mikä kysymys oli.

1. Mistä Darwin ilahtuisi eniten?
2. Mikä oli Darwinille iso mysteeri?
3. Mikä Darwinin teoriassa ei ole paljonkaan muuttunut?
4. Miksi fossiileista tiedetään nykyään enemmän?
5. Mistä nykytiedosta Darwin olisi ehkä surullinen?

Darwin riemastuisi geeneistä.

Juuri alkaneen juhlavuoden teema on painavimpia, mitä luonnon tutkimuksessa voi kuvitella. Evoluutioteorian isän Charles Darwinin syntymästä on 200 vuotta ja Lajien synty -kirjan ilmestymisestä 150 vuotta.
Biologit tekivät ajatusleikin: he kutsuivat juhlakalun menoon mukaan. Mitä jos kahvipöydän toisella puolella todella näkyisi tuo tuttu tuuhea parta ja kunnianarvoisat kulmakarvat? Jos Darwin saisi kurkistaa nykyaikaan, mikä hänelle olisi uutta?

Varmaankin hän hämmästyisi sitä, että tiedämme geenien tasolla, miten yksilön kehityksen säätely tapahtuu, sanoo kehitysbiologian professori Irma Thesleff Helsingin yliopistosta. Geenejä muuttelemalla tutkijat voivat jo jäljitellä evoluutiota laboratoriossa.

– Molekyylibiologian menetelmillä on saatu myös lajien kehityshistoriasta yksityiskohtaista tietoa, josta Darwin tuskin osasi edes uneksia, sanoo kasvitieteen professori Juha Tuomi Oulun yliopistosta.

– Ehkä hän hämmästyisi sitäkin, kuinka paljon evoluutiota tutkitaan, toteaa evoluutio- ja kehitysbiologian professori Jukka Jernvall Helsingin yliopistosta. – Häneltähän loppuisi aika kesken, eikä hän ehtisi kirjoittaa uutta synteesiä.

Eniten Darwinia varmasti riemastuttaisi se, että ihmiskunta on tällä välin keksinyt geenien olemassaolon.

Päänsärky helpottaisi

– Hirveä päänsärky Darwinille oli, että periytymisen mekanismeja ei ymmärretty, kertoo eläinekologian professori Hanna Kokko Helsingin yliopistosta.

– Vanhempien ominaisuuksien ajateltiin liukenevan jälkeläisessä toisiinsa samoin kuin maali sekoittuu maalipöntössä. Silloinhan vanhempien erityispiirteistä ei muutaman sukupolven jälkeen pitäisi kaiken järjen mukaan olla enää mitään jäljellä.

Darwinille jäi mysteeriksi, millä mekanismilla ominaisuudet siirtyivät jälkeläisiin ja jopa voimistuivat myöhemmissä polvissa. Kuusi vuotta Lajien synnyn ilmestymisen jälkeen itävaltalainen munkki Gregor Mendel julkisti herneillä tekemänsä risteytyskokeet, jotka osoittivat periytymisen tapahtuvan selkeiden lainalaisuuksien mukaan, mutta hänkään ei tiennyt miksi.

Asia alkoi valjeta vasta 1953, kun dna:n rakenne selvisi ja tutkijat pääsivät tonkimaan, mitä geenit ovat ja miten ne toimivat. Siihen asti geenit olivat vain abstrakteja ympyröitä periytymismalleissa.

Näkisi mutaatiot omin silmin

1980-luvulla ”luonnon viivakoodin” lukeminen eli dna-tekniikat olivat sen verran kehittyneitä, että kävi mahdolliseksi tutkia luonnonvaraistenkin lajien geenien muuttumista sukupolvesta toiseen. Evoluution salat aukenivat tutkijoiden silmien eteen.

– Nykyään evoluutiota pystytään seuraamaan geenien tasolla ja nähdään, missä mutaatioita tapahtuu, kertoo ekologian ja ympäristönsuojelun dosentti Timo Vuorisalo Turun yliopistosta. Geenit muuttuvat joskus hyvinkin nopeasti.

Hyvä esimerkki on kasvien metallinsieto. 1800- ja 1900-lukujen vaihteessa huomattiin, että jos maaperä myrkyttyy metalleista ihmisen toiminnan takia, jotkin kasvit pysyvät silti hengissä. Puna-ailakilla tehdyt kokeet vahvistivat 1930-luvulla, että metallinsieto periytyy eteenpäin seuraaville kasvisukupolville.

Nyt tiedetään, mihin geeneihin kasville metallinsiedon antava mutaatio on ilmestynyt. Ellei Darwin mykistyisi nykytutkimuksen tarkkuudesta, niin viimeistään uudet sovellukset löisivät hänet ällikällä: metallia sietävillä kasveilla puhdistetaan saastunutta maaperää, ja puutarhaliikkeistä voi ostaa tämän evoluutioaskeleen ottaneita koristekasveja.

Työkalupakki yllättäisi

1990-luku näki huimia edistysaskelia kehitysbiologiassa.

– Kehitysbiologia tutkii, miten geenit ja molekyylit säätelevät sikiöaikana yksilön kudosten ja elinten kehitystä. Se selvittää muun muassa, mitkä geenit ohjaavat elinten paikkaa, kokoa, lukumäärää ja muotoa sekä miten ne sen tekevät, Irma Thesleff selittää.

– Yksilönkehitystä säätelevät geenit ovat työkalupakki, jonka perussisältö on säilynyt samana monisoluisten eläinten alkuajoista saakka eli yli 500 miljoonaa vuotta, Thesleff kertoo. Esimerkiksi kaikkien eläinten suomuilla, kynsillä, karvoilla, hampailla ja monilla rauhasilla on yhteinen alkuperä esihistorian aamuhämärissä. Siksi niiden kehittymistä sikiössä säätelevät pääosin samat geenit, oli sikiö sitten kalan tai ihmisen.

Viime vuosina on valjennut, että myös geenien säätely on evoluutiossa olennaista. Geenit sisältävät sekä koodaavia alueita että niiden ulkopuolella olevia säätelyjaksoja. Koodaavat alueet määräävät, millaista proteiinia kyseisen geenin ohjauksessa syntyy. Säätelyjaksoista taas riippuu, missä elimistön kudoksissa geeni vaikuttaa ja kuinka aktiivisesti. Monissa evoluution ilmiöissä on kyse juuri säätelyjaksojen toiminnan muuttumisesta.

Kulmakivi on pystyssä

Yksi Darwinin tärkeimmistä päätelmistä, luonnonvalinta, on pitänyt pintansa hyvin.

– Luonnonvalinnasta kiisteltiin kauan. Sitten populaatiogenetiikan perustajat osoittivat, että luonnonvalinta vaikuttaa evoluutioon jopa enemmän kuin uskottiin, Juha Tuomi kertoo. Tarkentunut tieto loi 1930–1960-luvuilla pohjan biologien nykyiselle evoluutioteorialle.

Perusidea on yhä sama kuin Darwinilla, eli kuten Tuomi tiivistää: – Luonnonvalinta suosii yksilölle edullisia ominaisuuksia ja karsii epäedullisia. Ominaisuuksien tuoma etu mitataan yksilöiden henkiinjäämisellä ja niiden tuottamien jälkeläisten määrällä. Se, minkälaisia yksilöitä valinta suosii, riippuu elinympäristöstä.

Luonnonvalinnan vuoksi jotkin ominaisuudet yleistyvät sukupolvien mittaan. Vähittäinen muutos oli Darwinin evoluutioteorian kulmakiviä, ja nykytiede on löytänyt siitä roppakaupalla lisää näyttöä.

Mikrobiologiakin vahvistaa

Yksi osoitus siitä, miten pieni etu voi johtaa suuriin muutoksiin silloinkin, kun aikalaisten silmin ei näytä tapahtuvan mitään, on laktoosin eli maitosokerin imeytyminen suolistossa.

Jos voisimme saada haudan levosta luoksemme paljon Darwinia kaukaisemman vieraan, kymmeniä tuhansia vuosia sitten eläneen nykyihmistyypin, cromagnoninihmisen, häntä tuskin kannattaisi pyytää kahvipöytään – ainakaan juomaan lattea. Vaikka valtaosa periytyvistä ominaisuuksistamme on yhä täsmälleen samoja kuin varhaisella sukulaisellamme, laktoosin sieto kehittyi aikuisikäisille vasta noin 7 000 vuotta sitten karjatalouden keksimisen jälkeen.

Hanna Kokko selittää, että kyky juoda maitoa antoi joillekin naisille mahdollisuuden paksumpaan rasvavarastoon niukkoinakin aikoina, ja tämä taas vaikutti lopulliseen lapsilukuun.

– Jos joukko laktoosia sietäviä naisia sai yhteensä 105 lasta ja samansuuruinen laktoosi-intoleranttien äitien joukko sai 100, näinkin vähäinen lapsiluvun ero riitti levittämään laktoosinsiedon suurimpaan osaan ihmispopulaatiota kolmessasadassa sukupolvessa eli noin 6 000 vuodessa.

Fossilitutkimus ihastuttaisi

Fossiilit olivat Darwinin päivinä yksi evoluution todistuskappaleista, joskin niitä tuolloin oli löydetty vielä niukasti. Darwinia varmasti ilahduttaisivat myöhemmät runsaat löydöt ja varsinkin se, miten paljon enemmän tietoa nykytiede saa fossiileista irti.

 – Menetelmät fossiilien ajoittamiseksi ovat tarkentuneet, Jukka Jernvall kertoo. – Nykyään on myös uusia tapoja kuvata, mitata ja analysoida fossiileja, jolloin saadaan tietoa sukulaisuussuhteista ja sukupuuttoon kuolleiden lajien ekologiasta.

Fossiilit antavat yhä arvokasta tietoa lajien kehityksen yksityiskohdista, mutta geenien aikakaudella niitä ei enää tarvita todisteeksi siitä, että evoluutiota tapahtuu.

Evoluution nopeus, olivat kyseessä sitten virukset tai valaat, on yksi niistä asioista, joita pystytään mittaamaan ja laskemaan paljon tarkemmin kuin Darwinin aikoina. Geneetikkojen arkea ovat yhtälöt, joihin sijoitetaan muuttujiksi ympäristön valintapaineet, uusien mutaatioiden ilmenemistiheys, lajin elämänkierron pituus sekä se, kuinka suuri osa lajin sisäisestä muuntelusta on periytyvää.

Darwin uskoi evoluution etenevän tasaiseen tahtiin, mutta haastajaksi on sittemmin noussut hyppäyksellisen kehityksen malli. Sen mukaan ainakin osa lajeista kokee aluksi nopeaa evoluutiota ja pysyy sitten melko muuttumattomana, kunnes kuolee sukupuuttoon.

Sattuma sanelee enemmän

Sattuma sanelee elämässä paljon, eikä evoluutio ole poikkeus. Jo Darwin ymmärsi sattuman vaikutuksen evoluutioon, mutta hän tuskin arvasi sitä niin suureksi kuin nykytieto osoittaa.

– Mutaatiot tapahtuvat satunnaisesti riippumatta siitä, ovatko ne yksilölle edullisia vai epäedullisia, Juha Tuomi selittää. – Edullisistakin mutaatioista osa häviää sattumalta.

– Sattuma liittyy myös lajien leviämiseen. Ensimmäisten uuteen paikkaan osuneiden yksilöiden perimä vaikuttaa siihen, millaiseksi populaatio muodostuu. Jos taas yksilömäärä romahtaa jonkin katastrofin vuoksi, sattumalta elossa säilyneiden yksilöiden perimä muodostaa perustan tuleville sukupolville. Pienissä populaatioissa sattuman vaikutus on suurin, Tuomi kertoo.

Jos saman lajin yksilöt päätyvät eri seuduille, ne voivat etääntyä ominaisuuksiltaan ja jakautua eri lajeiksi. Darwin tiesi tämän, mutta uutta hänelle olisi, että lajiutumista tapahtuu lähinaapureidenkin kesken. Lajien synnyn yksityiskohdissa on biologeilla yhä paljon tutkittavaa.

Eräs aktiivinen tutkimuskenttä on, millä tasoilla luonnonvalinta toimii. Seulooko se geenien, yksilöiden vai suurempien kokonaisuuksien ominaisuuksia? Brittiläinen evoluutiobiologi Richard Dawkins toi 1970-luvulla maailman tietoisuuteen ajatuksen geenin itsekkyydestä: me kaikki olemme kopioitumistaan edistävien geenien ohjaamia eloonjäämiskoneita.

– Tällä hetkellä muodissa on monitasoajattelu. Valinta tapahtuu eri tasoilla tilanteen mukaan, Timo Vuorisalo kertoo.

Väittely kohottaisi kulmakarvat

Kaikkein suurin yllätys Darwinille luultavasti olisi, että samalla kun tutkijat katselevat mikroskoopeillaan evoluutiota ja porautuvat uusilla menetelmillään sen mekanismeihin, osa kadunmiehistä ryhtyisi hänen kanssaan samanlaisiin väittelyihin kuin 1800-luvulla.

– Uskomus, että evoluutiota ei ole, on yhä yleinen, Timo Vuorisalo kummastelee. – Erityisen huolissani olen siitä, että Suomen kouluissa on biologian opettajia, jotka pitävät evoluutiota harhakäsityksenä. On mielenkiintoista lukea Opettaja-lehdestä kirjoituksia, jotka puoltavat kreationismin opettamista lukioissa.

Nekin, jotka hyväksyvät evoluution tosiasiaksi, saattavat ajatella sen tapahtuneen jo, joskus dinosaurusten aikaan, ja pitävät maailmaamme valmiina. – Kuitenkin evoluutiota tapahtuu joka päivä vaikkapa kotien pölypunkkipopulaatioissa. Evoluutio on arkinen asia, Vuorisalo toteaa.

Evoluution olemus kirkastunut

Evoluution nielemistä helpotti aikanaan se, että ihmisellä ajateltiin kuitenkin olevan jonkinlainen erityisasema. Meidän uskottiin olevan evoluution huipentuma ja tavoite, tikkaiden yläpää. Mitä pitemmälle tiede on kehittynyt, sitä ilmeisemmäksi on käynyt, että tämä on harha.

Evoluutio vain tapahtuu – ilman, että se tähtäisi esimerkiksi älykkäämmän ihmisen kehittämiseen. Lajit muuntuvat senhetkisistä lähtökohdistaan, ja muuntumista ohjaavat ne valintapaineet, jotka kussakin ympäristössä sattuvat olemaan.

Useimpien eläinlajien ympäristössä liika äly voi olla haitaksi. – Aivot kuluttavat paljon energiaa. Useimmat eläimet pärjäävät paremmin olemalla vähän sinnikkäämpiä ja laiskempia, Hanna Kokko toteaa.

– Esimerkiksi vaippaeläinten evoluutio on johtanut siihen, että nuoruusvaiheessaan niillä on vielä jäänteenä esi-isiltään hyvä ja rikkaasti toimiva keskushermosto. Aikuistuessaan vaippaeläin menee seisomaan päälleen merenpohjaan ja liuottaa aivonsa pois.

Kollegat pohtivat yhä

Takana ovat siis ajat, jolloin jotain lajia voisi jollain yleispätevällä perusteella sanoa toista kehittyneemmäksi. Mitä kehittyneisyys olisi?

Ovatko bakteerit ja virukset ylivoimaisen kehittynyt elämänmuoto, koska niiden rakenteen perusratkaisut ovat toimineet vuosimiljardeja ja koska ne pärjäävät hyvin huolimatta meidän hävitysyrityksistämme?

Ovatko linnut kehittyneempiä kuin nisäkkäät, koska ne ovat askeleen lähempänä kuolemattomuutta? Evoluutiomuutoksen ansiosta antioksidantit vähentävät linnuissa ikääntymisen haittoja tehokkaammin kuin meissä. Linnut elävät yleensä huomattavasti vanhemmiksi kuin samankokoiset nisäkkäät.

Jukka Jernvall muistuttaa, että lajimme ”ihmistyminen” nykyisenlaiseksi on ollut monen osan summa. Eri ominaisuutemme ovat kehittyneet eri aikoina ja erilaisten valintapaineiden takia.

– Evoluutioteoria on peili, jonka edessä meidän pakko arvioida omaa historiaamme, nykyisyyttämme ja tulevaisuuttamme, Juha Tuomi sanoo. – Jos ihminen on evoluution tuote, luomisopit pitää tulkita vertauksenomaisiksi kertomuksiksi. Ovatko uskonnot itse asiassa ihmisen evoluution sivutuotetta?

Mutta nykytiedonkaan valossa emme ole geeniemme orjia. – Jos perinnöllisyyden havaitaan vaikuttavan johonkin ominaisuuteen, se ei tarkoita, ettei asialle voisi tehdä mitään, Hanna Kokko painottaa. Vaikka geenit vaikuttaisivat aggressiivisuuteen, on silti hyödyllistä kasvattaa lapsia ristiriitojen sovitteluun.

Kahvipöydän toisella puolella Darwin nousee, kiittää kuulumisista ja poistuu takaisin ikiaikojen rauhaan levollisen oloisena. Sillä kuten Irma Thesleff toteaa: – Darwin luultavasti hämmästyisi myös sitä, että hän oli niinkin oikeassa.