Molekyylievoluutio



Nykyinen evoluutiotutkimus on paljolti keskittynyt geenien ja erilaisten proteiinien kemialliseen analysointiin eli evoluution molekyylitason mekanismeihin. Se ei ole ihmeteltävää, koska juuri tällä tasolla on mahdollista tutkia ja testata teorioita käytännössä. Tällä alueella onkin saavutettu huomattavia tuloksia evoluution mekanismien ymmärtämisessä. Tämä tutkimusalue on hyvin laaja ja sen suppeakin selvittäminen ja ymmärtäminen edellyttää vähintäänkin kohtalaista kemian tuntemusta. Käsittelen siksi tässä vain joitakin tähän aiheeseen liittyviä seikkoja.

Kun Stanley Miller 50 vuotta sitten sai koeputkessa syntymään joitakin aminohappoja, siitä uutisoitiin tyyliin: "Elämää synnytetty koeputkessa!" Uutinen oli suuresti liioiteltu, sillä vaikka näitä kokeita on tehty näihin päiviin asti, elämää ei ole vieläkään onnistuttu luomaan laboratorioissa. Saadaan kyllä aikaan elämän rakenneaineita, aminohappoja ja niistä koostuvia proteiineja - mikä ei ole ihmeellistä, koska ne ovat luonnollisia kemiallisia yhdisteitä - mutta itse elämä on arvoitus. Mistä on peräisin DNA- molekyyleihin liittyvä geneettinen informaatio ja toisaalta organismien kyky ymmärtää tuota informaatiota? Geenien ja elimistön vuorovaikutuksen tutkiminen ja ymmärtäminen ei ole ratkaissut tuota ongelmaa.

Geenit ja mutaatio.

Geeniksi sanotaan sellaista DNA:n osaa, joka suorittaa jonkun tehtävän. Geenit ohjaavat eli koodaavat proteiinien (valkuaisaineiden) muodostumista ja sisältävät mm. kaiken informaation, mitä tarvitaan solun aineenvaihduntakoneiston monien entsyymien rakentamiseksi. Nämä entsyymit sitten huolehtivat mitä moninaisimmista tehtävistä, kuten sokerin kaltaisten, energiaa sisältävien yhdisteiden hajoamisesta, signaalinkuljetuksesta hermosoluissa, sikiön kehityksen ohjaamisesta tai kasvien fotosynteesikoneiston toiminnasta. Mutaatioita tapahtuu kaikissa soluissa, mutta evoluution kannalta merkitystä on vain niillä mutaatioilla. jotka tapahtuvat sukusolujen DNA:ssa. Mutaatioita on eri tyyppisiä. Tavallinen on ns. pistemutaatio, joka muuttaa vain DNA:n yhtä kohtaa eli 'rakennuspalikkaa'. Tällöin sen vaikutus ilmenee siinä proteiinissa, jota kyseinen geeni koodaa ja johtaa erilaisiin muutoksiin tai toimintahäiriöihin riippuen kyseisen proteiinin tehtävästä ja merkityksestä. Toinen mutaatiotyyppi on kromosomimutaatio, jossa kokonainen pätkä DNA- molekyyliä siirtyy, puuttuu tai kahdentuu. Jopa kokonainen kromosomi voi kahdentua, mikä ihmisellä johtaa Downin syndroomana tunnettuun sairauteen. Mutaatiot voivat levitä populaatiossa suvullisen lisääntymisen kautta tapahtuvassa rekombinaatiossa.

Jokaisessa solussa on lukuisia korjaus- ja säätelymekanismeja, jotka pyrkivät pitämään mutaatioiden määrän mahdollimman pienenä. Proteiinisynteeseissä tapahtuu jatkuvasti virheitä eri syistä (esim. elimistöön joutuneet haitalliset aineet), joten tarvitaan järjestelmä havaitsemaan ja korjaamaan ne. Systeemi 'lukee' eli tarkistaa syntyneet nukleotidit ja korjaa havaitut virheet. Geenin kopioituessa nukleotideja (geenin rakenneosia) syntyy tiuhaan tahtiin, joten tarkistusjärjestelmän on toimittava nopeasti mutta myös tarkasti. Sitä on verrattu siihen, että joku kopioisi koko Raamatun 10 minuutin välein, ja ensimmäinen kirjoitusvirhe olisi odotettavissa vasta 200 kopion jälkeen.

Mutaatioiden vaikutukset

Mutaatiot vaikuttavat eliöiden ulkoasuun, mutta etukäteen on vaikea tietää, miten ne missäkin tapauksessa ilmenevät. Mutaatioilla voi helposti tuhota monimutkaisen rakenteen, mutta jopa molekyylibiologien on suhteellisen vaikeaa rakentaa toimivaa proteiinirakennetta, josta olisi todellista hyötyä (vaikka sallitaan rajaton määrä mutaatioita). Mutaatiot jaetaan yleensä positiivisiin, neutraaleihin, vahingollisiin ja kuolettaviin. Positiiviset mutaatiot, jotka parantavat organismin sopeutumista tietyissä olosuhteissa, ovat melko harvinaisia. Esimerkkejä niistä ovat antibiootteja tai kasvinsuojeluaineita vastaan kehittynyt vastustuskyky.

Kimuran määrittelyn mukaan neutraaleja ovat kaikki ne mutaatiot, joiden vaikutus on niin heikko, että valinta ei kykene niitä luotettavasti arvioimaan. Ne voivat olla heikosti positiivisia, täysin neutraaleja tai heikosti negatiivisia. Viimeksi mainitut voivat pitkällä tähtäimellä synnyttää ongelmia, koska ne voivat levitä sattumanvaraisesti populaatioon ilman, että valinta poistaa niitä. Jos näin tapahtuu usein, se voi johtaa populaation sukupuuttoon kuolemiseen. Neutraaleja mutaatioita esiintyy todennäköisesti useammin kuin valinnan havaitsemia negatiivisia mutaatioita. Nämä eivät kuitenkaan johda eliön välittömään kuolemaan, vaan ainoastaan heikentävät sen selviytymisen mahdollisuuksia tietyssä ympäristössä. Kuolemaan johtavat ja steriiliyttä aiheuttavat mutaatiot eivät luonnollisesti voi siirtyä seuraavaan sukupolveen.

Jos oletetussa evoluutiossa syntyy letaaleja välivaiheita, ne voivat jäädä henkiin ainoastaan siinä tapauksessa, että tarvittavat sekvenssit pystytään synnyttämään pseudogeeneissä. Kaikki toistaiseksi kokeellisesti osoitetut mutaatiotulokset tapahtuvat aina perusryhmän sisällä eli siis mikroevoluution alueella. Tämän voi ymmmärtää helposti, kun kuvittelee kuinka valtava määrä yksityiskohtia erottaa kaksi perusryhmää toisistaan. Jos haluaisimme muuttaa yhden ryhmän toiseksi, tarvittaisiin melkoinen määrä suunnattuja, älykkäitä toimenpiteitä.

Populaatiogenetiikka

Populaatiogenetiikka tutkii sitä, mitkä geenit säilyvät populaatiossa ja missä olosuhteissa. Kun sen tuloksia tarkastellaan yhdessä molekyylibiologian havaintojen kanssa, saadaan hyvä kokonaiskuva mikroevoluution mekanismeista. Populaatiogenetiikan menetelmiin kuuluvat mm. matemaattiset laskelmat, joilla pyritään selvittämään eri tekijöiden vaikutusta populaatiossa. Laskelmissa huomioidaan mm. yksilöiden lukumäärä, tehollinen eli lisääntymiseen osallistuva yksilömäärä, suhteellinen valintakerroin (tietyn alleelin kantajan merkitys muihin yksilöihin), mutaationopeus, aika (sukupolvina) ja todennäköisyys tietyn alleelin leviämiselle populaatiossa.

Uuden mutaation synnyttyä sen täytyy säilyä eli levitä riittävän laajalle populaatioon, ettei sattumanvarainen ajautumisprosessi syrjäytä sitä. Jos syntynyt rakenne omaa valintaedun, sen säilymisen voi ennustaa valintateorian perusteella. Ellei valintaetua ole, ovat molekyylievoluution neutraalin teorian lait voimassa (ellei geeni ole sattumalta sidoksissa toiseen, jolla on valintaetu). Kummatkin teoriat ovat jo hyvin pitkälle viimeisteltyjä (myös matemaattisesti) ja soveltuvat kuvaamaan mikroevolutiivista todellisuutta.

Valintateoria

Luonnonvalinnan teoria esittää, että evoluutio tapahtuu ennen kaikkea siksi, että vähemmän sopeutuneet yksilöt kuolevat sukupuuttoon. Kun tietty alleeli lisää tai vähentää yksilön jälkeläisten lukumäärää, muuttaa valinta vastaavasti sen yleisyyttä suhteellisen nopeasti. Siihen tarvitaan kuitenkin aikaa. Populaatiogeneettiset laskelmat osoittavat, että tarvitaan noin 1000 sukupolvea ennen kuin uuden dominoivan alleelin osuus on kasvanut 1 %:sta 80%:iin. Jos kyseessä olisi ihminen, jonka lisääntymisaika on 20 vuotta, tarvittaisiin 20 000 vuotta. Tämä aika saattaisi kuitenkin kulua moninkertaisesti, ennenkuin viimeisetkin jäänteet resessiivisestä geenistä ovat hävinneet, koska resessiiviset (peittyvät) geenit pystyvät hyvin piiloutumaan heterotsygoottiseen (erilaisia alleeleja kantavaan) yksilöön.

Nopeasti muuttuvissa ympäristöolosuhteissa tilanne on hieman toinen. Esimerkiksi tavanomainen ravinto voi loppua ja/tai sen tilalle ilmestyä uusi. Jos esim. 20% vanhaa ravintoa käyttävistä eläimistä jää henkiin, silloin ne lajitoverit, jotka kykenevät elämään uudella ravinnolla, muodostavat jo 10 sukupolven jälkeen 80% populaatiosta. Jos populaatio koostuu vain muutamista yksilöistä, voi tapahtua, että tämä muutos valtaa populaation sattumalta nopeasti ja esiintyy siten kaikissa populaation yksilöissä. Tällaisia ja vielä dramaattisempiakin valintatapahtumia esiintyy säännöllisesti jalostustyössä ja tietokoneella tehdyissä evoluutiosimulaatioissa. Luonnossa tällaista havaitaan silloin, kun organismit levittäytyvät uusille asuinalueille tai kun kuivien aikojen seurauksena eläinten ravintotilanne muuttuu perusteellisesti.

Neutraali evoluutio

Mutaatioiden kautta syntyy suuri määrä alleeleja, mutta lähes yhtä suuri määrä poistuu populaation geenivarastosta sattumanvaraisesti. Tämä geneettinen ajautuminen ei siis johdu valintatekijöistä. Tämä havainto oli eräs syy molekyylievoluution neutraalin teorian syntyyn. Tämän teorian mukaan molekyylitason evoluutiomuutokset tapahtuvat pääsääntöisesti valinnan kannalta neutraalien tai lähes neutraalien mutaatioiden kautta. Se olettaa, että nämä mutaatiot olivat oleellisen tärkeitä myös eliöiden historiallisessa kehitysprosessissa. Positiivista darwinistista valintaa ei siis neutraaliteoriassa pidetä (makro)evolutiivisen muutoksen oleellisena syynä, koska alleelit levittäytyvät populaatioon ajautumisen kautta ilman, että ne antaisivat kantajilleen valintaetua. Synteettisen valintateorian mukaan muuttuneen alleelin tulee antaa jokin valintaetu omistajalleen, että se voisi levitä populaatioon. Alleelin leviämisestä (geenivaraston tietyn alleelin täydellinen korvautuminen toisella = geenisubstituutio) vastaa neutraalin teorian mukaan normaalisti geenien ajatuminen. Neutraalin teorian edustajat eivät kiistä kokonaan luonnonvalinnan merkitystä evoluutiossa, mutta näkevät sen tehtäväksi pääsääntöisesti haitallisten mutaatioiden poistamisen. Positiivisia mutaatioita pidetään hyvin harvinaisina.

Geenien ajautumisen aiheuttama mutaation leviäminen populaatiossa. Yksittäiset käyrät esittävät mahdollisia uusia mutaatioita omaavien geenien alleelimäärien muutoksia. Siniset käyrät havainnollistavat suurta enemmistöä neutraaleja alleelimuutoksia, jotka syntyvät ja katoavat leviämättä populaatioon. Punaisia käyriä edustavat alleelit leviävät population jokaiseen yksilöön. Suuressa populaatiossa syntyy tietty mutaatio suhteellisen usein (useita nuolia), mutta se voi myös hävitä yhtä usein ja tarvitsee levitäkseen runsaasti aikaa. Jos esim. 100 000 yksilön populaatiosta pitkällä aikavälillä 10% osallistuu lisääntymiseen, tietyn neutraalin mutaation leviämiseen kuluisi tilastollisesti keskimäärin 40 000 sukupolvea.

Pienissä populaatioissa ei kestä yhtä kauan ennen kuin geeni on levinnyt populaatioon (nopeasti toimiva geenien ajautuminen). Koska kuitenkin tietty (toivottu) neutraali mutaatio esiintyy pienissä populaatioissa vastaavasti harvemmin (vähän nuolia), ei neutraali evoluutionopeus ole tämän tietyn alleelin kohdalla yhtään nopeampi kuin suuressa populaatiossa. Vihreät linjat osoittavat mitkä ajat ovat vertailukelpoisia keskenään.

Edellisestä käy ilmi neutraalin teorian ongelma: rakenteen syntymisen todennäköisyys on sitä suurempi mitä suurempi tarkasteltava populaatio on, mutta toisaalta kuitenkin evoluution etenemisen kannalta tärkeä mutaation leviäminen populaatioon on suurissa populaatioissa hyvin epätodennäköistä.

 
 

Neutraalin teorian korostama geenien ajautuminen ei tee epätodennäköisiä mutaatioita todennäköisemmiksi. Järkevien monimutkaisten rakenteiden synty neutraalin evoluutioteorian mukaisesti yksinkertaisten mutaatioden kautta tuntuu epäuskottavalta, koska toiset neutraalit mutaatiot voivat ne myös helposti tuhota. Sinä aikana, jona populaatio odottelee epätodennäköistä uutta mutaatiota, monet muut mutaatiot (joista monilla on negatiivisia vaikutuksia) leviävät populaatioon geneettisen ajautumisen seurauksena. Siksi geneettinen informaatio voi pitkinä ajanjaksoina rappeutua. Lukuisten nykyisin havaittavien monimutkaisten rakenteiden "hiljalleen syntymiseen" maan historian aikana neutraali teoria ei anna vakuuttavia perusteluja .

Populaatioiden historiassa silloin tällöin tapahtuvat katastrofit tuhoavat suuren osan populaatiosta ja siten pienentävät sen kokoa dramaattisesti. Näin syntyy uusi, vain muutamista henkiin jääneistä yksilöistä koostuva populaatio. Silloin enemmistö muuttuu aina erittäin nopeasti, mikä on sama kuin erittäin nopea neutraali evoluutio. Tätä tapahtumaa kutsutaan pullonkaulatapahtuman jälkeen syntyneeksi perustajanvaikutukseksi. Tällöin geneettinen ajautuminen voi tapahtua nopeasti, mutta se johtaa vain jo kutistuneessa populaatiossa olleiden sattumanvaraisten (ja vähentyneiden) alleelien leviämiseen. Sitä seuraavan ajautumisprosessin nopeus riippuu kulloisestakin mutaationopeudesta. Populaation umpikujat voivat siis nopeuttaa neutraalia evoluutioprosessia valtavasti, mutta evoluution suunta riippuu tapahtuvista (useimmiten negatiivisista) tai jo olevista mutaatioista. Vaikka eliöiden ilmiasu voi muuttua huomattavastikin, mitään oleellisesti uutta ei tällöinkään synny.

Niin neutraali teoria kuin valintateoriakin voidaan pukea pääosin myös matemaattiseen muotoon. Saadut tulokset pätevät kuitenkin vain mikroevoluutioon; makroevoluution simulointi näillä menetelmillä on täyttä arpapeliä monestakin syystä. (ks. Geneettiset algoritmit).

Geenidublikaatio.

Kromosomin lisäksi myös geeni voi kahdentua. Tällöin eliön geneettinen aines lisääntyy. Tällaiset kahdentumiset, joita mm. bakteereilla on havaittu, eivät yleensä ole pysyviä. Ne häviävät kun valintapaine poistuu, koska ylimääräinen geeni on normaalitilanteessa tarpeeton. Periaatteessa tällainen tapahtuma voisi kuitenkin olla rakennusaineena uuden toiminnon syntymiselle. Kahdentunut geeni voi vaimentua ja muuttua toimimattomaksi, mutta aktivoitua tai muuttua myöhemmin suorittamaan jotain uutta tehtävää. Geeniduplikaatio ei sinänsä synnytä uutta informaatiota; olemassa oleva informaatio vain monistuu. Makroevolutiivisten askelten tapahtuminen geenidublikaatioiden kautta on hyvin epätodennäköistä. Voidaan laskea, että jos esim. ihmisen ja simpanssin välinen ero riippuisi vain tällaisesta geenidublikaatioprosessista, täytyisi odottaa noin 10 000 miljardia vuotta jotta tapahtuma esiintyisi yhden kerran. Ja senkin jälkeen se todennäköisesti häviäisi rekombinaation myötä.

Horisontaali geenisiirto

Geenimateriaali voi lisääntyä myös tapahtumassa, jota kutsutaan horisontaaliksi geenisiirroksi. Siinä geenimateriaalia voi siirtyä solusta toiseen plasmideiksi kutsuttujen DNA-molekyylien välityksellä. Sitä on havaittu tapahtuvan varsinkin bakteereilla, joilla sen voisi rinnastaa suvullisesti lisääntyvien eliöiden rekombinaatioon. Horisontaali geenisiirto on tärkeä tekijä mm. bakteerien antibioottiresistanssin syntymisessä, koska resistenssigeenit sijaitsevat usein plasmideissa. Tälläkään tavalla ei kuitenkaan synny uudenlaista geneettistä informaatiota. Jo olemassa olevia geenejä vain siirtyy yksilöstä toiseen. Edes uusia bakteerilajeja ei ole havaittu tällä tavoin syntyvän.

hboksi.jpg

Homeoottiset mutaatiot.

Tutkimus on havainnut eräissä geeneissä olevan osia - ns. homeobokseja - jotka toimivat kytkinten tavoin säätelemällä mitkä geenit ja mihinkä aikaan tulevat luetuksi eliön kasvuprosessissa. Ne laukaisevat monimutkaisen rakenteen, kuten jonkin elimen kehittymisen alkiossa. Kun tällaisia geenejä on kloonattu ja istutettu toisiin yksilöihin eri paikkoihin, on esim. banaanikärpäsellä saatu saatu syntymään jalat tuntosarvien paikalle tai silmiä siipiin ja jalkoihin. Tällaiset elimet eivät tietenkään toimi normaalisti, koska mm. hermoyhteydet puuttuvat. Eräässä kokeessa siirrettiin hiirestä kärpäseen geeni, joka laukaisee silmän rakentumisen. Sen seurauksena kärpäseen ei kuitenkaan kasvanut hiiren vaan kärpäsen silmä. Tästä voidaan päätellä, että homeoboksigeenit eivät itse sisällä elinten rakennusohjeita, vaan ainoastaan ohjaavat kasvun ajoitusta ja paikkaa. Vaikka homeoottiset mutaatiot voivat aiheuttaa hyppäyksellisiä muutoksia eliöiden rakennesuunnitelmissa, ne eivät tuota uusia rakenteita, eivätkä siten saa aikaan makroevoluutiota.

Elämän synty.

Kiinnostavin kysymys molekyylibiologiassa lienee, miten syntyivät ensimmäiset geneettistä informaatiota tallentavat ja kemiallisia reaktioita katalysoivat molekyylit. Vaikka DNA- ja RNA- molekyylit muodostuvat luonnollisista kemiallisista yhdisteistä, niitä ei ole tähän mennessä saatu syntymään keinotekoisesti. Vielä suurempi arvoitus on solun syntymisen mekanismi. Monenlaisia hypoteeseja tosin on olemassa, mutta kokeellista näyttöä ei ole. Arvellaan esim. aluksi olleen yksinkertaisia itseään kopioimaan pystyviä molekyylejä, jotka jossain vaiheessa olisivat joutuneet yksinkertaisen kalvon sisään. Tätä on perusteltu sillä, että yksinkertaisia lipidikalvoja syntyy helposti itsestään. Solukalvo eroaa kuitenkin monimutkaisen rakenteensa vuoksi totaalisesti näistä yksinkertaisista kalvoista, eikä sen syntymekanismista ole mitään tietoa. Arkkibakteerien löytyminen sai aikaan spekulaatioita, että nämä eliöt voisivat olla malleja yksinkertaisimmista elämän muodoista. Tarkempi tutkimus kuitenkin paljasti niiden olevan kaikkea muuta kuin primitiivisiä. Perinteisen alkuliemihypoteesin vaihtoehtona on esitetty ajatus, että elämän esimuodot syntyivätkin savimineraaleissa kiteiden ja orgaanisten molekyylien yhteistoiminnan tuloksena. Myös rautaan ja nikkeliin perustuvalla elämän esimuodolla on spekuloitu, sekä avaruudesta peräisin olevista elämän 'siemenistä' (panspermia-teoria). Kokeelliset tulokset eivät ole antaneet tukea näille teorioille, joten edelleen on voimassa Pasteurin toteama seikka: elämää syntyy vain elämästä.



Teorian  eri versioita Vertaileva biologia
Edellinen   Seuraava


1.10.02 (päiv. 15.10.05)