Genvägen till evolution

Darwin presenterade sin evolutionsteori i Arternas uppkomst 1859. En art definieras oftast som en grupp individer som kan fortplanta sig med varandra men som är reproduktivt isolerade från andra sådana grupper.

Uppkomsten av en ny art (artbildning) kan ses som evolution av reproduktiva barriärer mellan grupper av individer som tidigare utgjort samma art. Ett exempel på en reproduktiv barriär är när en grupp av hanar inom en fågelart utvecklar en ny variant av sång som inte delas av de andra hanarna som tillhör arten. Ifall en motsvarande grupp av honorna utvecklar en preferens för hanar som sjunger den nya sången blir hanarna som sjunger den nya sången och honorna som gillar den reproduktivt isolerad från de andra individerna som tillhör den ursprungliga arten. 
 
Den ständigt pågående evolutionen kan leda till uppkomsten av gradvis mer komplicerade organismer med så sinnrika konstruktioner som vertebraternas öga men ibland kan evolution också leda till förenklingar. Ett exempel på det sistnämnda är fiskar som utvecklat ett liv i ständigt mörker i grottsjöar också utvecklar ett förenklat öga med förlorad syn som konsekvens.

Orsaken till det är att de individer som bäst förmår att utnyttja solens instrålning för sin orientering inte längre gynnas selektivt i den nya miljön. Tvärt om gynnas de individer som slipper kostnaden med att producera ögon som är överflödiga organ i det ständiga mörkret. Det är alltså omgivningen som avgör vilka varianter som kommer att bli vanliga i kommande generationer.

Om större individer har en fördel i en miljö som en viss grupp av organismer lever i kommer medelstorleken i gruppen att öka över tid eftersom de största individerna i större utsträckning bidrar med gener (arvsanlag) till kommande generationer.

Själva urvalsprocessen (som sker genom att den naturliga miljön gynnar vissa individer som därför fortplantar sig mer än de andra) kallas naturlig selektion. Men det räcker inte med naturlig selektion för att det ska ske evolution. Det är inte alltid så att medelstorleken ökar över tid även om det är just den egenskapen som gynnas av det naturliga urvalet.

Varför inte då? Vad är det som krävs för att evolution ska ske mer än naturlig selektion? För att en egenskap som kroppsstorlek ska förändras över tid krävs det inte bara variation som urvalet kan verka på. Det krävs också att de gynnade egenskaperna nedärvs från föräldrar till avkomman. Man kan därför säga att evolutionen är en trestegsprocess som beror av:

1. Uppkomst av ny variation
2. Naturligt urval
3. Nedärvning

Det är bara punkt nummer ett, uppkomst av ny variation, som är delvis slumpmässig eftersom den har sin grund i slumpmässiga genetiska mutationer. Varken naturligt urval eller nedärvning sker genom slump.

Forskning inom evolutionsteori de senaste 150 åren har givit upphov till viktig kunskap om hur ny variation uppstår och hur den nedärvs.

Lamarck föreslog 1809 att djur kunde ärva förvärvade egenskaper och att den processen i sig leder till förändringar över tiden. Giraffens långa hals kunde enligt Lamarck förklaras av att djuren har sträckt ut halsen mer och mer för varje generation. Lamarck var alltså inne på samma spår som Darwin när det gäller att dagens djur och växtliv är resultatet av små förändringar som har skett under en väldigt lång tid.

De två vetenskapsmännen föreslog dock två helt skilda bakomliggande processer och det visade sig att Lamarck hade fel. Evolutionen drivs genom det naturligt urvalet. 

Nedärvning av förvärvade egenskaper sker inte i någon stor utsträckning men det finns belägg för att vissa förvärvade egenskaper faktiskt kan nedärvas.

Idag talar man då om epigenetiska effekter (ärftliga förändringar i genfunktionen som uppstår utan någon förändring av DNA-sekvensen). Ett exempel på sådana effekter är att barn kan påverkas av vad mödrarna äter under graviditeten. Om mödrarna utsätts för svält under graviditeten kan det påverka genuttrycket (vilka gener som sätts av och på) hos barnen som i sin tur kan ge upphov till sjukdomar som diabetes.

Studier av epigenetiska effekter är ett aktivt fält inom framför allt medicinsk forskning. Även om epigenetiska effekter kan vara viktiga i enstaka fall är det framförallt arvsmassan som är grunden för hur karaktärer nedärvs från föräldrar till avkomman och det är slumpvisa mutationer (fel när arvsmassan kopieras i celledelningen) som ger upphov till ny variation.
 
En annan viktig källa till uppkomst av variation är nya kombinationer av redan befintliga arvsanlag som sker hos organismer med sexuell  fortplantning. Istället för att skapa en genetisk kopia av sig själv (som är vanligt hos många växter) bildar organismer med sexuell fortplantning avkomma som  i genomsnitt har 50 procent arvsanlag från vardera föräldern.

När köncellerna bildas (de innehåller halva genuppsättningen och blir till ägg eller spermier) innehåller varje könscell en blandning av gener från mor- och farföräldrarna.  Den här extra blandningen av arvsanlag kallas för genetisk rekombination.

Organismer som har könlig fortplantning har  en fördel i den evolutionära kapplöpningen mot sina naturliga fiender. Hög genetisk variation gynnar nämligen evolution och därmed förmågan att snabbt anpassa sig till nya förhållanden. 

Ett speciellt slående exempel utgörs av parasiter och deras värdar (organismen som parasiten lever på) där parasiten ständigt utvecklar en bättre förmåga att utnyttja sin värdorganism för sin egen överlevnad och fortplantning medan värden utvecklar en allt bättre förmåga att skydda sig från denna exploatering. Den långsiktiga överlevnaden av en art är beroende på att genetisk variation bibehålls, annars kan de inte svara på nya förändringar i miljön.

En insikt som kan vara av betydelse i jordbruket. Att använda grödor med liten genetisk variation är bra på kort sikt för vi vet vad vi får men på lång sikt är så kallade monokulturer känsliga för angrepp av skadegörare som till exempel bladlöss.

 
Även om Darwin hade rätt när det gäller den drivande processen bakom evolutionen saknande han kännedom om hur egenskaper nedärvs. Mendel, en genetiker som var samtida med Darwin, var först med att ta reda på de grundläggande lagarna om nedärvning genom att korsa ärtplantor med olika egenskaper och sedan följa dessa egenskapers nedärvningsmönster.

Trots detta var det så sent som på 1930-talet som genetiken bakades samman med Darwins insikter om det naturliga urvalet i den så kallade “moderna syntesen". Det ledde till att evolutionsteorin tog ett stort kliv framåt och ses som en så pass viktig händelse att man talar om ett paradigmskifte.

Dobzhansky, Fisher och Haldane är några av de mest framträdande namnen bakom den moderna syntesen där de viktigaste evolutionsprinciperna också formaliserades matematiskt. Det var den så kallade kvantitativa genetiken som utvecklades under den här perioden. Kvantitativ genetik utgår från Mendels iakttagelser men tar hänsyn till att det är många gener som påverkar uttrycket av en viss karaktär som t. ex. kroppstorlek.

Kvantitativa karaktärers genetik studeras genom att undersöka likheter mellan föräldrar och deras avkomma, helst under konstanta miljöförhållanden. Varför är det då viktigt att miljön hålls konstant när man studerar nedärvningsmönster?

Relativt feta föräldrar kan ha relativt feta barn av två olika anledningar. För det första har de gemensamma arvsanlag, i det här fallet för ett effektivt fettupptag. För det andra delar de samma miljö och äter med stor sannolikhet liknande typ och mängd av mat. Är man intresserad av att tared a på den genetiska basen för likheter i fetma mellan föräldrar och avkomma är det därför bäst att hålla tillgång på mat konstant annars är det lätt att dra fel slutsatser.
 
Sedan 1930-talet har forskningen om genetik gått från att göra indirekta beräkningar om egenskapers ärftlighet till att studera själva genomet (arvsmassan). En viktig hållpunkt är Wilkins, Watson och Cricks upptäckt av strukturen på DNA molekylen under 1950-talet.

DNA molekylen består av en kedja av fyra olika nukleotider; adenin (A), tymin (T), guanin (G) och cytosin (C) vars ordningsföljd utgör den genetiska koden. Det är den genetiska koden som via DNA bestämmer strukturen på proteinerna som i sin tur bygger upp alla levande organismer. DNA förekommer i alla levande celler i form av två långa molekyler i en skruvad helixstruktur där varje varv motsvarar cirka 10 nukleotidpar.

Under de senaste två decennierna har genetiken dominerats av framtagandet av olika sekvenseringsmetoder med det gemensamma syftet att avläsa ordningsföljden på nukleotiderna och därmed blottlägga den genetiska koden hos olika organismer.

Dagens storskaliga sekvenseringsmetoder gör det möjligt att kartlägga hela genom (den totala arvsmassan) som till exempel  det mänskliga genomet. Den här kunskapen har flera praktiska användningar som genmodifiering av grödor inom jordbruket och genterapi för att motverka ärftliga sjukdomar. Att alla levande organismer byggs upp enligt en enkel gemensam grundprincip utgör ett viktigt bevis för ett gemensamt ursprung. Dessutom har molekylärgenetisk information blivit ett viktigt redskap för att fastställa släktförhållandet mellan olika arter. Den nya molekylärgenetiska kunskapen och evolutionsteorin står också inför en ny mycket spännande syntes med nya svar på många tidigare delvis olösta frågor.

Är alla mutationer slumpvisa som vi tror och var i genomet sker de snabbaste förändringarna? Vilka delar av genomet skiljer sig åt mellan olika arter? De här frågorna saknar ännu svar men är inte lika oåtkomliga som de var för bara några få år sedan.

Text: Anna Qvarnström, docent i zooekologi vid Uppsala universitet.

Texten är först publicerad i katalogen till utställningen Vetenskapelsen