Hur gick det till?

av Tomas Lindblad

”Det här är så utstuderat och fantastiskt att det aldrig kan ha uppstått av sig självt”. Det är en spontan reaktion på många av naturens märkligheter. Och ibland kan man ju faktiskt undra – när man ser bin kommunicera genom att dansa, eller fladdermöss som fångar insekter i dödsföraktande toppfarter med hjälp av ljudekon. Eller det till synes självklara faktum att växterna kan skapa sin egen näring ur luft och vatten med hjälp av solljuset.

Ska de här märkligheterna ha växt fram ur ingenting med början i ett dött hav för mindre än en miljard år sedan? Charles Darwin var en ödmjuk person, och i Om arternas uppkomst skrev han till exempel så här:

”Om man kan visa att det finns ett organ som är så komplext att det omöjligt kan ha bildats genom ett flertal gradvisa smärre modifikationer, då faller min teori samman.”

De som inte gillar evolutionsteorin har flera gånger försökt hitta just ett sådant organ. En del företrädare för en mer religiös syn på naturen talar om oreducerbar komplexitet. Det betyder att någonting i biologin är så komplicerat att det inte går att tänka sig hur det har utvecklats. Men forskningen har kunnat visa i detalj hur det måste ha gått till när några av de mest fantastiska företeelserna i djurvärlden har kommit till.

Här beskriver vi tre av dem: ryggradsdjurens ögon, bakteriernas lilla utombordsmotor och det kemiska biljardspel som leder till att blodet kan stelna i ett sår. Evolutionsteorin håller i alla tre fallen. Det gäller bara att inse att det inte är slumpen som skapar livet. Mutationerna är slumpmässiga, men det naturliga urvalet är knivskarpt. Bara förbättringar bevaras, och de byggs på varandra i generation efter generation.

Ögat
Det tog rätt lång tid innan alla var överens om att det inte var något konstigt med ögonen. Darwin själv medgav att det kunde verka absurt att tro att något så komplicerat som ett öga skulle kunna uppstå genom evolution. Och svårigheten tycks ligga i att visa att det verkligen finns en utvecklingsserie som i många små steg leder fram till våra ögon. Teorin kräver ju att varje steg på något sätt ska vara en förbättring jämfört med det som fanns tidigare. Annars skulle den aldrig gynnas av det naturliga urvalet. Men vad har man för nytta av ett halvt öga? Ett öga utan lins eller synnerver? En hel del skulle det visa sig.

Startpunkten för ögat är en ljuskänslig cell. Det är en cell med ett protein som reagerar på ljus, och som finns i många primitiva organismer. De allra enklaste ”ögonen” i naturen är helt enkelt en fläck av ljuskänsliga celler. Ett sådant öga kan hjälpa en varelse att skilja på ljus och mörker, att känna av när man är i skydd av en skuggande sten till exempel. Fläckarna kan utvecklas genom att de börjar bukta inåt och förvandlas till två grunda skålar. Då kan det enkla ögat börja se varifrån ljuset kommer, eftersom vinkeln på ljuset avgör hur många av cellerna i ögonskålen som träffas. Precis sådana enkla skålar har till exempel några arter av snäckor och andra ryggradslösa djur. Lagret av ljuskänsliga celler bildar nu en enkel näthinna tillsammans med ett skikt pigmentceller som behövs för den vidare signaleringen till nervceller eller andra organ.

Och utvecklingen fortsätter. För varje generation som skålarna blir lite djupare blir ögat lite vassare på att se varifrån det kommer. Varje inbuktning är ett steg framåt, och gynnas av evolutionen. Skålögonen fortsätter att bukta inåt tills de hos några djurarter blir klotformade hålrum där öppningens kanter närmar sig varandra. Det ögat kan inte bara se exakt varifrån ljuset kommer, det får också en primitiv bild på näthinnan. Det har förvandlats till en camera obscura. Sådana ögon har till exempel en nautilus, den skalförsedda bläckfisk som också kallas pärlbåt på svenska.

Så långt är det inte så svårt att hänga med. Fortfarande är ögat bara ett hål, med ljuskänsliga celler på insidan. Men allt det där andra, som gör ögat till det precisionsinstrument det trots allt är? Det är inte något stort steg att tänka sig hur det lilla hålet täcks av genomskinlig vävnad. Det är en klar fördel för den som lyckas. Det inre av ögat skyddas ifrån bakterier och andra parasiter, och det blir en nödvändighet för de djur som vill ta sig upp ur vattnet. När ögat väl är tillslutet blir vätskan på insidan skild från yttervälden.

Den utvecklas på sitt eget sätt, och kan bli ett optiskt verktyg, som reglerar brytningsindex eller filtrerar bort vissa våglängder av ljuset. Men den här enkla kameran är fortfarande ganska dålig på att ge tydliga bilder av omgivningen. Varje förbättring av ljusstyrka och skärpa kommer att gynnas hos de arter som har behov av sådana finesser. Därför uppstår linsen. Men inte fix och färdig. Den uppstår som en långsam och gradvis förändring av den vätska som finns inuti ögat. Vätskan blir heterogen, olikformig, och bryter ljuset på ett sätt nära öppningen och på ett annat i resten av ögat. Långsamt blir skillnaden så stor mellan den främre och den bakre delen av ögonvätskan att linsen till slut blir en helt egen del i maskineriet, med sina egna genomskinliga proteiner. Det kan låta som ett stort hopp i utvecklingen, men de proteiner som bildar linsen finns redan i cellen, fastän med andra funktioner. Varje steg kräver bara en modifiering av det som redan existerar. 1994 gjorde Sveriges ledande ögonforskare, Dan-Eric Nilsson i Lund, en datorsimulering av en tänkt utvecklingsserie från ljuskänslig fläck till kameraöga med lins (figur 1).

Han gjorde några mycket försiktiga antaganden om förändringstakten, och lät datorn räkna på. Resultatet blev att den beskrivna utvecklingen kan gå på bara några hundratusen år. Den slutsatsen citeras numera i åtskilliga läroböcker om evolutionen. I dag vet vi också att samma gener som styr hela maskineriet för bildandet av ögon är desamma i nästan hela djurriket även om ögonen kan se olika ut. Det betyder att förutsättningarna fanns på plats tidigt i utvecklingen. Mycket tyder på att vår typ av ögon fanns i sin grundform redan för 500 miljoner år sedan hos föregångarna till den lilla fisken nejonögat. Allt därefter kan betraktas som finputsningar.



Figur 1: Dan-Eric Nilsson förklarar ögats evolution.


Bakteriernas utombordare

En av de mest förfinade biologiska mekanismer som finns är bakteriernas flageller, de piskliknande roterande svansar som gör att de kan ta sig fram i tillvaron. Flagellen är en mikromotor som kan bygga sig själv och roterar med upp till 1 000 varv i minuten (figur 2). Det är svårt att jämföra den med något annat i naturen. Den ser lite ut som resultatet av en byggsats ur ett kinderägg.

Flagellen sitter i bakteriens cellvägg och består av en motor med en rak axel som kan rotera fritt. Axeln löper genom en serie ringar i cellmembranet. Den fäster till en krok utanför cellväggen, som i sin tur hänger samman med ett långt filament, alltså piskan som får bakterien att röra sig. Motorn drivs runt genom att vätejoner – och ibland natriumjoner – flödar genom membranet. Allt är uppbyggt av ett 40-tal olika proteiner. Och det är svårt att riktigt fatta hur den kan ha utvecklats ur något enklare i små steg, så som evolutionsteorin föreskriver. Det är faktiskt så svårt att bakterieflagellen blev ett ämne för rättegången i Dover i Pennsylvania 2005, där en domstol skulle avgöra om en skola fick lära ut alternativ till evolutionsteorin. Argumentet i rätten var att den här lilla motorn inte går att tänka sig utan en enda av sina beståndsdelar. Den kan alltså inte ha utvecklats ifrån ett enklare ursprung, den måste ha designats – av någon.

Flagellen har studerats länge, och forskarna vet ännu inte exakt hur den lilla motorn har uppkommit, men under de senaste åren har förloppet börjat klarna en hel del. Genom en grundlig analys av alla proteiner som ingår i apparaten går det att se att de kan delas in i familjer, som var och en ser ut att ha ett gemensamt ursprung – ett klassiskt tecken på evolution.

Ett annat indicium är att det finns nära besläktade organ, med helt andra funktioner i bakteriernas liv. Varje del i flagellkonstruktionen är uppbyggd av muterade varianter av proteiner som gör tjänst på andra platser i bakteriecellen.

Förändringarna har skett genom att gensekvenser har dubbelkopierats eller bytt plats med varandra. Alltså just sådana små förändringar som hela tiden uppstår spontant och driver evolutionen framåt. Själva piskan består till exempel av proteiner som från början användes för att klänga sig fast i värddjur, så kallade adhesiner.

Motordelen har utvecklats ur en jonkanal för transport av vätejoner genom cellväggen, en vanlig anordning hos bakterier. Flagellen finns dessutom i en rad varianter i bakterievärlden. De finns inte en flagell, utan en hel katalog av modeller. De är inte byggda av exakt samma proteiner, men några är gemensamma. Det tyder på att de har utvecklats ifrån ett gemensamt ursprung en gång för längesedan. I dag är alla delarna så specialiserade att de är ”oersättliga” en och en. Men det säger inte att vägen dit inte har gått genom utveckling av gamla vanliga delar. Snarare tyder alla spår just på det.



 
Figur 2: Bakterieflagellen.


En kedja av händelser
När huden skadas och ett blodkärl börjar läcka går stora larmet i kroppen. En kedja av kemiska signaler startas av att blodet får kontakt med yttervärlden. En annan nödsignal går igång med hjälp av signaler som talar om att celler har skadats.

Proteiner sätter fart på andra proteiner i två kaskader av biokemiska reaktioner (figur 3). De två parallella händelsekedjorna rullar på som två tåg, som snart möts på ett gemensamt spår för att tillsammans bilda proteinet fibrin. Det är fibrin som bildar de långa sega trådar som stänger till såret och får stopp på läckaget av det dyrbara blodet. Det liknar lite en extremt avancerad biljardstöt. Den första bollen knuffar iväg nästa som i sin tur ger fart till nästa, och till slut möts två bollar från var sitt håll och stöter tillsammans ner den sista bollen i hålet.

Sammanlagt medverkar tolv proteiner, så kallade faktorer, i biljardstöten, plus en rad andra hjälpproteiner längs vägen. När systemet inte fungerar får vi problem. Blödarsjuka blev under 1800-talet känd som den kungliga sjukan, eftersom drottning Victoria lämnade den i arv till många av sina manliga efterkommande i Europas kungahus. Det sägs att det var genom att behandla prins Alexejs blödarsjuka som Rasputin skaffade sig makt vid det ryska tsarhovet.

Hur som helst, de blödarsjuka prinsarna saknade det protein som kallas Faktor VIII, en viktig del av hela systemet. Blodets koagulering är ett snabbt och effektivt maskineri som alltså inte fungerar utan alla sina beståndsdelar. Och, återigen, det har använts som ett argument mot evolutionsteorin. Hur i hela friden kan det uppstå genom små enstaka förändringar när det inte fungerar utan att alla bitar är på plats? Men faktum är att det faktiskt gör det. Valar och delfiner, till exempel, klarar sig bra utan faktor XII.

Andra fiskar lever utan ännu fler av de viktiga proteinerna. Men deras blod kan ändå koagulera. Alltså behövs inte alla delar för att systemet ska fungera. Längre bort i vår stora släktkatalog hittar vi ännu enklare varianter. De primitiva käklösa fiskarna har ett system för att få stopp på blödningar som bara består av fem steg. Hur kan det hela ha utvecklats då? Det går att rekonstruera det troliga händelseförloppet i detalj genom att se på andra djur.

Den enklaste modellen är att låta ett enda enzym som kallas proteas skapa små proteinklumpar när det uppstår ett hål i en vävnad någonstans på kroppen. De klumparna kan täppa till skadan, och motverka de värsta konsekvenserna. Så gör flera ryggradslösa djur. Enzymet kan sedan enkelt förändras genom dubbelkopieringar av en gen, och bli mera känsligt för signaler på störningar. Det betyder att det känner av mer exakt var någonstans en skada uppstår. Ett avgörande steg på vägen fram är när en av generna som producerar de aktiva proteinerna får ett tillskott genom så kallad genblandning, en vanlig och välkänd typ av mutation. En tillväxtfaktor läggs till proteinet, och nu börjar det hända saker. Det gör att det inte bara bildas klumpar, utan vid ett sår växer det fram ett skyddande lager av protein. Därmed har den första av koagulationens alla proteinfaktorer bildats. Det går att identifiera föregångarna till varje faktor i larmkedjan. Man kan se varifrån de kommer och hur de muterat och genom varje steg gjort hela serien lite effektivare.

Processen startade för ca 600 miljoner år sedan. Och varje liten förbättring får en knuff framåt av det naturliga urvalet. Varje protein i blodplasman som på något sätt förändras för att samverka med de andra till en effektivare koagulering gynnas, eller selekteras. En genetisk dubbelkopiering här och en liten förskjutning där, och på några hundra miljoner år har hela serien blivit till. Men i efterhand är det svårt att se spåren av vägen fram. Ungefär som det inte går att se på en stenbro hur man har kunnat bygga ett valv, eftersom byggställningarna är borta.



Figur 3: Blodkoagulering.

[Ursprungligen publicerad i Allt om Vetenskap.]