Øye for evolusjon

Du, jeg, flua og torsken stammer alle fra et ørlite og hårete øyeeple som svømte i havet.
14.3 2011 05:00


En armføtting-larve med røde øyeflekker. Disse øynene bruker de samme lyssensitive cellene som vi mennesker har i våre øyne. (Foto: Nina Furchheim, Berlin)

Oppdagelsen av det mest primitive system for å oppfatte lys i en flercellet organisme endrer nå på forståelsen av synets utvikling.

En av overraskelsene er at et lite sjødyr uten ryggrad har de samme øyecellene som oss mennesker.

Hva Darwin så

Øyet er et finurlig instrument. Hvordan kan noe så avansert og og komplisert ha utviklet seg ved hjelp av evolusjonens enkle regler om naturlig utvalg?

Charles Darwin, evolusjonsteoriens far, brukte øyet som et eksempel på sammensatte strukturer som det ved første blikk kan virke absurd å forklare på denne måten.

Hans forståelse av vår intuitive trang til å se for oss en intensjon, en plan, et bevisst design, bak livets mange intrikate former, hjalp ham kanskje til å visualisere utviklingen trinn for trinn.

Darwin forklarte hvordan øyet må ha blitt til gjennom talløse, gradvise overganger over millioner og milliarder av år – fordi det ga stadig nye fordeler i kampen for tilværelsen. Han dokumenterte eksisterende mellomformer hos ulike dyr.

Manglende mellomledd

Mens Darwin fikk på plass mekanismene bak livets utvikling, fortsetter dagens biologer jobben med å kartlegge de mange formene og overgangene. De finner stadig noe nytt både blant levende dyr og blant fossilene.


Voksen armføtting. (Foto: Andreas Hejnol)

Et slikt manglende mellomledd i øyets utvikling har nå blitt avdekket. Andreas Hejnol ved Sars International Centre for Marine Molecular Biology i Bergen er en av forskerne bak oppdagelsen.

Den litt humoristiske konklusjonen er at vårt felles opphav med alle dyr var et bittelite svømmende øyeeple.

- Fra før vet vi at skapningen var om trent en millimeter stor. Den hadde en bakside og en mage, og en slags hjerne på framsida. Den hadde ingen bein, og var sannsynligvis dekt av små hår som den svømte med, forklarer Hejnol.

Armføttinger

Nøkkelen til slutningen om det svømmende øyeeplet fant forskerne hos de små skjell-lignende skapningene i havet som vi kaller armføttinger eller brakiopoder.

Armføttingene blir 1-3 centimeter store som voksne, og lever fastgrodd på steinunderlag på havbunnen. Fossiler viser at slik har de holdt seg fast, relativt uendret, i over 530 millioner år. Som barn - eller larver, som det heter, er de imidlertid dyktige svømmere.

De har øyne i form av små, mørke prikker under huden som er knyttet til en hjernelignende klump av nerveceller. Ved hjelp av dette systemet kan larven svømme til havoverflaten, hvor lyset er mer intenst.

Uventet celletype

Da de undersøkte disse larve-øynene, fant forskerne en uventet celletype.

- Alle dyr har ett av to ulike synssystemer, det ciliære eller det rhabdomære, forteller Hejnol.

Dyreverden kan deles inn i to større grupper – virveldyrene (inkludert menneskene) og de virvelløse dyrene (inkludert armføttingene).


Her ser du hvordan det ciliære synssystemet finnes både hos virveldyr og hos virvelløse dyr. Klikk på forstørrelsesglasset for stor versjon. (Illustrasjon: Andreas Hejnol)

Så langt har man antatt at det ciliære synssystemet har vært i den ene gruppa, mens det rhabdomære systemet har vært i den andre.

Analysene til Hejnol og kolleger fra Tyskland og Hawaii viser nå at armføtting-larven har ciliære synsceller, den samme typen som vi mennesker bruker.

- Det forteller at vår felles forfar, for eksempel med fluene, må ha hatt begge systemene, sier Hejnol til forskning.no.

- Vi kjenner ikke til noe annet virvelløst dyr som bruker det ciliære systemet for å se. Det er første gangen vi har funnet dette, sier han.

Pigger eller hale

Det er flere forskjeller på ciliære og rhabdomære synsceller. Blant annet har de ulike utsider.

- For å gjøre det lettere å fange opp lys, har de begge former som øker overflaten på cellen, men på to ulike måter, forklarer Hejnol.

Rhabdomære synsceller har en masse utstikkere, en slags pigger, som kalles mikrovilli. Ciliære synsceller har derimot en lang forlengelse, nesten som en hale, kalt flimmerhår.

- Disse celletypene ser veldig ulike ut, så vi kunne identifisere dem på formen, men vi har også gjort molekylære analyser, sier Hejnol.


Dette er et armføtting-embryo i ulike stadier, arten heter Terebratalia transversa. Det mørke feltet er kunstig farget og viser proteinet ciliært opsin. På alle disse stadiene kan skapningen svømme og reagere på lys. Det nederste bildet viser larvestadiet. (Foto: Andreas Hejnol)

Hvert øye på armføtting-larven består av to celler som er koblet til den hjerneaktige strukturen. Slik snakker disse lyssensitive cellene med de delene av larvekroppen som styrer svømminga.

Embryo som ser

Etter at forskerne hadde oppdaget den uventede celletypen hos armføtting-larven, bestemte de seg for å lete etter den hos embryoet også.

De oppdaget cellenes molekylære signatur, nemlig aktivering av de riktige lyssensitive genene, allerede 36 timer etter befruktning.

På dette stadiet er armføttingen bare er en klump på omtrent 800 celler og på størrelse med et sandkorn.

- Vi fant at omtrent 250 av cellene hadde disse genene aktivert, forklarer Hejnol.

Det innebærer at de kan reagere på lys, men i en så primitiv liten celleklump finnes det ikke noe nervesystem. De lyssensitive cellene kan altså ikke sende signaler om lyset til andre celler.

- Men de kan reagere når lyset treffer dem, sier Hejnol.

Slår saktere

Dermed ble forskerne nysgjerrige på om selv armføtting-embryoet er i stand til å bevege seg etter lyset.

Det er nemlig dekt av flimmerhår som rytmisk beveger seg i én retning, og får embryoet til å svømme i et spiralmønster.

De plasserte en samling armføtting-embryoer i mørket, og så belyste de halvparten av beholderen. Etter 20 minutter var det dobbelt så mange embryoer på den opplyste sida, som på den mørke sida.

- Vi tror at flimmerhårene på de lyssensitive cellene slår saktere når de blir truffet av lys, og dermed øker sjansen for at de holder seg der lyset er, forklarer Hejnol.

Øyets utvikling

Dermed konkluderer han og kollegaene med at der er mulig at våre øyne begynte som svømmende øyeepler.

Først seinere ble det innført en arbeidsdeling hvor noen celler fikk jobben med å fange opp lyset, for deretter å sende signaler til sine naboceller.

Og først mye seinere ble det dannet systemer hvor disse spesialiserte cellene sendte signaler til hjernen.

- Dette er som et manglende mellomledd i en serie med ulik grad av kompleksitet mellom lyssensitivitet og adferd, sier Hejnol.

Ingen stige

Han mener at siden begge synssystemene eksisterte hos den felles opprinnelsen til både virveldyrene og de virvelløse dyrene, gjør det at vi må tenke annerledes om kompleksitet i evolusjonær utvikling.


Her ser du forskjellige trinn i øyets utvikling. Figur A viser systemet til armføtting-embryoet. De blå cellene er de fotosensitive, og de reagerer på lys, men kommuniserer ikke informasjonen videre til andre celler. Figur B viser systemet til larven hos den marine ormen Platynereis. Her registrerer den blå cella lyset, og kommuniserer det videre til en annen celle i nærheten. Figur C viser systemet hos larven til armføttingen. Her går signalet innom en samling nerveceller før det går til en annen celle. Figur D viser systemet hos oss mennesker. Signalet går til hjernen, og deretter for eksempel til musklene. Klikk på forstørrelsesglasset for stor versjon. (Figur: Andreas Hejnol)

- Utviklingen går ikke nødvendigvis fra det primitive til det mer høyerestående, slik den rådende oppfatningen har vært lenge. Det har vi sett mange ganger. Nå har vi ikke lenger en stige-tenkning, hvor mennesket er øverst på stigen, sier Hejnol.

Tidligere har man tenkt seg at forfaren til både virveldyrene og de virvelløse dyrene så med rhabdomære celler, men at de samtidig hadde ciliære celler dypt inne i hjernene.

Man har nemlig funnet ciliære celler på denne måten i organismer som marine ormer og bier.

Mer fleksibelt

Man har tenkt seg at de ciliære cellene flyttet seg utover mot kroppens overflate etter hvert som virveldyrene utviklet seg, og ble det viktigste redskapet for synet.


Andreas Hejnol ved Sars-senteret i Bergen. (Foto: Privat)

- Resultatene våre viser at disse systemene kan ha vært mer fleksible opp gjennom utviklingen enn vi har trodd, sier Hejnol.

Det betyr at ulike organismer på begge sider av dyrenes familietre kan ha vekslet mellom å bruke det ciliære og det rhabdomære systemet.

Hejnol syns det er spennende å forestille seg hvordan vår felles opprinnelse så ut.

- Det er som å se inn i fortiden. Når du ser for deg hvor enkel den er, og tenker på hvordan kompleksiteten i ulike dyr har utviklet seg, er det nesten som å rekonstruere en kriminalsak, sier han.

- Jeg har noen ormer her på laboratoriet mitt som kan ligne på denne tidlige organismen. Når jeg ser på dem tenker jeg: Ok - så dette var begynnelsen på meg…

Referanse:

Yale J Passamaneck, Nina Furchheim, Andreas Hejnol, Mark Q Martindale and Carsten Luter; Ciliary photoreceptors in the cerebral eyes of a protostome larva; EvoDevo, 1. mars 2011, 2:6 doi:10.1186/2041-9139-2-6.

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Annonse

Darwin om øyets utvikling

Organs of extreme perfection and complication. To suppose that the eye, with all its inimitable contrivances for adjusting the focus to different distances, for admitting different amounts of light, and for the correction of spherical and chromatic aberration, could have been formed by natural selection, seems, I freely confess, absurd in the highest possible degree.

Yet reason tells me, that if numerous gradations from a perfect and complex eye to one very imperfect and simple, each grade being useful to its possessor, can be shown to exist; if further, the eye does vary ever so slightly, and the variations be inherited, which is certainly the case; and if any variation or modification in the organ be ever useful to an animal under changing conditions of life, then the difficulty of believing that a perfect and complex eye could be formed by natural selection, though insuperable by our imagination, can hardly be considered real.

How a nerve comes to be sensitive to light, hardly concerns us more than how life itself first originated; but I may remark that several facts make me suspect that any sensitive nerve may be rendered sensitive to light, and likewise to those coarser vibrations of the air which produce sound.

Fra Origin of the Species, kapittel 6