Et sammensatt bilde av en musepote og en fiskefinne, hvor de samme biologiske markørene lyser opp. (Foto: Marie Kmita og Andrew Gehrke)
Et sammensatt bilde av en musepote og en fiskefinne, hvor de samme biologiske markørene lyser opp. (Foto: Marie Kmita og Andrew Gehrke)

Fra finner til fingre: Forskere finner viktig ledd i evolusjonen

Nye spor i jakten på evolusjonens reise fra hav til land viser at hendene våre ikke er så forskjellige fra fiskenes finner.

Kort om CRISPR

Ved hjelp av CRISPR-genteknologien kan man så å si «klippe» i DNA-strukturen og dermed fjerne eller sette inn gener.

Det kan du lese mer om i artikkelen Født sånn, blitt sånn eller redigert sånn?

Da Charles Darwin i 1859 ville ha leserne sine til å forstå begrepet evolusjon, ba han dem se på sine egne hender.

«Hva kan være mer underlig enn at menneskets hånd, som er skapt til å gripe, muldvarpens til å grave, hestens hover, finnen til en delfin og vingen til en flaggermus, alle er formet etter samme mønster, og alle skulle ha samme knokler i de samme relative posisjonene?» skrev han.

For Darwin var forklaringen enkel. Mennesker, muldvarper, hester, delfiner og flaggermus hadde en felles stamfar som hadde lemmer med en form for fingre eller klør.

Etterkommerne utviklet forskjellige typer lemmer til forskjellige oppgaver, men de mistet ikke de anatomiske likhetene.

Tenk om Charles Darwin hadde gjennomført sin vitenskapelige dannelsesreise i Norge. (Foto: Ukjent/Offentlig eiendom)
Tenk om Charles Darwin hadde gjennomført sin vitenskapelige dannelsesreise i Norge. (Foto: Ukjent/Offentlig eiendom)

Ny studie finner flere likheter

I dag fortsetter forskere arbeidet til Darwin, men med nye biologiske verktøy, og de har funnet flere likheter som så langt har vært oversett.

En forskergruppe fra University of Chicago i USA har oppdaget at hendene våre ikke bare deler en evolusjonær forbindelse med flaggermusvinger og hestehover – men også fiskefinner.

Resultater er publisert i tidsskriftet Nature.

– Ved hjelp av nye molekylære teknikker viser forskerne et sammenfall mellom finner, hender og føtter på en mer overbevisende måte enn tidligere. Det løser flere uavklarte problemer i den klassiske anatomien, sier Tobias Wang, som er dyrefysiolog ved Institut for Bioscience ved Aarhus Universitet i Danmark.

Den nye oppdagelsen hjelper forskerne med å forstå hvordan forfedrene våre forlot vannet og endret finnene sine til lemmer.

Også Peter C. Kjærgaard, direktør for Statens Naturhistoriske Museum i Danmark og professor i evolusjonshistorie, er imponert over resultatene.

– Dette er et av de helt store spørsmålene som har ligget i den evolusjonære understrømmen i mer enn 150 år: Hva er sammenhengen mellom fisk og virveldyr på land? Det har ikke vært noen tvil om at alle landdyr kommer fra havet. Det har alltid vært basert på komparativ anatomi, altså sammenligning av skjeletter på tvers av arter, skriver han i en e-post til videnskab.dk.

– Men det var fortsatt noe som manglet. En fiskefinne minnet mer om en slags vott enn en hånd med fingre. Hvordan hang det egentlig sammen evolusjonært sett? Med denne studien kommer vi nærmere svaret, utdyper han.

Savner felles stamfar

Det er vanskelig å se noen likhet mellom en hånd og en finne.

Menneskehånden befinner seg i enden av en arm. Den har knokler som utvikler seg fra brusk, og den inneholder blodårer.

Fossilfunn viser likevel at mennesker og fisker har en felles stamfar som svømte rundt i havet for 430 millioner år siden.

Firbeinte virveldyr, altså dyr som har en ryggrad og to par av lemmer, utviklet seg for 360 millioner år siden og inntok raskt det tørre landet.

– Det er faktisk mer enn hundre år siden vi oppdaget at knoklene i finner, er de samme som i armene våre, men det nye er fingrene. De har vi ikke kunnet forklare, forteller Tobias Wang.

– Det er litt av en overraskelse at dannelsen av både finner og hender er resultatet av et så tett samspill mellom gener og celler, altså at de samme genene sender en gruppe celler til en bestemt adresse ved enden av et kroppslig vedheng, men at de så utvikler seg så ulikt, skriver Peter C. Kjærgaard i e-posten.

Stjerneforsker kommer med nye svar

Det er ikke hvem som helst som nå kommer med nye svar i den evolusjonære historien.

En av medforfatterne for den nye studien er nemlig amerikaneren Neil H. Shubin, som ifølge Wang er en av de viktigste forskerne på området.

– Han beskrev en av de viktigste overgangsformene, som hadde bein som var utviklet fra finner. Han er virkelig et ikon, sier Wang, som har spesialisert seg på padder og krypdyr.

I over to tiår har evolusjonsbiologen Shubin utforsket denne utviklingen på to ulike måter.

For det første har han gravd etter fossiler. En av oppdagelsene hans er en 370 millioner år gamle fisk som kalles Tiktaalik, som hadde finner som lignet lemmer.

Den utviklet knokler fra brusk som ligner armene våre – fra skulderen og ned til underarmsknoklene og håndleddet. Den hadde imidlertid ingen fingre, og den hadde fortsatt korte finner.

Shubin arbeider også på et laboratorium ved University of Chicago i USA, der han sammenligner hvordan ulike virveldyr – for eksempel mus – utvikler seg som fostre.

Fostrene ser først veldig like ut. De består bare av et hode og en hale. Langsomt utvikler det seg to knopper på sidene. Hos fisk blir knoppene til finner. Hos firbeinte virveldyr, også kalt tetrapoder, blir de til lemmer.

Tiktaalik roseae, som levde for omkring 375–360 millioner år siden, hadde skuldre som satt fast på finnene. Den er trolig et av mellomstadiene for virveldyrenes vei til land. (Foto: (Illustrasjon: Zina Deretsky/National Science Foundation/Wikimedia Commons))
Tiktaalik roseae, som levde for omkring 375–360 millioner år siden, hadde skuldre som satt fast på finnene. Den er trolig et av mellomstadiene for virveldyrenes vei til land. (Foto: (Illustrasjon: Zina Deretsky/National Science Foundation/Wikimedia Commons))

To gener bestemmer om vi skal ha hender eller finner

Siden 1990-tallet har forskere avslørt noen av de genene som er ansvarlige for utviklingen av lemmene våre. I 1996 oppdaget en gruppe franske forskere genene som er nødvendige for at mus kan utvikle beina sine.

Når forskerne skrudde av to ulike gener, Hoxa-13 og Hoxd-13, utviklet musene bein som vanlig, men utviklingen stoppet ved anklene, så det oppsto ikke poter.

Det ser altså ut til at de to genene forteller bestemte celler at hender og føtter skal utvikles.

– Det er forbausende stor likhet mellom genene hos fisk og hos mennesker. Endrer man bare en ørliten del av den molekylære strukturen, får man store anatomiske forskjeller. Det er faktisk ganske forbausende, når man ser på en finne, en hånd eller en klov, at forskjellene på det molekylære planet egentlig bare er detaljer, sier Wang.

CRISPR gir forskerne nye muligheter

Shubin visste at fisk har gener som er relatert til Hoxa-13 og Hoxd-13, og han undret seg over hva de genene har som oppgave.

Et eksperiment på fisk kunne kanskje gi ham og kollegene hans en bedre forståelse.

– Men vi har ikke hatt teknologien for å gjøre det før nå, sier Shubin til The New York Times.

Ingen visste hvordan man skrudde av gener i fiskefostre på 1990-tallet. Men det har endret seg i de siste årene takket være genteknologien CRISPR. Med den kan forskere fjerne og innsette gener i stort sett alle arter.

Resultat kom som en overraskelse

I 2013 begynte Tetsuya Nakamura, en forsker i Neil Shubins laboratorium, å bruke CRISPR til å manipulere fiskefostre.

Han valgte sebrafisken fordi fostre av denne arten er gjennomsiktige.

Nakamura satte inn små biter av DNA i fiskens utgave av Hoxa-13 og Hoxd-13-genene. Det forstyrret gensekvensen slik at fisken ikke kunne lage proteiner av dem.

Sebrafiskene med de defekte kopiene utviklet misdannede finner. Det kom som en overraskelse på forskerne.

Eksperimentet viste at disse genene styrte celler som hos fisk blir til beinvev dannet i huden, fremfor den typen beinvev som hos oss mennesker dannes av brusk.

Forskerne skiller mellom dermalt beinvev, som er dannet av hud, og endokrinalt beinvev, som er dannet av brusk.

Poter og finner har en likhet på cellenivå

Shubin fikk en lignende overraskelse da han så resultatene fra et parallelt eksperiment som ble utført av Andrew R. Gehrke, som var studenter under Shubin.

Gehrke manipulerte sebrafisker slik at han kunne følge utviklingen av individuelle celler i fostre.

I fiskene hans begynte cellene som skrudde på hox-genene å lyse. De fortsatte å lyse helt til de nådde endestasjonen i fiskenes kropp.

Gehrke så at en klump av celler begynte å lage hox-proteinene tidlig i utviklingen av fiskefinner. Da finnene var fullt utviklet, begynte den ytterste delen av finnen å lyse opp.

I et lignende forsøk med mus begynte potene og knoklene i håndleddet å lyse opp.

– Her ser vi at potene og finnene har en eller annen form for likhet på det nivået hvor cellene skaper dem. Det var helt motsatte av det jeg hadde forventet etter å ha arbeidet ved problemet i flere tiår, sier Shubin til New York Times.

Ny studie gir viktig kunnskap

Den nye studien var viktig fordi den avslørte at utviklingen av finner og lemmer følger de samme reglene, forteller Matthew P. Harris, som er genetiker ved Harvard Medical School i Boston, til The New York Times.

I begge tilfeller forteller hox-genene en gruppe av celler hvor de skal.

– Den molekylære adressen er den samme, sier han.

I sebrafisker ender cellene som får den molekylære adressen opp med å bli til dermalt beinvev, mens de hos tetrapoder, som oss mennesker, blir til endokrinalt beinvev i hender og føtter.

Den nye oppdagelsen kan hjelpe oss med å forstå de mellomliggende fiskene med finner som minner om bein.

– Flere svar med CRISPR

CRISPR-metoden kan gi oss enda flere svar, mener Tobias Wang.

– Sebrafisken som forskerne har brukt i studien, er valgt fordi den er lett å ha med å gjøre, men faktisk er den noe fjernere fra oss mennesker evolusjonært enn mange tidligere arter. CRISPR-metoden gjør det nå mulig å utføre samme forsøk i mer primitive fiskearter, som minner mer om de som fantes samtidig med våre felles forfedre, sier han.

CRISPR-teknologien kan brukes i alle dyr, forklarer han.

– Hvis man har et bestemt gen eller en prosess man vil undersøke, så kan man nå velge det dyret som passer best til studien. Det er ganske nytt at dette er mulig ved hjelp av molekylære teknikker, sier han.

Derfor synes Wang at det kanskje ikke er det mest opplagte å velge sebrafisken til en studie om fingrenes evolusjon.

– Problemet er at de beinfiskene den tilhører, har hatt en enorm evolusjon siden den gang, så veldig mange av de genene vi finner hos beinfiskene, er helt annerledes enn de som fantes hos de primitive fiskene som vi tror vi kommer fra, sier han.

Når det er sagt, er han ikke tvil om at det er snakk om en viktig oppdagelse.

– Studien er med på å avslutte 150 års undring om hvordan knoklene i fingrene våre har utviklet seg, og det gjør det faktisk med overbevisende sikkerhet, avslutter han.

Kilde:

Nakamura, T. (m.fl) Digits and fin rays share common developmental histories, Nature (2016).

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.

Powered by Labrador CMS