Uppruni tegundanna 150 ára í dag

Þann 24. nóvember árið 1859 kom út bók Charles Darwin um þróunarkenninguna. Þar sem Darwin færði rök fyrir að því allt líf á jörðinni væri tengt og hefði þróast frá einfaldari lífsformum. Olli þessi bók miklu fjaðrafoki og veldur enn vegna þess að þróunarkenningin sýnir fram á að hugmynd flestra trúarhópa um skapara er óþörf, heldur þróaðist allt líf frá einföldum frumlífverum á einhverjum milljörðum  ára í staðinn fyrir að öllu hafi verið plantað af ósýnilegum skapara.

Það er ótrulegt hversu mikið af því sem Darwin setti fram upprunalega stendur enn þann dag í dag, þó var ekki vitneskja um það á þessum tíma hvernig eiginleikar erfðust á milli lífvera þar sem bókin var gefin út fyrir uppgötvun á DNA og genum. Þannig að óteljandi magn upplýsinga hafa bætt og styrkt þróunarkenninguna á þessum 150 árum síðan uppruni tegundanna var gefinn út. Er þróunarkenningin ein mest rannsakaða og best rökstuddasta vísindakenning sem við eigum í dag.

“Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution” Theodosius Dobzhansky

Hérna er myndband frá Cosmos seríu Carl Sagan sem sýnir þróunina myndrænt.
… skoða færslu »

Vísir að RNA sameindum búinn til í vatni

Lykilspurning um uppruna líffræðilegra sameinda eins og RNA og DNA er um efnafræðilegt ferðalag þeirra frá einföldum forstigum uppí stærri og flóknari sameindir. Núna, í rannsókn sem birtist í þessari viku í Biological Chemistry, þá hafa rannsakandur á Ítalíu endurbyggt eitt af fyrstu skrefum þróunarinnar: að búa til langar keðjur af RNA frá einstökum grunneiningum notandi ekkert til hjálpar annað en heitt vatn.

Margir vísindamenn telja að RNA hafi verið ein af fyrstu líffræðilegu sameindunum til að verða til, á undan DNA og próteini, hinsvegar hefur ekki gengið vel að endurgera RNA frá einföldum forlífs sameindum sem voru líklegast til staðar á frumjörðinni fyrir milljörðum ára síðan.

Núna hafa Ernesto Di Mauro og samstarfsfélagar hans uppgötvað að fornar sameindir sem kallast hringlaga kirni, geta tengst saman í vatni og myndað fjölliður sem eru meira 100 kirna langar í vatni sem er 40-90°C heitt, álíka og vatnshitastig á frumjörðinni.

Hringlaga kirni eru mjög lík kirnunum sem mynda einstakar einingar af DNA og RNA (A, T, G og C), fyrir utan að þau mynda auka efnatengi og taka á sig hringlaga form. Þetta aukatengi gerir það að verkum að hringlaga kirni eru hvarfgjarnari, þannig að þau gátu tengst saman til að mynda langar keðjur nokkuð hratt (það tók um það bil 200 tíma að ná 100 kirna langri keðju).

Uppgötvunin er spennandi þar sem hringlaga kirni myndast auðveldlega frá einföldum efnum eins og formamíði, þannig að þau eru möguleg forlífsefni sem voru til staðar í forlífssúpunni. Þessi rannsókn gæti þá verið að sýna hvernig fyrstu hlutar erfðafræðilegra upplýsinga urðu til.

[Heimild: American Society for Biochemistry and Molecular Biology]

[Meiri upplýsingar: JBC]

Að hægja á þróuninni til að koma í veg fyrir lyfjaþol

Smitandi lífverur sem verða ónæmar fyrir sýklalyfjum eru virkileg ógn við mennskt samfélag. Þær eru einnig náttúrulegur hluti af þróuninni. Í nýju verkefni, eru rannsakendur við háskólann í Gothenburg að reyna að finna efni sem getur hægt á þróuninni, til þess að fullvissa sig um að lyf dagsins í dag verði einnig virk í framtíðinni.

Þol smitandi lífvera gegn sýklalyfjum er sérstaklega alvarlegt í lyfjum gegn sveppum. Sveppafrumur eru líkar mennskum frumum, sem þýðir að það er erfitt að hanna góð lyf sem geta eytt þeim án þess að skemma mennskar frumur, þ.e. erfitt að gera lyf án aukaverkana. Við verðum þess vegna að standa vörð um virkni þeirra sveppalyfja sem eru til staðar í dag. Þol gegn þessum lyfjum myndi skilja marga sjúkdóma eftir án meðferðarúrræða.

Náttúrulegt fyrirbæri

Hinsvegar er lyfjaþol nátturulegur fylgifiskur þróunar. Þróunin býr til handahófskenndar breytingar á eiginleikum lífvera, náttúruval velur síðan úr þær breytingar sem gera þær betri í að lifa af, sem gerir það að verkum að sumar þeirra þróa með sér betra þol gegn lyfjum sem þau komast í návígi við. Þetta leiðir að lokum til algjörlega lyfjaþolinna stofna og lyfið verður ónothæft. Þeim mun hraðar sem þessar tilviljanakenndu breytingar verða, þeim mun meiri er hættan á að lyfjaþol þróist. Ein leið til að berjast gegn lyfjaþoli er að hægja á hraða þróuninnar.

Að hægja á þróuninni

Rannsakandinn Jonas Warringer er að nota háþróaðar erfðafræðitilraunir til að reyna að finna þannig þróunartefjandi efni. Í fyrsta lagi þarf að finna þá hluta frumunnar sem stjórna hraða þróunarinnar. Jonas Warringer og samstarfsfélagar hans eru að nota venjulegan gersvepp eins og bruggarar nota. Gersveppur hefur 6,000 gen og að eyðileggja 1 gen í annars nákvæmlega eins lífveru leyfir þeim að nota útilokunaraðferðina.

Leitin að gullnu ryki

“Við örvum þróun gersvepps frumunnar og fylgjumst með henni í rauntíma. Þegar gersveppirnir okkar þróa með sér þol gegn sérstöku lyfi þá mælum við hvernig lífslíkur mismunandi stofna breyttust í ferlinu. Þróunin gerist hægar í sumum stofnum þegar sérstakri einingu er eytt. Þessir stofnar eru eins og gullryk í okkar augum, vegna þess að þeir segja okkur að þessar einingar séu mikilvægar í hraða þróunarinnar,” sagði Jonas Warringer.

“Það er svona sem við fundum loksins genin sem stjórna þróun. Ef, í næsta skrefi, við getum fundið efni sem getur ráðist á eina af þessum einingum, þá getum við hægt á þróun lyfjaþols og passað uppá að lyf nútímans virki einnig í framtíðinni.”

Rannsóknarverkefnið er styrkt af Magnus Bergwall stofnuninni og öðrum velgjörðarmönnum. Jonas Warringer vonast til að þróunartefjandi lyf verði komin á markað innan næstu 10 – 15 ára.

[Heimild: háskólinn í Gothenburg]

Þróun í okkar tímaramma

Rannsakendur segja að rannsókn sem hefur verið í gangi í 21 ár og skoðar kjarna þróunar í flöskum rannsóknarstofu sýni ekki aðeins náttúruval að verki , heldur gæti það leitt til framfara í líftækni og læknavísindum.

Bók Charles Darwin, Uppruni tegundanna, kom fyrst fram með sönnunargögnin fyrir þróun fyrir 150 árum síðan. Núna gefur Richard Lenski, prófessor við Ríkisháskólann í Michigan, ásamt samstarfsfélögum sínum út skýrslu í þessari viku um rannsóknina í virta vísindatímaritinu Nature.

Lenski byrjaði að rækta E. Coli bakteríur árið 1988. Hann hugsaði sér að ef erfðafræðileg stökkbreyting veitti frumu forskot í samkeppni um mat þá ætti hún að verða ríkjandi í allri ræktinni. Þó kenning Darwins um náttúruval sé studd af öðrum rannsóknum, þá hefur hún aldrei verið rannsökuð í jafn margar kynslóðir, né jafn vandlega.

“Það er virkilega gott að geta nú sýnt nákvæmlega hvernig val hefur breytt genamengi þessara baktería, stig af stigi yfir tugi þúsunda kynslóða,” sagði Lenski.

Hópur Lenski frysti reglulega bakteríur til að skoða seinna, síðar meir hafa tækniframfarir gert það að verkum að hægt er að sjá alla genaröðunina. Við 20.000 kynslóða miðpunktinn, þá uppgötvuðu rannsakendurnir 45 stökkbreytingar á meðal lifandi frumna. Þessar stökkbreytingar, ættu samkvæmt kenningu Darwins að innihalda eitthvað forskot, og það er nákvæmlega það sem niðurstöður rannsakendanna sýna.

Niðurstöðurnar “sýna fallega fram á hvernig röð stökkbreytinga hefur gert þessum lífverum kleift að ná hærri og hærri nýtni í umhverfi sínu,” sagði Dominique Schneider, sameindaerfðafræðingur við Joseph Fourier háskólann í Grenoble, Frakklandi.

Langlíf tilraun Lenski virkar einstaklega vel til að svara nokkrum mikilvægum spurningum, eins og hvort breytingar á genamengi baktería eru í samfloti með hæfileika hennar til að lifa af.

“Samhengið á milli erfðafræði og aðlögunar þróunar er flókið og gengur oft gegn almennri skynsemi,” bætti Lenski við. “Genamengið var að þróast á furðulega jöfnum hraða, jafnvel þó það hægðist verulega á aðlöguninni. En skyndilega jókst svo tíðni stökbreytinganna og nýtt gagnvirkt samband hófst.”

Stökkbreyting í DNA efnaskiptum varð í kringum kynslóð 26.000, sem leiddi til þess að tíðni stökkbreytinga allstaðar annarstaðar í genamengingu jókst gífurlega. Heildartala stökkbreytinga var orðin 653 við kynslóð 40.000, rannsakendurnir benda samt á að flestar seinni tíma stökkbreytingarnar hjálpuðu bakteríunni ekki.

Gena stökkbreytingar í mennskri DNA afritun valda sumum krabbameinum. Mörg munstrin sem sjá mátti í tilrauninni verða einnig í vissum bakteríu sýkingum, “og krabbameins framvindan er í grunninn álíka þróunarferli,” sagði Jeffrey Barrick. “Svo það sem við lærum hérna getur hjálpað okkur að skilja betur ferli þessara sjúkdóma.”

Barrick, Rannsakandi við háskólann þróaði reikningstól til að uppgötva og staðfesta oft flóknar stökkbreytingar. “Við vitum ótrulega mikið um smáatriði þróunar í þessum litlu Erlenmayer flöskum,” sagði hann.

Greinin í Nature innihélt samvinnu vísindamanna frá Suður-Kóreu sem og Frakklandi og ríkisháskólanum í Michigan. Rannsóknin “er ekki aðeins gagnleg í að skilja hraða og form þróuninnar, heldur getur virkað sem rammi fyrir hagkvæmar lausnir í líftækni, t.d. til að bæta virkni eða framleiðslu iðnaðarstofna.”

Þúsundum kynslóðum seinna heldur tilraunin áfram að þróast. “Eins og oft í vísindum, þá svarar rannsókn okkar nokkrum spurningum en spyr margra annara,” sagði Lenski.

[Heimild: Ríkisháskólinn í Michigan]

Ótrúlegar lausnir sem við getum lært frá náttúrunni

Þróun með náttúruvali hefur skapað fullt af snjöllum aðferðum til að kljást við ýmis vandamál sem koma upp í náttúrunni. Tilvalið væri að tileinka okkur útsjónarsemi náttúrunnar í meira mæli, en aðferðir hennar hafa verið milljónir ára í þróun og hægt er að læra margt þaðan.

Í myndbandinu hér á eftir fjallar líffræðingurinn Robert Full um hina ótrúlegu gecko eðlu, með sína gríðarlega viðloðandi fætur og snjalla hæfileika til klifurs. En háhraða myndavélar hafa afhjúpað líklega ótrúlegustu eiginleika hennar til þessa.

Þetta er TED fyrirlestur með Robert Full.

Cosmos með Carl Sagan

Þó það séu tæp 30 ár frá frumsýningu Cosmos þáttana þá eiga þeir alltaf jafn vel við. Þeir unnu til Emmy og Peabody verðlauna. Frá upphafi hafa þeir verið sýndir í um 60 löndum og 600 milljón manns séð þá, samkvæmt Science Channel

Þið getið lesið meira um Carl Sagan á Stjörnuskoðun.is.

Hér er myndbrot úr þáttunum þar sem Carl Sagan fjallar um þróun lífs á jörðinni.