Virkaanastujaisesitelmä Anneli Hoikkala. Evoluutotutkimus: ekologiaa ja molekyyligenetiikkaa

Transkriptio

1 Virkaanastujaisesitelmä Anneli Hoikkala Evoluutotutkimus: ekologiaa ja molekyyligenetiikkaa Evoluutiotutkimus on ollut kauan hyvin kiistelty tieteen ala. Evoluutioteoria on tuonut uudenlaisen näkökulman luomakunnan kehittymiseen, mikä on johtanut kiistoihin siitä onko kyseessä tiede vai uskonto. Biologisiin ilmiöihin vähänkin perehtyneen henkilön on kuitenkin pakko todeta vanhan evoluutiotutkijan Dobzhanskyn tapaan Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. Luonnonpopulaatioissa havaitaan muuntelua vähän joka tasollla ja jatkuvasti tulee esiin fossiililöytöjä, jotka eivät kuulu mihinkään lajiin, mutta voivat olla nykyään tunnettujen lajien esi-isiä. Uusimpien tutkimusmenetelmien avulla päästään tutkimaan evoluutioon liittyviä prosesseja aina DNA tasolla asti. Sen sijaan, että kysyttäisiin tapahtuuko evoluutiota?, voidaankin jo keskittyä paljon mielenkiintoisempiin kysymyksiin, kuten mihin suuntaan evoluutio on tietyn lajin tai tietyn ominaisuuden kohdalla kulkenut ja mitkä tekijät ovat saaneet aikaan tämän kehityksen? Ja onko lajilla potentiaalia kehittyä edelleen ja vastata muuttuviin valintapaineisiin? Evoluutiotutkimus on tieteenala, joka vaatii yhteistyötä. Tarvitaan ekologeja, populaatiogeneetiikkoja, molekyyligeneetikkoja ja molekyylibiologeja. Ala on niin laaja, että yksi henkilö ei voi olla spesialisti kaikilla sen osa-alueilla. Mutta juuri tässä piilee evoluutiotutkimuksen viehätys. Ongelmat, ideat ja työkalut eivät koskaan pääse loppumaan ja keskustelut vähän vieraamman alan tutkijan kanssa voivat antaa sysäyksen hyvinkin uudenlaisiin tutkimuksiin. Jyväskylä on tässä suhteessa hyvä paikka evoluutiotutkijalle. Täällä tehdään korkeatasoista tutkimusta sekä ekologian että solu- ja molekyylibiologian puolella, ja näiden tieteiden väliin on hyvä asettua. Ryhmämme tekee myös yhteistyötä EU:n rahoittamassa tutkijakoulutusverkostossa, jossa eri laboratorioista löytyy tieto-taitoa evoluutiotutkimuksen eri aloilta. Useimpien maiden yliopistoissa genetiikka on sijoitettu lääketieteelliseen tiedekuntaan eikä luonnontieteelliseen niinkuin

2 Suomessa. Suomalainen systeemi on mielestäni hyvä, sillä biologi-geneetikon on tunnettava luontoa monella tasolla pystyäkseen suunnittelemaan tutkimuksensa kunnolla. Tutkimuskohteeni on Käyttäytymismallien evoluutio ja niiden merkitys lajiutumisessa. Tutkimuksia olen tehnyt lähinnä Drosophila sukuun kuuluvilla lajeilla mahlakärpäsillä, endeemisillä eli kotoperäisillä lajeilla Havaijilla ja Australiassa ja laajemmalle levinneillä lajeilla Oulussa ja nyt täällä Jyväskylässä. Miksi sitten olemme työryhmässämme päätyneet kärpästen tutkijoiksi? Kärpäsillä on hyvin monimutkaiset kosintamenot, joihin kuuluu tansseja, siipien väristyksestä syntyviä monimutkaisia äänisignaaleja eli kosintalauluja ja hajuaineita. Nämä kosintamenot vetävät hyvin vertoja esim. lintujen kosintamenoille, mutta käyttäytyminen on vielä tiukemmin geneettisesti säädeltyä, mikä helpottaa geneettisten tutkimusten tekoa. Kärpäsiä on helppo kasvattaa laboratoriossa, jossa niiden käyttäytymistä voidaan tutkia monenlaisin menetelmin kontrolloiduissa olosuhteissa. Voimme esimerkiksi analysoida koiraiden kosinnan aikana siivillään tuottamia kosintalauluja, ja tutkia naaraiden mieltymyksiä laulun eri ominaisuuksia kohtaan soittamalla niille eri tavoin muunneltuja lauluja. Koiraiden laulun ja naaraiden lauluun kohdistamien mieltymysten geneeettisen taustan tutkiminen auttaa ymmärtämään kuinka tällaisten molempia sukupuolia koskevien käyttäytymispiirteiden yhteisevoluutio on tapahtunut. Kärpästen käyttäytymistä voi tutkia myös luonnossa, jolloin vältytään keinotekoisten olosuhteiden aiheuttamilta virhetulkinnoilta Drosophilaleja löytyy maapallolta yli tuhat. Saman lajin maantieteellisesti erillään olevia populaatioita tutkimalla voidaan saada tietoa lajiutumisen ensiaskelista. Kärpäslinjojen välillä voi myös suorittaa sekä lajien sisäisiä että lajien välisiä risteytyksiä käyttäytymispiirteiden geneettisen taustan tutkimiseksi. Drosophila melanogasterin koko genomi on sekvensoitu ja geenipankista löytyviä tietoja voi käyttää hyväksi myös lähisukuisten lajien tutkimisessa. Kun genomi on hyvin tunnettu, voidaan ryhtyä myös tutkimaan eri ominaisuuksiin vaikuttavien geenien toimintaa. Toisaalta voidaan tutkia geenien välistä vuorovaikutusta ja hierarkiaa, toisaalta taas sitä minkälaisiin kudoksiin tutkittujen geenien toiminta

3 kohdistuu, mitä tapahtuu kun geeni kytketään pois päältä tai miten geeni toimii vieraalla lajilla eli vieraassa geeniympäristössä. Mahlakärpäset ovat olleet (herneiden ohella) geneettisen tutkimukset uranuurtajia. Thomas Hunt Morgan aloitti kärpästutkimukset jo 1900-luvun alkupuolella ja hänen laboratorioonsa (fly room) kertyi sen ajan geneetikkojen parhaimmisto. Morganin kärpäshuoneessa kehitettiin esimerkiksi geenien- paikannustekniikka, joka on ollut perustana ihmisenkin kromosomikarttoja tehtäessä. Kärpästutkimus antaa siis tietoa, jota voi soveltaa vaikeammin tutkittaviin eläinlajeihin. Samoja menetelmiä, joita käytämme kärpästutkimuksissa, voi käyttää myös muilla lajeilla. DNA tason tutkimus on tästä hyvä esimerkki. Kunhan organismista saadaan eristettyä DNA:ta, niin siitä eteenpäin tutkimusta voidaan tehdä melko lailla yhteisten reseptien mukaan. Yksi evoluutiogenetiikan keskeisiä kysymyksiä on kuinka paljon luonnossa on genoja fenotyyppistä muuntelua saman lajin populaatioiden välillä ja kuinka populaatiot ovat adaptoituneet elämään erilaisissa olosuhteissa. Genotyyppistä muuntelua voidaan tutkia tuman geenien (geenisekvenssit, mikrosatelliitit) tai mitokondriodna:n avulla. Sen määrä kertoo onko lajilla tai sen tietyllä populaatiolla kylliksi muuntelua, jotta se voisi reagoida muuttuviin valintapaineisiin ja selvitä uusissa olosuhteissa. Sitä tutkimalla voidaan myös selvittää mikä on lajin geneettisesti muuntelevin kantapopulaatio ja kuinka paljon populaatioiden välillä tapahtuu migraatiota. Fenotyyppinen muuntelu taas tarkoittaa eri populaatioista peräisin olevien yksilöiden morfologista muuntelua tai eroja käyttäytymisessä ja elintavoissa. Geno- ja fenotyyppisen muuntelun vertaaminen antaa tietoa siitä miten populaatioiden erilaistuminen on tapahtunut. Onko se tapahtunut sattuman vaikutuksesta, vai onko luonnonvalinta tai jopa seksuaalinen valinta voinut saada aikaan lajien morfologisten tai käyttäytymispiirteiden eriytymisen. Tällaisista tiedoista on hyvin paljon hyötyä esim. luonnonsuojelussa. Kun tiedetään jotain lajien populaatiorakenteesta ja levinneisyyshistoriasta sekä eri populaatioiden kyvystä selviytyä muuttuvissa olosuhteissa, voidaan lajin suojelemiseksi tarkoitetut toimenpiteet mitoittaa oikein ja suunnata ne oikeisiin populaatioihin.

4 Lajien sisällä tapahtuvaa pienin askelin etenevää evoluutiota on melko helppo ymmärtää. Suuret lajiutumistapahtumat, kuten eliöiden nousu merestä maalle ja maalta ilmaan, sen sijaan herättävät yhä ihmetystä. Lajille voi syntyä uusia ominaisuuksia, jotka auttavat sitä valtaamaan aivan uudenlaisia ekolokeroita (esim. selkärankaisilla keuhkojen tai jalkojen kehittyminen ja linnuilla siipien kehittyminen). Joissakin tapauksissa muutos yhdessä tärkeässä säätelijägeenissä voi saada aikaan huomattavan morfologisen muutoksen. Yleensä kuitenkin tällaiset muutokset vaativat sarjan toisiaan tukevia mutaatiota ja geenien uudelleenjärjestäytymistä, minkä tuloksena lopulta syntyy yhdistelmä - uusi laji - jolle uuden vyöhykkeen valtaaminen suo mahdollisuuden edelleen tapahtuvaan lajiutumiseen. Ennen lajien määrittäminen oli kohtuullisen yksinkertaista: lajin muodosti ryhmä populaatioita, jotka eivät risteytyneet muiden ryhmien kanssa. Toisaalta laji voitiin määritellä jonkun silmiinpistävän morfologisen ominaisuuden perusteella. Tiedon lisääntyessä ja monien lajimääritysten osoittauduttua virheellisiksi systemaatikkojen ja evoluutiotutkijoiden tuntuu olevan vaikea löytää yhteistä lajin määritelmää. Systemaatikot perustavat lajin määrittelyn paljolti tunnistettavissa olevien piirteiden ja olemassaolevien taksonomisten yksiköiden fylogeneettisiin sukulaisuussuhteisiin. Evoluutiotutkijat taas tutkivat lajin sisäistä muuntelua, pariutumissysteemejä ja prosesseja, jotka saavat yhden evolutiivisen linjan jakautumaan kahtia. Näiden näkemysten välistä eroa on vasta äskettäin päästy kunnolla tutkiman DNAsekvenssiaineistojen yleistyttyä ja kun on havaittu, että esi-isien ja jälkeläisten välillä on suora tutkittavissa oleva yhteys sekä populaatoiden sisällä että populaatioiden ja lajien välillä. Fylogeneettisten tutkimusten avulla voidaan selvittää paitsi biologisten yksiköiden, kuten lajien, sukulaisuussuhteita, myös sitä kuinka kaukaa niiden yhteinen esi-isä löytyy eli kuinka kauan sitten nämä yksilöt ovat eriytyneet toisistaan. Darwin haaveili aikoinaan ajasta jolloin luomakunnan eliöille voitaisiin tehdä yhteinen sukupuu. Tämä aika alkaa olla käsillä. Useita proteiini- ja ribosomirnasekvenssi-tekniikoita voidaan käyttää esim. sienien, kasvien ja eläinten sukulaisuuden tutkimiseen. Evoluutio näissä sekvensseissä on tapahtunut suhteellisen tasaista

5 vauhtia ja homologioiden löytäminen kaukaisten lajien välillä on helpompaa kuin esim. morfologisissa ominaisuuksissa. Eliökunnassa on siis lukematon määrä lajeja, jotka ovat toisilleen enemmän tai vähemmän sukua. Tällaisen kehityksen mahdollistaa joustava geneettinen säätely, jonka kehityksen on täytynyt lähteä käyntiin jo aikojen alussa. Tämä joustavuus on tärkeää, sillä maapallolla olosuhteet muuttuvat jatkuvasti ja lajien on sopeuduttava uudenlaisiin olosuhteisiin. Hankitut ominaisuudet eivät periydy, joten evoluution on tapahduttava geneettisten muutosten kautta. Syntyy paljon uusia muotoja, jotka eivät tule toimeen ympäristössään ja kuolevat sukupuuttoon jo ennenkuin ovat saavuttaneet kunnolla lajin statusta. Toisilla lajeilla taas olisi potentiaalia menestyä, mutta ne kuolevat sukupuuttoon ihmisen toiminnan tuloksena. Luonnon monimuotoisuuden säilyttäminen asettaakin ihmiskunnalle vakavan haasteen. Ihminen on osa luomakuntaa, mutta me olemme kuitenkin erikoisasemassa. Muiden lajien kohtalo, ja siinä samassa omankin lajimme tulevaisuus, on paljolti meidän käsissämme ja tässä biologisesta perustutkimuksesta saatava tieto, asenteiden ohella, on erittäin tärkeää.. Suomen tiedepolitiikka on ollut siinä hyvää, että se on antanut mahdollisuuden tehdä pitkäjänteistä tutkimusta kun vetävä tutkimussuunta on kerran löytynyt, jos vain on onnistunut löytämään työpaikan ja pysymään siinä. Mitä enemmän jotain ongelmaa tutkii, sitä syvemmälle tutkimuksissa pääsee ja sitä mielenkiintoisempia kysymyksiä voi kehitellä. Toivoisin myös nuorille tutkijoille mahdollisuuksia pitkäjänteisen työn tekemiseen. Kilpailu yliopistoissa on kovaa, ja työtovereiden välinen kilpailu voi pahimmillaan nakertaa myös ihmissuhteita. Tutkimustyö on luovaa työtä, samoin opetustyö. Tällaisen työn tekeminen antaa parhaan tuloksen innostavassa ja harmonisessa työyhteisössä ja sellaisen uskon täällä Jyväskylässä löytäneeni.