Evolution

Evolutionen går baklänges

Djur kan återgå till sina förfäders utvecklingsstadier. Hittills har forskarna trott att det var ­omöjligt, men nya genetiska analyser visar att det har skett med ödlor, grodor – och människor.

Shutterstock

Högt uppe i Anderna krälar en dräktig ödla omkring bland klipporna. Plötsligt stannar hon till och särar på bakbenen. Snart sticker ett litet huvud ut baktill, insvept i ett tunt, genomskinligt membran som mamman omedelbart sliter upp. En kvart senare far tre nyfödda ungar omkring runt henne.

Så har den lilla ödlan och dess artfränder fött ungar sedan deras förfäder för 30 miljoner år sedan tog ett stort evolutionärt kliv och började föda levande ungar i stället för att lägga ägg. Denna förändring av ödlornas biologi var så betydande att forskarna hittills har trott att det var uteslutet att de skulle kunna återgå till att lägga ägg igen.

En ny studie, utförd år 2018 av forskare från Chile och Australien, har emellertid visat att så redan har skett hos vissa ödlearter.

Berg tvingade evolutionen fram och tillbaka

Först lade de ägg, sedan födde de levande ungar och nu lägger de ägg igen. Forskarna förbluffas över sydamerikanska ödlor.

50 miljoner år sedan: Avlägsna förfäder lade ägg

Liksom de flesta andra ödlor lade förfäderna till det sydamerikanska ödlesläktet Liolaemus ägg. På den tiden hade Anderna ännu inte bildats.

30 miljoner år sedan: Berg satte i gång födslar

Anderna bildades och de nya bergen förde med sig kyla. I kölden var det bra att låta ungarna utvecklas i mammans varma mage och föda levande ungar.

20 miljoner år sedan: Lågland fick äggen att komma tillbaka

Senare vandrade vissa ödlor ner till låglandet. Där var det varmare, och då blev det återigen fördelaktigt att låta ungarna utvecklas i ägg.

Denna upptäckt har tillsammans med andra nya studier visat att djur kan återfå egenskaper som deras förfäder förlorade för hundratals miljoner år sedan. Evolutionen hoppar alltså fram och tillbaka i betydligt högre grad än man tidigare trott. Detta fenomen märks även på vår egen kropp.

Lag förbjuder baklängesevolution

Stora evolutionära förändringar, som de sydamerikanska ödlornas övergång från att lägga ägg till att föda levande ungar, är vanliga i naturen. Ormarna har förlorat sina ben, människan har blivit av med svansen och pingvinerna kan inte längre flyga.

Nya förutsättningar kan göra egenskaper överflödiga eller mindre lämpliga, och då behöver djuren göra sig av med "det gamla". När det väl har förlorats är det borta för evigt. Så säger åtminstone Dollos lag. Enligt denna lag, som presenterades av den belgiske paleontologen Louis Dollo år 1890, kan evolutionen inte gå baklänges.

Sedan dess har denna idé dominerat evolutionsläran – och på goda grunder. Återbildning av ett förlorat drag tycks nämligen förutsätta en enormt osannolik process i vilken en rad förändrade gener måste återbildas exakt till sin tidigare form. I fallet med ödlorna tycks genförändringarna vara stora.

De flesta ödlor och ormar lägger ägg, men cirka 20 procent av arterna föder i stället levande ungar.

© shutterstock & Lotte Fredslund

Övergången från att lägga ägg till att föda levande ungar kräver omstruktureringar i födelsekanalen, kraftig förtunning av äggets skal, utveckling av en moderkaka och förändringar i immunsystemet så att mamman inte stöter bort ungen.

Dollos lag har gällt i över hundra år, inte enbart för att den framstår som fullt rimlig. Hittills har forskarna helt enkelt inte haft de verktyg som krävs för att vederlägga lagen. Men avancerade algoritmer och nya metoder för avläsning av dna gör det nu möjligt att skapa detaljerade bilder av miljontals år av evolution. Därmed kan vi även avslöja några av evolutionens största hemligheter.

Algoritmer spolar tillbaka tiden

Stamträd är nyckeln till både djurens och vårt eget förflutna. Ett stamträd kan exempelvis säga oss att människans närmaste och mest avlägsna släktingar bland däggdjuren har päls. Därför måste vi själva härstamma från djur med päls.

På samma sätt kunde en grupp australiska och chilenska forskare år 2018 för första gången visa att flera grupper av äggläggande ödlor från Sydamerika härstammar från förfäder som födde levande ungar. Under sin utvecklingshistoria har med andra ord de sydamerikanska ödlorna tagit steget från att lägga ägg till att föda levande ungar för att sedan återgå till att lägga ägg igen.

Denna förvånande slutsats bygger på att de äggläggande ödlorna på stamträdet är omgivna av ödlor som föder levande ungar.

4 500 meter över havet – så högt lever vissa ­sydamerikanska ödlearter.

Metoden verkar enkel men tills nyligen hade denna studie inte varit möjlig. För att få fram ett stamträd måste forskarna skaffa sig en överblick över alla de sätt på vilka dess arter kan vara besläktade.

Fyra arter ger 15 tänkbara varianter av stamträdet. Sedan måste forskarna räkna ut vilken som är mest trolig, exempelvis utifrån djurens gener. Om det rör sig om tio arter kan de vara besläktade på 34 miljoner sätt, vilket gör det väldigt svårt att hitta det mest troliga stamträdet.

Studien av de sydamerikanska ödlorna omfattar gener från 258 arter. För bara några år sedan hade kartläggning av dna från så många arter utgjort ett närmast oöverstigligt hinder, men nu möjliggörs den av nya, billiga metoder för dna-sekvensering.

Analysen av arternas släktskap kräver så mycket datorkraft att vi först nyligen har börjat kunna hänga med. Totalt gick forskarnas algoritmer igenom 500 miljoner tänkbara stamträd, en process som kan ta flera veckor, för att komma fram till det mest sannolika stamträdet.

Insekt återskapar förlorade vingar

Vandrande pinnar var vinglösa i över 50 miljoner år men lyckades plötsligt lätta från marken igen.

För cirka 95 miljoner år sedan förlorade alla vandrande pinnar sina vingar. Det är slutsatsen sedan en grupp amerikanska och tyska forskare kartlagt dessa växtliknande insekters stamträd. Ändå har 40 procent av dagens vandrande pinnar vingar. Stamträdet visar att det stora antalet bevingade arter kan förklaras med att inte mindre än fyra grupper av vandrande pinnar, oberoende av varandra, har fått tillbaka sina vingar – för första gången för cirka 40 miljoner år sedan. Vingarna hos vandrande pinnar påminner om dem hos ndra insekter så forskarna är övertygade om att de använder samma gener för att bilda dem. Trots att djuren har varit vinglösa i drygt 50 miljoner år har generna har förblivit intakta. Anledningen till det är troligen att generna även spelar en viktig roll i bildningen av insekternas ben.

Förutom med generna från ödlorna matade forskarna sina algoritmer med information om fossil från utdöda ödlearter och om i vilken miljö dessa levde. På så sätt kunde forskarna visa att den första övergången från äggläggning till födsel av levande ungar sannolikt ägde rum när Anderna bildades för 30 miljoner år sedan.

De nya bergen förde ödlorna till högre höjder, vilket innebar att luften där de vistades blev kallare. Kyla är livsfarligt för ett foster som utvecklas i ett ägg utanför mammans kropp, och därför började ödlorna behålla fostren i magen tills det var färdigutvecklat.

Äggskalen ersattes av ett tunt membran och ungarna var livsdugliga när de föddes. Senare flyttade vissa ödlor ner i det varmare låglandet vid bergens fot och då blev det återigen varmt nog för äggläggning.

Ödlorna är bara det senaste exemplet på djur som bryter mot Dollos lag. Efter hand som tekniken förbättras har forskarna hittat allt fler. En studie från år 2011 visade exempelvis att en enda av jordens drygt 6 000 grodarter har utvecklat tänder i underkäken, ett drag som grodornas förfader förlorade för minst 225 miljoner år sedan.

Groda kopierade tänderna i överkäken

För mellan 330 och 230 miljoner år sedan förlorade grodorna sina tänder i underkäken. För fem miljoner år sedan fick en art tillbaka dem igen.

1. Signalsubstanser sätter i gång tandbildningen

Under en grodas fosterutveckling aktiveras en rad olika gener i munnen. Då bildas signalsubstanser (blå prickar) som får ett lager av celler att bilda en så kallad tandknopp (rosa Y). Hos de allra flesta grodarter aktiveras inte generna i underkäken.

2. Aktiva gener både uppe och nere

Hos en enda grodart, sydamerikanska Gastrotheca guentheri, tycks tandgenerna aktiveras i både över- och underkäken. Signalsubstanser ser därmed till att tandbildningen sätts i gång i de båda käkarna.

3. Groda får urgammal ­uppsättning tänder

Grodan Gastrotheca guentheri har slutligen utvecklat en full uppsättning tänder i både över- och underkäken. Tänderna i underkäken bildas troligen på samma sätt som de gjorde hos en avlägsen förfader till grodorna för minst 230 miljoner år sedan.

Även vi människor tycks ha brutit mot Dollos lag. För 89 miljoner år sedan smälte två muskler i övre delen av ryggen hos våra avlägsna, musliknande förfäder samman till en, men för ett par miljoner år sedan gick den evolutionära utvecklingen baklänges så att muskeln återigen delades upp i två.

De flesta generna överlever

De många brotten mot Dollos lag har tvingat forskarna att omvärdera hur evolutionen går till. Föreställningen att generna för ett visst drag försvinner har ersatts av en teori om att generna i många fall förblir intakta och bara försätts i ett inaktivt tillstånd. Och så länge generna är intakta kan det förlorade draget återskapas.

Du har urgamla muskler i ryggen

Två så kallade rombformade muskler i ryggen har delats efter att ha varit endast en muskel i över 85 miljoner år.

95 miljoner år sedan: Förfader hade två muskler

Under den geologiska epoken krita hade vår gemensamma förfader med gnagarna två muskler, rhomboideus minor och rhomboideus major, som gick från skulderbladet till ryggraden. Gnagarna har behållit detta drag sedan dess.

89 miljoner år sedan: Två muskler blev en

För 89 miljoner år sedan växte de båda musklerna ihop till en hos apornas förfader. De allra flesta apor, bland andra vår närmaste släkting schimpansen, har ärvt denna hopsmälta muskel längst upp i ryggen.

2,4 miljoner år sedan: Musklerna delades igen

För cirka 2,4 miljoner år sedan delades de två musklerna återigen hos människans förfader. Forskarna vet ännu inte varför, men något liknande har även inträffat bland babianer och silkesapor.

Forskarna har bland annat hittat ett exempel på detta fenomen hos höns. Fåglarna förlorade sina tänder för över 60 miljoner år sedan, men de flesta tandbildande gener är fortfarande funktionella. Genom att manipulera en enda gen kan forskarna aktivera dessa gener och på så sätt få höns att utveckla tänder.

Anledningen till att fåglarnas tandgener har överlevt trots förlusten av tänder är troligen att generna även har andra funktioner i fåglarnas kropp. De allra flesta gener är involverade i mer än bara en process och fyller funktioner i flera olika typer av vävnader.

Fåglarnas tandgener spelar följaktligen fortfarande en viktig roll för exempelvis fjädrarna, trots att de har blivit inaktiva i just munnen.

Enkel övergång till födsel

Förändringar i genernas aktivitet, snarare än förändringar i själva generna, tycks också ligga bakom ödlornas övergång mellan födsel och äggläggning.

Tidigare i år undersökte en internationell forskargrupp två nära besläktade kinesiska ödlearter som lägger ägg respektive föder ungar. Forskarna identifierade vilka gener som ligger bakom de två typerna av födslar och studerade dem noga. Förvånande nog tyder resultaten på att en övergång från äggläggning till födsel inte är någon större omställning rent genetiskt.

Evolution

Nogle arter af tudsehoved-agamer føder levende unger, mens andre lægger æg – på trods af, at de forskellige arter er forholdsvis ens genetisk set.

© Antoshin Konstantin

Skillnaderna mellan de båda arterna ligger främst i genernas aktivitet. Generna som ligger bakom äggets skal finns exempelvis även hos ödlor som föder ungar, men uttrycks i betydligt lägre grad. Eftersom generna faktiskt finns kvar är steget tillbaka till äggläggning inte så stort som man trott.

Denna slutsats underbyggs av att övergången från födsel till äggläggning även har skett hos vissa ormar.

De flesta boaormar har gått bort från att lägga ägg och föder nu levande ungar, men för arten Eryx jayakari har den näringsfattiga miljön i öknen där den lever gjort att ormen återgått till att lägga ägg. Det visar en stor studie som gjorts vid Yale University i USA, i vilken forskarna kartlade ett stamträd med 41 arter av boaormar.

En annan kräldjursart ger en ännu mer direkt bild av övergången mellan äggläggning och födsel. Den australiska ödlan Saiphos equalis ligger mitt emellan de båda strategierna. Vid kusten lägger ödlan ägg och i bergen föder den levande ungar. Att en enda art kan uppvisa så stora skillnader talar för att evolutionen kan ta enorma steg utan några större genförändringar.

Djur och människor behåller de genetiska redskap som behövs för att dels utföra sedan länge bortglömda uppgifter, dels skapa kroppsdelar som försvunnit. Det märks tydligt under fosterutvecklingen. I ett tidigt skede av fosterstadiet utvecklar exempel valar och delfiner, som båda härstammar från ett fyrbent landdjur, små bakben. I de flesta fall försvinner bakbenen före födseln, men det finns undantag.

Gamla drag framträder hos foster

Hos människor kan en svans anas i fosterutvecklingens sjätte vecka. Den brukar försvinna, men även här finns undantag. Det händer faktiskt att barn föds med svans, och forskarna diskuterar fortfarande hur det kommer sig.

Mutationer skapar svansar och tänder

Människor med svans, höns med tänder och delfiner med bakben – gamla, förlorade drag återuppstår hos vissa individer efter att ha varit borta i miljontals år. Detta fenomen, så kallad atavism, möjliggörs av det faktum att de bakomliggande generna aldrig har försvunnit.

  • Människor föds med svans

    I fosterutvecklingens fjärde vecka bildar människofoster en svans men den bryts ned mellan sjätte och åttonde veckan. Det finns dock undantag. På senare tid har minst 40 människor fötts med svans. Svansen avlägsnas normalt vid födseln, men i Indien behöll en pojke sin i 18 år. Den blev 18 centimeter lång.

  • Kycklingar bildar ­krokodiltänder

    Forskarna har i årtionden känt till en mutation, talpid2, som dödar kycklingfoster hos höns innan de kläcks. Den får dem emellertid också att bilda tänder i käkarna. De små tänderna, som är konformiga, påminner i stor utsträckning om dem hos fåglarnas närmaste nu levande släktingar: Krokodilerna.

  • Delfin får en extra ­uppsättning fenor

    Delfiner har normalt bara en uppsättning fenor, som har utvecklats från deras fyrbenta förfäders framben. Förmågan att bilda bakben har försvunnit sedan länge, men en ovanlig delfin som fångades utanför Japans kust år 2006 hade en extra uppsättning fenor. Den ovanliga delfinen hade troligen återfått sina förfäders förmåga att bilda bakben.

Även gälar – ett ännu äldre drag – framträder hos människofoster, trots att våra förfäder förlorade sina gälar för över 350 miljoner år sedan. Det faktum att gamla drag lever vidare innebär intressanta möjligheter för djurens framtida utveckling.

Dinosaurierna återvänder

På senare år har forskarna försökt ta reda på vad som krävs för att spola tillbaka djurens evolution, för vissa i en önskan att kunna återskapa sedan länge utdöda arter, exempelvis mammutar och dinosaurier.

Flera av dessa förändringar kan dock visa sig vara så okomplicerade att de kan ske på naturlig väg, helt utan vår hjälp, precis som med de äggläggande ödlorna och grodan med tänder i underkäken.

Evolution
© Courtesy of Dr. Mark Wilkinson. © Trustees of the Natural History Museum, London.

Sedan fåglarna utvecklades från dinosaurierna har de förändrats mycket. Bland annat har de förlorat sina tänder. En liten justering av två geners aktivitet kan dock ändra på det. Forskarna känner till en naturlig mutation som kan ge fåglarna tänder igen. Mutationen är dock dödlig så fostren hinner inte kläckas.

I framtiden kan kanske en annan, oskadlig mutation resultera i en fågel med tänder. I laboratoriemiljö har forskarna även upptäckt små justeringar som kan ge fåglar ben och kranier som påminner mycket om dem hos besläktade dinosaurier, exempelvis Velociraptor. Fåglarna har alltså flera möjligheter att ta ett eller ett par steg tillbaka mot sina avlägsna förfäder.

Den sydamerikanska fågeln hoatzinen har nog redan tagit ett sådant steg. De flesta fåglar har inga eller bara små klor på vingarna, men hoatzinungarnas klor påminner om dem hos fåglarnas förfäder. Forskarna tror att hoatzinen under sin utveckling förlorade klorna men att den sedan återfick dem ­eftersom det blev fördelaktigt för ungarna att kunna klättra i träd.

VIDEO: Forskare vill återskapa urtidens dinosaurier

Läs också:

Evolution

Jungfrufödsel hos fisk förvånar forskare

2 minuter
Plesiosaurus
Dinosaurier

Svanödlor födde levande ungar

1 minut
Evolution

Forskare skriver om livets historia

3 minuter

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!