Det har gått 150 år sedan Charles Darwin offentliggjorde sin teori om arternas uppkomst. Forskningen har sedan dess gjort jättekliv och evolutionsteorin har blivit en hörnsten i den biologiska vetenskapen.

Men många frågor om livets utveckling är fortfarande obesvarade, och nya uppstår hela tiden.

I den femte och sista artikeln med anledning av Darwin-jubileet 2009 ger vi några exempel på hur dagens forskare använder eller utvecklar teorin om evolutionen på nya sätt.

Fortplantning på blodigt allvar

Om du trodde att naturen handlar om harmoni och balans – glöm det. Fortplantning kan vara en kamp på liv och död, eller åtminstone en blodig kapprustning.

Arter kan konkurrera med varandra, men sällan i direkt konflikt. Könen inom samma art, däremot, kan befinna sig i ett ständigt krig.

Professor Göran Arnqvist i Uppsala är en världsauktoritet på det som kallas sexuella konflikter, en företeelse som är ett etablerat begrepp inom biologin. Den senast publicerade forskningsrapporten handlar om fröbaggar, en art av insekter där hanarnas parningsorgan liknar spikklubbor. Vapen som gör fortplantningen framgångsrik, men som samtidigt skadar honorna.

– Det är första gången som vi verkligen kunnat visa att ett sådant här destruktivt beteende faktiskt är en evolutionär anpassning, säger Göran Arnqvist. De här organen med sina taggar och hullingar är verkligt skadliga, och vi kunde se att det var de längsta organen som gav bäst parningsresultat för hanarna. Samtidigt var det de som skadade honorna värst.

Göran Arnqvist tycker att det här är ett bra exempel på hur evolutionen inte gör att allt blir bättre och mer harmoniskt anpassat. Tvärtom kan det dra iväg i skadliga riktningar.

– Sådana här tendenser kan inverka negativt på hela artens livskraft, säger han. Hittills har vi inte sett någon art som verkligen har dött ut genom att den utvecklat sådana här destruktiva drag. Men det finns exempel på att parningen kan medföra en väldigt stor kostnad för honan, men ge en stark fördel för hanarna. Ju starkare den sexuella konkurrensen är mellan hanarna, desto större tryck och större skador kan det bli för honorna. Det har vi också sett hos fröbaggarna, säger Göran Arnqvist.

Ett extremt exempel på en sexuell konflikt är sexuell kannibalism, där den ena partnern äter den andra i samband med parningen – ett beteende känt från spindeln svarta änkan och bönsyrsan.         

– Det där är inte helt förklarat ännu, säger Göran Arnqvist. Förr brukade man se det som en form av föräldrainvestering. Hanen erbjöd sin kropp för att ge honan kraft att föda upp den gemensamma avkomman. Men det kan inte stämma. Till exempel är det många hanar som faktiskt försöker komma undan. Och dessutom är det vanligare att honan äter upp hanen före parningen, och sedan parar sig med någon annan. 

Men annars är de flesta av de våldsamma sexuella beteenden som man ser i naturen begripliga resultat av de lagar som styr evolutionen, säger Göran Arnqvist.  

– Jag brukar säga att jag sysslar med extrema system, företeelser som verkar gå emot sunt förnuft och logik. Men det spännande är att de faktiskt kan förklaras med hjälp av evolutionens principer. Ett bra exempel är det som kallas infanticid, när en hane dödar den avkomma som en hona fått med en annan hane, innan han själv ska befrukta henne, säger Göran Arnqvist.

– Så gör en lejonhane som ska ta över en ny flock. Men samma beteende finns också hos en grupp av spindlar. Det är en enorm kostnad för honorna att få sin avkomma utplånad. Men det finns en evolutionär logik i det. Det handlar om att föra sina gener vidare. Och just därför kan samma beteende uppstå hos två helt skilda arter helt oberoende av varandra.

Foto Johanna Rönn

Bakterier ändrar kön på sina värddjur med stulna gener

Bakterien Wolbachia har själv inget kön, men den föredrar honor. När den infekterat ett djur ser den till att det föds mest honor. Orsaken är att bakterien sprids via äggen, och ju fler honor, desto fler ägg läggs, och desto snabbare sprider sig därmed bakterierna. Och enligt evolutionens statistiska logik så kommer det beteendet därför att bli allt vanligare.

Wolbachia skapar ett överskott på honor genom att tränga in i äggen, förändra blivande hanar till honor, eller genom att helt enkelt döda de embryon som ska bli hanar.

Lyckligtvis angriper bakterien bara insekter och leddjur, och det mest effektiva sättet att sprida sig genom en grupp flugor eller spindlar är att göra infekterade hanar oförmögna att befrukta friska honor. Det gör att bara infekterade honor kan föröka sig.

Hur Wolbachia bär sig åt för att åstadkomma de här radikala förändringarna hos sina värddjur det vet man inte. Men en tydlig ledtråd finns i bakteriernas gener, som har kartlagts i Uppsala av Siv Anderssons forskargrupp. De analyserade genuppsättningen hos en form av Wolbachia som angriper en släkting till bananflugan.

Det visade sig att bakterierna har en rad gener som är sällsynta hos andra bakterier, men som är vanliga hos insekter. Forskarna antar att bakterien har stulit de här generna från sina värddjur, och nu använder de stulna generna för att manipulera dem.

Det är vanlig evolutionär mekanism att parasiter, som bakterier och andra, kan påverka utveckling och beteende hos sina värdar på det sätt som Wolbachia gör (se AoV 4/2009).

Men för att klara av det behöver parasiten använda signalsubstanser eller enzym som är mycket lika originalet, alltså de ämnen som värddjuret självt tillverkar i sina celler. Och vad kunde vara effektivare än att stjäla värddjurets gener, som ju är själva receptet för hur man tillverkar de aktiva ämnena?

Det är åtminstone så man tänker sig bakgrunden till varför Wolbachia har en sådan egenartad genuppsättning.

Hur bakterien lyckats med bedriften att stjäla insekternas gener är fortfarande höljt i dunkel. En misstanke är att det skett via virus, som vandrat mellan organismerna. För det är nämligen så som Wolbachia-bakterierna ständigt byter gener med varandra, berättar Siv Andersson.

– Det är en annan av de upptäckter vi gjorde, att de byter gener i så stor utsträckning hela tiden. Det gör att bakteriernas arvsmassa är en mosaik av gener med en enorm variation.

Utforskningen av bakteriernas DNA är en del av ett större europeiskt projekt som på sikt kan leda till nya bekämpningsmedel mot vissa skadeinsekter med hjälp av bakterier. Bland annat finns det ett stort intresse i Grekland att hitta ett effektivt sätt att stoppa angrepp på olivodlingar.

Siv Anderssons grupp jobbar vidare med att titta på hur bakteriernas DNA förändras med tiden.

– Nu låter vi flugor bli infekterade med några olika undergrupper av Wolbachia-bakterier och ser vad som händer med bakterierna på tio år. Då ser vi hur mycket genetiskt material som flyttar mellan dem och flugorna. Det är en studie av evolution i realtid.

Den genetiska koden är bara början – nu kommer epigenetiken

Likadana gener betyder inte att djur eller växter blir exakt lika. Det har visat sig att vi har mycket gemensamt genetiskt med både schimpanser och grisar, men skillnaderna i utseende är slående.

Varje cell i kroppen har exakt samma DNA. Men de blir ändå helt olika. Nervceller skiljer sig radikalt från leverceller eller hudceller. Det beror på att generna i sin tur regleras inifrån cellen så att var och en av celltyperna bara använder en bråkdel av alla tusentals gener. Och det som bestämmer vilka gener som varje cell ska använda för att bli vad den bör bli – det är epigenetiken, det som ligger bortom eller ovanför generna. Det har kallats för cellens minne, den del av arvet som inte sitter i generna, och som kan ändras mellan generationerna utan att generna förändras.

Man kan likna genuppsättningen vid en symfoniorkester. Alla spelar inte samtidigt. För att det ska bli musik måste alla följa ett noga uppgjort schema.

Det är de epigenetiska signalerna som talar om för en gen när den ska spela i orkestern.

För att förstå hur epigenetiken fungerar måste man titta på hur molekylerna med våra arvsanlag knycklas ihop i cellerna. Allt DNA i en enda cellkärna blir en tråd på nära två meter om man skulle dra ut den. För att få plats i den lilla kärnan ligger varje cells arvsanlag hoprullat på 30 miljoner små rullar. Det säger sig självt att det blir trångt när allt ska packas samman.

De små trådrullarna är uppbyggda av ett slags proteiner som kallas histoner. Och histonerna kan bära på markörer, kemiska signaler som styr genernas arbete. De här signalerna kan också sitta direkt på DNA-tråden. Signalerna kan stänga av eller sätta på aktiviteten i en gen. De utgör alltså noterna som orkestern spelar efter, för att fortsätta den musikaliska liknelsen.

Sveriges ledande epigenetikforskare heter Rolf Ohlsson och arbetar idag på Karolinska Institutet. Hans grupp har visat hur själva formen och den tredimensionella strukturen hos den spiralvridna DNA-molekylen påverkar vilka gener som ska vara aktiva. En av deras mest uppmärksammade upptäckter är att generna på helt olika kromosomer kan ha stort inflytande på varandra när de ligger hopträngda i cellkärnan. En enda liten gensekvens hos en mus styrde regleringen av gener på flera hundra andra ställen på helt andra kromosomer. Och dessutom kunde den här styrningen omprogrammeras genom att man ändrade på de epigenetiska signalerna hos histonerna. Samma gener, men med olika effekt på individen beroende på hur de ”spelas”.

Att förstå ”den epigenetiska koden” är ett intensivt forskningsområde över hela världen just nu. Mycket pekar på att man kan hitta orsaken bakom många sjukdomar i epigenetiska förändringar. Men också förklaringar till hur evolutionen har gått till.

Det har bland annat skett genom så kallad genomisk prägling. Det betyder att bara den ena förälderns gen på samma plats har fått utrymme att verka. Den andra tystas av epigenetiska signaler.  

Rolf Ohlsson tror att det är en sådan epigenetisk styrning som ligger bakom hjärnbarkens påtagliga tillväxt hos däggdjuren.

Därför har djur personligheter

Det är inte bara våra hundar och katter som har sina helt egna personligheter. Fenomenet är väl dokumenterat från stora delar djurvärlden. Om man med personlighet menar en uppsättning egenskaper, eller ett sätt att bemöta omvärlden som håller sig stabilt under livet, då kan man hitta personligheter hos möss, spindlar och till och med bläckfiskar.

Till exempel kommer en talgoxe som är noggrann med att utforska nya okända platser fortsätta att vara noggrann även senare i livet. Samma talgoxe kommer också att vara mindre aggressiv än de fåglar som är snabbare och slarvigare när de undersöker nya miljöer. Det här är exempel på två skilda personlighetskomplex – drag som hänger samman.

Olof Leimar som är zoolog vid Stockholms Universitet har undersökt djurens personligheter ur ett evolutionsperspektiv. Frågan han ställt sig är, varför finns det skilda personligheter inom samma djurart? Borde det inte vara en bättre anpassning om alla bemötte omvärlden på samma sätt, ett sätt som är optimalt anpassat till livsmiljön?

Eller alternativt, om nu beteendet kan variera, varför är inte alla helt flexibla istället, och anpassar sig till varje situation.

Dessutom är samma kombination av personlighetsdrag – som aggressivitet och noggrannhet hos talgoxen – sammankopplade på samma sätt även hos helt andra djurarter, till exempel hos en fisk.

Förklaringen ser ut att ligga i en enda underliggande princip: om man som individ satsar på det långa eller korta perspektivet i tillvaron.

Djuren har precis som vi olika livshistorier. Några mognar sent, andra tidigare. Vissa blir lite större än andra, en del får mycket näring när de växer upp andra har det svårare. Tillsammans gör det att de inte blir exakt lika. Det gör att några satsar allt på att föröka sig nu. Andra agerar för att ha många fruktsamma säsonger framför sig.

Tillsammans med ett internationellt forskarlag har Olof Leimar arbetat fram en teoretisk modell där man såg hur de individer som såg en lång period av reproduktion blev mindre riskbenägna och noggrannare i sitt sätt att vara. De var mindre aggressiva mot artfränder, och de var försiktigare i mötet med rovdjur. De antogs helt enkelt ha mer att förlora ur ett evolutionsperspektiv.

En individ som satsade på att reproducera sig omedelbart tog större risker generellt, och utvecklade också andra drag som större aggressivitet och mindre försiktighet när rovdjur närmade sig. De blev helt enkelt lite mer vårdslösa.

En enda princip förklarade alltså de komplex av personlighetsdrag som vi ser hos djuren.

Kan det här tillämpas på människor också? Det är fortfarande en öppen fråga, säger Olof Leimar.

Källor till forskningen:

Sexuella konflikter

Current Biology: http://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(09)00617-4

Bakterier som stjäl gener

PNAS: http://www.pnas.org/content/106/14/5725.abstract?cited-by=yes&legid=pnas;106/14/5725

Epigenetik

Nature Genetics: http://www.nature.com/ng/journal/v38/n11/abs/ng1891.html

Personlighet

Nature: http://www.zoologi.su.se/research/leimar/fulltext/Wolf_etal2007.pdf