Hva er det som gj?r at to arter er forskjellige? Hvordan oppst?r arter, og hva er en underart? N?r er det riktig ? snakke om populasjoner (?befolkninger?) og ikke arter? Svarene p? slike sp?rsm?l handler om genetiske forskjeller. Hvordan har evolusjonen foreg?tt fra de enkleste tidlige organismene til dem vi finner i dag? Hva slags mekanismer ligger til grunn for den genevolusjon som har funnet sted? Slike sp?rsm?l er sentrale i evolusjonsbiologi, men ogs? n?r vi vil forst? dagens mangfold av levende vesener p? jorda, det v?re seg bakterier, planter, insekter eller pattedyr.
La oss straks g? et skritt videre - eller tilbake - og sp?rre: Hvordan s? egentlig de f?rste levende celler ut, og hvordan har arvestoffet (DNA) oppst?tt? Siden fossilene ikke gir et fullstendig bilde - fossiler inneholder jo ikke gener - er det da rett og slett umulig ? kunne si noe substansielt om de molekyl?re prosesser som har foreg?tt i l?pet av evolusjonshistorien? Svaret er heldigvis at det er mulig ? rekonstruere forutg?ende hendelser og tilstander fra den genetiske variasjon vi finner i dag. Forskeren kan her sammenliknes med en kriminaletterforsker som ut fra funnene p? ?stedet skal rekonstruere hendelsesforl?pet til forbrytelsen. Skal man rekonstruere utviklingshistorien til en art eller en populasjon, er de forskjellene man kan finne her og n? i utvalgte DNA-sekvenser (biter av arvestoff), et av de beste verkt?y.
Men dette m? ikke forenkles dit hen at studiet av arvestoffet gir oss en fiks ferdig beretning om begivenhetene i en arts utviklingshistorie. Forholdet mellom arv og milj? er h?yst komplekst, og langt fra s? enkelt som man kan f? inntrykk av gjennom medie-oppslag (jfr: ?genet for godt hum?r funnet av norske forskere?). Ikke minst gjelder dette sp?rsm?let om hva som er den drivende kraft i forandringen av genene over tid: Er det mutasjoner, alts? tilfeldige prosesser i n?ytrale gener, eller er det seleksjon, som vi kan si er milj?betinget? (1)
Cyanobakterier stjeler gener
Prekambriske fossiler av cyanobakterier - eller bl?gr?nnalger som det het f?r - forteller oss at disse organismene er mer enn 1.5 milliarder ?r gamle og at de formene som fantes i begynnelsen, synes ? likne mistenkelig p? de formene som lever p? jorda i dag. Siden bakterier formerer seg ved kloning (dvs. at en celle deler seg og gir opphav til to genetisk identiske celler), har man lenge lurt p? hvordan arter eller stammer holder seg konstante og ikke bare muterer i hytt og pine. Og kan vi egentlig snakke om arter n?r det gjelder bakterier? Paradokset er at bakteriene ser ut til ? v?re mer konstante enn hva man kunne forvente av organismer som formerer seg ved kloning. Etter min oppfatning er det ikke tilstrekkelig ? forklare at bakteriene forandrer seg s? lite ved utelukkende ? trekke fram den seleksjonen de er utsatt for. Det er faktisk ganske usannsynlig at de fossilene vi kjenner fra jordas urtid og de tilsvarende artene som lever i dag har v?rt utsatt for det samme milj?, og dermed et konstant seleksjonspress. V?r forskergruppe har unders?kt slektskapet p? gen-niv? mellom ulike stammer av cyanobakterier. H?yst overraskende viser det seg at mens noen DNA-sekvenser oppf?rer seg pent og gir oss utviklingstr?r som samsvarer med hva man skulle forvente, r?per andre sekvenser helt kaotiske slektskapsforhold mellom n?rt beslektede arter.
Ser vi n?rmere p? dette kaos, synes det for eksempel klart at (trekk pusten dypt n?, kj?re leser) et genomr?de som blant annet koder for en underenhet av det enzym som fikserer karbondioksyd i forbindelse med fotosyntesen (rbcLX), framtrer som en mosaikk av sm?biter hvor hver bit stammer fra hver sin stamme. Statistiske tester underbygger klart denne konklusjonen. V?r forklaring p? dette fenomenet er at deler av dette genet er blitt overf?rt kun mellom n?rt beslektede stammer. Den horisontale overf?ringen av gener mellom disse stammene er sannsynligvis ikke noe som bare skjedde en gang for lenge siden, den skjer kontinuerlig. Genoverf?ringen er sannsynligvis en mekanisme som kan beskytte bakteriene mot skadelige mutasjoner i et essensielt gen, og en effekt av slik genoverf?ring er at evolusjonshastigheten avtar. Genoverf?ring kan alts? bidra til ? stabilisere synlige (morfologiske) karakterer. Vi vet ikke i dag hvilke mekanismer som styrer overf?ringen av gener, men det vil vi gjerne finne ut av.
Det er ikke bare gener som stjeles i naturen. Dinoflagellatene, en gruppe alger, har stj?let en annen type alge (en haptofytt). Tyven har s? degenerert tyvgodset blant annet ved ? overf?re en del av haptofyttgenene til sin egen kjerne. Dermed er bare kloroplasten (der hvor fotosyntesen skjer) igjen.(2) Alts?: Dinoflagellatene har v?rt dyr, men er s? blitt planter ved ? stjele en alge. Ser vi p? genene som finnes i kjernen til dinoflagellatene, s? likner disse genene mest p? genene til malariaparasitten Plasmodum og dens slektninger, og ikke p? genene til andre alger. Men s? kommer det overraskende: Malariaparasitten har en tilbakedannet kloroplast; alts? en kloroplast den er i ferd med ? kvitte seg med! Med andre ord: Malariaparasitten har v?rt en plante, og er p? vei til ? bli et dyr!
For oss molekyl?rbiologer framtrer genmassen b?de hos bakterier og h?yere organismer som en ?prosess som er i kontinuerlig forandring? og ikke som en konstant enhet. Man kan v?re fristet til ? si at organismene alene, eller i fellesskap, manipulerer sine gener.
Abboren forteller oss om istiden
Ved ? studere menneskets gener, har forskerne blitt enige om at Afrika er menneskehetens vugge. Abborens vugge finnes trolig p? Balkan.
I v?r forskning har vi brukt abbor som en modellfisk for ? forst? hvordan ulike fiskeslag kan ha kolonisert Europa, og Norge spesielt, etter istiden. Her f?lger noen smakebiter p? hva vi har funnet ut ved ? sette abborens genetiske data opp mot den geografiske fordelingen vi har p? pr?vene v?re: De evolusjon?rt eldste genvariantene finnes i tilknytning til Donau/Balkan omr?det. Abbor fra dette omr?det har spredt seg til omr?dene rundt Svartehavet og Det kaspiske hav hvor populasjonen har ekspandert. Dette m? ha skjedd for mer enn 15000 ?r siden. Deretter har abbor fra Svartehavsrefugen (refuge: tilflukts-/tilholdssted) fulgt etter isens tilbaketrekning og etablert nye refuger, ett i midt-Russland og ett lenger vest, muligens i Polen. Fra midt-Russland har abboren kolonisert S?r-Norge, Finnmark og til dels Finland/Sverige. Dette skjedde tidlig, trolig under den baltiske israndsj?-perioden (15000 - 10000 ?r siden). Senere har Skandinavia, inkludert Norge p? ?stsiden av Oslofjorden, blitt kolonisert p? nytt fra Polen og Svartehavs-refugene. Dette har skjedd i Ancylussj?-perioden (9500-8000 ?r siden). Denne hendelsen er den fiskebiologene sikter til n?r det gjelder innvandring av s?kalt ?st-fisk (?hvitfisk?) til Norge. Den siste innvandringen skjedde i Vest Europa, trolig fra refugen i Polen. Her i Vest-Europa finner vi sv?rt liten genetisk variasjon. Med andre ord, vi har ved ? anvende genetikk funnet nye refuger, og vi har indikasjoner p? at abbor har innvandret i flere omganger til landet v?rt. P? bakgrunn av v?re data kan vi ogs? uten ? ha unders?kt genetikken til en abbor-befolkning, forutsi genetisk variabilitet og slektskap ut fra geografisk lokalisering. Vi mener det er all grunn til ? g? ut fra at annen fisk i stor grad har fulgt de samme ruter som abboren. Sist, men ikke minst, denne type forskning har gitt bedre innsikt i istidsforholdene i Europa. For ? sette det p? spissen: Med abboren som ‘forteller' trenger vi ikke studere en eneste bre eller morene for ? l?re om istidene.
Hva kjennetegner populasjoner hos laks og makrell?
Vi har studert genetisk variasjon ogs? hos andre fiskeslag, slik som blant annet laks. De naturlige laksebefolkningene som vi finner i store elver, skiller seg klart fra hverandre. De er med andre ord tilstrekkelig atskilte til at de differensierer genetisk. Dette er i tr?d med hva lokale fiskere alltid har hevdet: Laksen i deres elv er forskjellig fra laks i andre elver. Ser vi p? oppdrettslaksen, skiller den seg klart fra de elvene vi har unders?kt, men den har en relativt h?y genetisk variabilitet. Imidlertid er en rekke genvarianter som finnes i villaks, ikke til stede i oppdrettslaks. Hvis vi ?nsker ? bevare lokale laksestammer, er det klart at vi m? ta vare p? de genetiske s?rtrekk som finnes i dagens populasjoner.
Makrell er en frittsv?mmende fisk med stor bevegelseskapasitet og store populasjoner. V?re unders?kelser av makrellen forteller at den har en mye h?yere grad av variasjon enn b?de laks og abbor. Til tross for at vi har unders?kt et stort antall makrell, oppdager vi stadig vekk nye genetiske varianter. Det er lite som tyder p? at vi kan snakke om norske populasjoner av makrell, kanskje heller ikke nordsj?populasjoner. Det ser ut til ? v?re en slags kontinuerlig populasjon over store deler av Nord-Atlanteren. Men likevel er ikke makrellen genetisk helt lik overalt. St?rst variasjon finner vi i omr?dene rundt Spania og minst variasjon i Nordsj?en. Det er ogs? genetiske data som taler for en ganske nylig populasjonsekspansjon i Nordsj?en. I dag ser vi imidlertid en klar tilbakegang i makrellstammene som har tilknytning til Norge.
Original grunnforskning f?rer til praktiske anvendelser
Har disse ulike eksemplene p? genetisk grunnforskning noen som helst slags praktisk betydning for v?rt daglige liv? S?rlig kan man lure p? om evolusjonsbiologien til cyanobakterier eller dinoflagellater eller for den saks skyld populasjonsgenetikken til en unyttig fisk som abbor, er av noe mer enn akademisk interesse? Som den v?kne leser alt har forst?tt, er all den forskning jeg her har v?rt innom, av stor praktisk interesse. For ? ta cyanobakteriene og dinoflagellatene f?rst: Begge grupper organismer skaper store problemer n?r det er en oppblomstring i hav eller ferskvann fordi mange av artene produserer farlige giftstoffer. Noen av giftstoffene er d?delige, andre gir lettere forgiftninger slik som kvalme, oppkast og diaré;. Bl?skjellforgiftning skyldes stort sett ulike typer dinoflagellater. Kunnskapen om dinoflagellatene er for ?vrig ogs? nyttige i oljeleting. Cyanobakteriene er problematiske i forbindelse med drikkevann, s?rlig i tempererte str?k, men ogs? i Norge er det blitt sl?tt alarm mange ganger. B?de dinoflagellater og cyanobakterier kan v?re vanskelige ? diagnostisere, dvs. artsbestemme, og metodene som brukes i dag, er lite presise og tar relativt lang tid ? utf?re. Dessuten m? man ofre livet til et h?yt antall rotter og andre laboratoriedyr for ? teste giftinnholdet i vannpr?ver eller sj?mat. Har man derimot informasjon om gensekvensene til giftige alger og bakterier samt beslektede arter som ikke er giftige, kan man basert p? genene lage enkle, sikre og presise tester for giftige alger. Ved ? anvende DNA er det ogs? mulig ? automatisere hele deteksjonsprosessen slik at man kan ha apparatur st?ende ute i vannet hele tiden, og dermed f? ?on-line?-rapporter om alger. Automatisk apparatur som m?ler alger og bakterier basert p? DNA, er enn? ikke utviklet, men min forskningsgruppe har utviklet tester som p?viser bestemte cyanobakterier og dinoflagellater. Metodikken g?r ut p? f?rst ? konsentrere opp cellene ved ? binde dem til magnetiske partikler (Ugelstad-kuler), s? isolere DNAet ved hjelp av de samme kulene og deretter utf?re en gentisk test hvor sluttresultatet leses av som utsendt lys (fluorescens) som kan kvantifiseres. Denne prosessen kan utf?res for eksempel ved hjelp av en s?kalt DNA- eller bio-brikke. Vi holder p? for tiden ? utvikle tester og brikker som vi h?per skal kunne tilbys for salg. Siden dette er helt nye prosesser, har vi tatt patent p? metodikken.
Vekker oppsikt i USA
I 澳门葡京手机版app下载 med amerikanske forskningsgrupper har vi utviklet en metode for ? oppdage og identifisere den ekstremt giftige dinoflagellaten Pfiesteria piscicida. Denne arten, som angriper fisk, produserer en flyktig gift som rammer sentralnervesystemet og gir lammelser og hukommelsetap. Amerikanske myndigheter har i perioder m?ttet stenge av strandomr?der som strekker seg fra S?r-Carolina til Boston i nord. Dette koster selvsagt store summer ? gjennomf?re. Problemet med denne arten er at den er sv?rt vanskelig ? p?vise, og den forekommer alltid sammen med andre, ofte giftige (men ikke like farlige) dinoflagellater og bakterier. Metoden vi har kommet fram til, g?r ut p? ? lage en DNA-profil som beskriver den komplekse blandingen vi har av gener fra mange forskjellige arter. Fordi vi kjenner gensekvensen til Pfiesteria, kan vi sette denne til blandingen og f? en bestemt reaksjon. Dette har vakt oppsikt i USA. Liknede framgangsm?ter vil vi kunne benytte p? arter som er giftige i v?re farvann ogs?.
Avsl?ring av tjuvfiske
Hvilken praktisk betydning kan s? populasjonsgenetiske studier ha? Svaret er at de har mange praktiske anvendelser. N?r det gjelder ? ta vare p? en truet art, vil informasjon om den utviklingshistoriske geografi fortelle oss hvor vi kan vente oss st?rst genetisk variasjon eller hvor vi kan vente ? finne individer som er genetisk forskjellige. Skal man ha h?p om ? redde en truet art, vil man normalt s?ke ? opprettholde mest mulig av de genene som finnes i populasjonen eller arten. N?r det gjelder fisk av ?konomisk betydning, har vi kvotereguleringer som er fastsatt ut fra antatte populasjonsst?rrelser. Genetikken kan her gi oss vesentlig mer eksakte opplysninger om hvor stor en populasjon kan v?re, og ikke minst hvordan vi skal definere en populasjon. I Norge har vi problemer med den u?nskede fisken ?rekyte som har spredt seg til mange viktige ?rretvassdrag, nylig ogs? p? Hardangervidda. Man vet ikke hvorfor eller hvordan den har spredt seg s? kraftig i det siste. Imidlertid finnes det mange teorier om dette som blant annet omfatter sportsfiskere som har brukt ?rekyte som levende agn og at den kommer som ?forurensning? fra ?rretoppdrettsanlegg. Slike teorier kan etterpr?ves ved ? unders?ke genene til ?rekyten fra et populasjonsgenetisk synspunkt. I 澳门葡京手机版app下载 med Direktoratet for naturforvaltning, ?stlandsforskning og Norges vassdrags- og energiverk holder vi p? med en slik unders?kelse. Resultatene fra dette er ikke helt klare enn?, og de m? jeg derfor vente med ? avsl?re til en senere anledning.
Vi kan ogs? bruke genetikken til ? identifisere hvor en fangst kommer fra (finne ut om den er lovlig eller ikke), og vi kan bruke DNA til ? teste om matvarer hvor fisk, sj?mat eller kj?tt inng?r som en ingrediens, er det det gir seg ut for ? v?re. DNA-testing vil tvinge seg fram som en n?dvendighet n?r vi framover skal teste importerte eller egenproduserte matprodukter for hvorvidt de inneholder genmodifiserte r?varer. Jeg ser for meg at det vil bli laget DNA-brikker for en rekke av de form?lene nevnt ovenfor.
Litt forskningspolitisk krutt til slutt
La meg avslutte med noen spissformuleringer omkring anvendt og basal forskning. Hvis vi bare hadde satset p? praktiske anvendelser av v?r forskning, ville det meste av den kunnskapen jeg har tatt opp her, faktisk ikke foreligget. Da ville vi heller ikke kunne utvikle de anvendelsene jeg har nevnt overnfor. Det var de mange ?nysgjerrighetsbetingede? sp?rsm?lene vi stilte innledningsvis, som ga resultater - ikke for eksempel konkrete problemer i norsk fiskeforvaltning. Dessverre er det faktisk slik at en for stor andel av anvendt forskning ikke holder m?l kvalitetsmessig, nettopp fordi den ikke er knyttet til grunnforskning. Skal vi f? praktiske resultater som blant annet lar seg kommersialisere, m? man starte med ? st?tte opp om grunnforskningen - det er der de praktiske anvendbare resultatene kommer fra. En grunnregel for bevilgende myndigheter og industri som driver forskning innenfor biogenetikk-feltet, b?r v?re at original grunnforskning av h?y kvalitet a priori gir anvendbare resultater.(3)