Evolutsiooni miks-küsimuse kõrval saab tänapäeval üha tähtsamaks evolutsiooni kuidas-küsimus. Viimasele otsib vastuseid noor teadusharu: evolutsiooniline arengubioloogia.

Tänavune aasta on tulvil tähtsaid tähtpäevi. See pole mitte üksnes Darwini sünni ja Lamarcki “Zoologilise filosoofia” (“Philosophie Zoologique”) 200. aastapäev, see on ka “Liikide tekkimise” 150. ja Kaspar Friedrich Wolffi “Kujunemise teooria” (“Theoria Generationis”) 250. aastapäev. Sajand on möödunud ka Richard Wolterecki ja Wilhelm Johannseni uuringutest, mis näitasid fenotüübilist plastilisust (s.t. organismide võimet areneda eri oludes eri moodi – toim.), ja Theodore Boveri uuringust, mis näitas kromosoomide tähtsust arengus. On tähtis aasta nii evolutsiooniteooriale kui ka evolutsioonilisele arengubioloogiale.

Evolutsiooniline arengubioloogia (ingl. evolutionary developmental biology, kõnekeeles tihti lihtsalt evo-devo) on väga noor teadusharu ning praegu üks põnevamaid bioloogia valdkondi. See uurib organismi arengut mõjutavaid pärilikke muutusi. Just säärased muutused käivitavad evolutsiooni ja on seekaudu kogu eluslooduse mitmekesisuse alus. Kuni üpris viimase ajani ei olnud seda seost organismi arengu ja evolutsiooni vahel kuigi tõsiselt käsitletud. Vastates küsimusele, kuidas kujunesid lülijalgsete kehaplaanid, kirjutavad Hughes ja Kaufman [16]:

“Vastata sellele küsimusele kirjeldusega looduslikust valiku põhimõttest on korrektne – kuid pole piisav. Jah, sajajalgse lõuad ja vähi sõrad pakuvad neile loomadele suuremat kohasust. Ent mõistatuse tuum on: millistest arengugeneetilistest muutustest on need uudsed elundid alguse saanud?”

Vajadust evo-devo järele on mõistagi rõhutatud juba pikka aega. 1935. aastal kirjutas Vene evolutsiooniteaduse rajaja, sajandivahetusel Tartu ülikooliski zooloogiat õpetanud Aleksei Severtsov: “Praegu ei ole meil, morfoloogidel (s.t. kehaehituse uurijatel – toim.), veel täit evolutsiooniteooriat. Näib, et lähitulevikus peavad ökoloogid, geneetikud ja arengubioloogid liikuma edasi, et see teooria luua.” [26]

Severtsovi arvates peab täielik evolutsiooniteooria seletama geneetika, ökoloogia ja embrüoloogia teabe abil kehaehituste erinevusi, mida on kirjeldanud paleontoloogia. Et seda saavutada, algatas ta nn. füloembrüogeneesi uuringud, selgitamaks organismide arengutrajektooride evolutsiooniliste muutuste mehhanisme [vt. 7].

Tähtsad pole mitte geenid, vaid nende regulatsioon. Evo-devo esiletõusu kuulutas ette Mary-Claire Kingi ja Alan Wilsoni palju räägitud 1975. aasta artikkel “Inimese ja šimpansi evolutsioon kahel tasandil” [18]. Artikkel näitas, et hoolimata suurtest anatoomilistest erinevustest nende kahe liigi vahel on nende DNA peaaegu identne. Kingi ja Wilsoni lahendus sellele mõistatusele järgis Richard Goldschmidti, Conrad Waddingtoni ja teiste arengubioloogide ideid: nad pakkusid välja, et evolutsiooniline muutus võib põhineda geenide regulatsiooni muutustel. Artikkel ütleb: “Šimpansi ja inimese organismi erinevus võib .. tuleneda peamiselt mõne regulatsioonisüsteemi geneetilisest muutusest, samal ajal kui aminohapete asendused (s.t. valkude ehituse muutused – toim.) on üldiselt harva suuremate kohastumuslike nihete võtmetegur.”

Teisiti öeldes: DNA muutused neis lõikudes, mis kodeerivad valgujärjestusi – ja näivad olevat üpriski samad inimesel ja šimpansil – ei mängi kuigi olulist rolli nende kahe liigi erinevuste kujundamisel. Olulised on erinevused hoopis selles, kus, kunas ja mil määral geenid avalduvad, s.t. toimima hakkavad.

François Jacobi artikkel “Evolutsioon ja kokkuklapitamine” (“Evolution and tinkering”) [17] pakkus välja uue mudeli, mis üldistab Kingi ja Wilsoni tööd, ja näitab, kuidas samad geenid võivad luua uut tüüpi kehaplaane, kui nende avaldumise mustrit organismi arengu ajal muuta.

Viimase kolmekümne aasta jooksul on saanud võimalikuks uurida geenide avaldumist ja nende järjestusi (s.t. nukleotiidipaaride järjekorda DNA ahelas – toim.) koos. Rekombinantse DNA tehnoloogia, polümeraasahela reaktsioon (polymerase chain reaction – PCR), in situ hübridisatsioon ja suure võimsusega RNA-analüüs võimaldavad meil nüüd välja selgitada geenijärjestusi ja võrrelda nende avaldumist eri liikidel. Võib öelda, et see võime on suuresti muutnud meie ettekujutust evolutsiooniprotsesside kohta.

Evolutsioonilise arengubioloogia üks põhilisi sihte praegu ongi uurida eri viise, mil moel geeniregulatsiooni muutused põhjustavad kehaehituse muutusi: uurida “kokkuklapitamise” mehhanisme.

Tähtis on, kus, kunas, mil määral ja kuidas geen toimima pannakse. Wallace Arthur [3] on geenide avaldumises eristanud nelja liiki muutusi, mille kaudu Jacobi evolutsiooniline “kokkuklapitamine” aset võib leida:

• heterotoopia: geeni avaldumise asukoha muutus kehas;

• heterokroonia: geeni avaldumise aja või kestuse muutus;

• heteromeetria: geeni avaldumise määra muutus;

• heterotüüpia: geeni toime muutus.

Nende muutuste taga on tihti muutused erilistes DNA ahela piirkondades, mida nimetatakse enhaanseriteks. Enhaanseri funktsioon on soodustada, võimendada mõne geeni avaldumist. Enhaanser võib asuda geenijärjestuses oma sihtgeenist kaugel eemal, koguni sootuks teises kromosoomis. Ent geeniahela käärude tõttu asub ta ruumiliselt sihtgeeniga ometi lähestikku. Ta suudab püüda kinni ja hoida enda küljes sihtgeeni transkriptsioonifaktorit: valku, mille toimel sihtgeen avaldub ehk toimima asub.

Eri kudedes ja eri aegadel võivad sama geeni avaldumist juhendada eri enhaanserid. Seda teades pole raske mõista, et kui mõni enhaanser muteerub, võib muutuda tema sihtgeeni avaldumise koht kehas või aeg. Loomulikult võib enhaanseri mutatsioon muuta ka seda, millisele geenile ta üldse mõjub, või mil määral, kui intensiivselt geen avaldub. Ent vaatleme muutusetüüpe ühekaupa.

Heterotoopia ehk muutus selles, mis rakkudes mingi geen avaldub, võib looduslikule valikule ette sööta tohutult mitmekesist valikumaterjali. Näiteks, tähtis erinevus pardi ja kana vahel on ujulestad pardi varvaste vahel – ilmselgelt oluline kohastumus vee-eluviisiks. Kuidas on looduslik valik need lestad saavutanud?

Selgroogsete loote varbad on arengu alguses ümbritsetud ühtse kattega. Kanadel ja enamikul muudel selgroogsetel, ka inimesel, sooritavad varbavahede rakud juba loote üpris varases arengujärgus apoptoosi: geneetiliselt ettemääratud enesetapu. See lõhub varbavahede koe ja vabastab varbad.

Apoptoosi põhjustavad geenid paneb tööle signaalvalk BMP4. Sama aine tekib ka pardi varbavahedes, kuid siin surub selle alla teine signaalvalk, Gremlin [20, 21]. Tänu sellele jääb varbavahede kude alles ning saavad areneda lestad. Gremlin’it toodetakse ka kana ja hiire loote jäsemetes, kuid siin üksnes skeletilülide ümbruses, mitte varbavahede koes. Nii jääb kanal ja hiirel kude alles vaid varbaluude ümber ja kaob varbavahedest.

Seega, pardilestad tekivad tänu Gremlin’i geeni heterotoopiale – muutusele selles, millistes rakkudes Gremlin’it tekitav geen avaldub. Tõepoolest, kui Gremlin’it süstida kanaloote varbavahede koesse, jääb varbavahede nahk alles, täpselt samamoodi nagu pardil.

Heterotoopia mõjul kujunevad ka näiteks nahkhiire tiivad [31], kilpkonna kõhukilp [5] ning linnusulg roomaja soomuse asemel [15]. Selle taga, et madudel jäsemeid ei teki, on tõenäoliselt samuti heterotoopia [6].

Heterokroonia on muutus arenguprotsesside suhtelises ajastuses. Heterokroonia näikse põhjustavat pikki varbaluid delfiini uimedes: signaalaineid varba kasvuks toodetakse kauem kui teistel imetajatel [22]. Samuti põhjustab see tohutu hulga ribide arengu mao lootel – mõnelgi liigil tekib neid sadu paare. Madude ribid lihtsalt eristuvad koe kasvukiiruse suhtes peaaegu neli korda kiiremini kui teistel roomajatel [12].

Heteromeetria on muutus geeni töö intensiivsuses – seega, geenisaaduse hulgas. Ühe parimaid heteromeetria näiteid on pakkunud kuulsad Darwini vindid, 14 lähisuguluses liiki, keda Darwin ja tema laevakaaslased püüdsid retkel Galápagose ja Kookosesaartele 1835. aastal. Need linnud aitasid Darwinil visandada hüpoteese muutlikkuse ja pärilikkuse koosmõjust liikide eristumisel ning on siiani tarvitusel kui üks parimaid näiteid adaptiivse radiatsiooni ja loodusliku valiku kohta [vt. 13, 14, 32].

Darwini vindid erinevad üksteisest eelkõige noka suuruse ja kuju poolest. Seemnetest toituvatel liikidel on suured tugevad nokad, millega saab seemnekesti lõhkuda, putuktoidulistel aga kitsad teravad nokad, millega on hea õitest ja viljadelt putukaid noppida.

On leitud, et seesama signaalvalk BMP4, mis tegutseb pardi ja kana jalgades, kujundab ka Darwini vintide nokki [25, 34, 35]. Suurenokaliste liikide loote nokas asub BMP4 nimelt tegutsema varem ja tegutseb palju intensiivsemalt kui väikesenokalistel liikidel.

Kui tehti katse, kus kana loote näokoljus võimendati BMP4 tegevust, siis kasvas kanale pikk nokk, mis meenutas Darwini seemnetoiduliste vintide nokki. Kui aga BMP4 signaalid suruti alla, kasvas kitsas ja terav nokk, justnagu putuktoidulistel vintidel [1, 34, 35]. Niisiis võib arvata, et just BMP4 geeni enhaanserite mutatsioonid on mänginud keskset rolli Darwini vintide evolutsioonis.

Heterotüüpia. Heterokroonia, heterotoopia ja heteromeetria puhul jääb geeni saadus – valk – samaks, ning muutub vaid selle sünteesimise koht, aeg või kogus. Heterotüüpia puhul aga muutub juba geeni saadus. Siinjuures võib seda saadust kodeeriv geen ise jääda samaks, ja muutuda näiteks transkriptsioonifaktor: geenile seostuv ja selle avaldumist võimaldav valk.

Näiteks miks on putukatel vaid kuus jalga? Enamikul muudel lülijalgsetel, ja ilmselt ka putukate eellastel, on neid rohkem. Kuidas sai nii kujuneda, et putukatel tekivad jalad vaid kolmel rindmikusegmendil ja tagakehal enamasti jätkeid pole?

Lülijalgsete tagarindmikus ja tagakehas tegutseb geen Ubx. See geeni toodetud valk töötab justkui lülitina paljudele teistele. Enamikus lülijalgsete rühmades ei lülita Ubx välja jalgade teket esile kutsuvat geeni Distal-less. Ent putukate liinis tekkis tekkis Ubx geeni ühte otsa mutatsioon, mille tagajärjel asus see tagakehas Distal-lessi välja lülitama [8, 23]. Nii jäidki jalad arenemata. Kui teha katse ja viia sama mutatsioon sisse näiteks kreveti Ubx-geeni, on mõju täpselt samasugune. Niisiis, putukate kuuejalgsuse põhjustas heterotüüpia, uudse toime teke geenile.

Või teine näide: mais. Kuidas kujunes maisi eellasest nüüdseks üle maailma levinud kultiveeritav toidutaim? Üks tähtsamaid muutusi oli see, et seeme vabanes tugevast kaitsvast kestast, sõklast. Siingi oli arvatavasti mängus transkriptsioonifaktori muutus. Nimelt, õie tekkel olulist transkriptsioonifaktorit TGA1 tootvas geenis tekkis mutatsioon, mille tagajärjel selles transkriptsioonifaktoris asendus vaid üks aminohape. Ent selle tagajärjel hakkas see valk kiiremini lagunema ning tundub, et just seetõttu ei jõua sõkal tekkida [30].

Heterokübernia. Hiljuti pakkusime välja nimetuse viiendale arengumuutuse tüübile, mis võib tuua kaasa uute kehaomaduste kinnistumise evolutsioonis: heterokübernia [11]. See termin märgib muutust, kus arengutee, mille varem lülitas sisse keskkonnast pärit signaal, saab geneetiliselt ettemääratuks, n.-ö. haaratakse genoomi sisse.

Säärase “geneetilise assimilatsiooni” hüpoteesi pakkusid juba aastakümneid tagasi iseseisvalt välja nii Waddington [28, 29] kui ka Schmalhausen [24], et seletada, kuidas mõned liigid on evolutsioneerunud väga kiiresti kindlates suundades. Näiteks, mõlemale teadlasele avaldasid suurt muljet nahapaksendused jaanalinnu varvaste all. Enamiku imetajate nahal on võime hakata vastu maad või mõnd muud pinda hõõrdudes tasapisi paksenema. Naharakud vastavad hõõrdumisele paljunemisega. Sel moel tekkinud nahapaksendite kohta leidub näiteid küllaga, võtkem kas või meie endi jalatallad. Ent jaanalinnu varvaste alla arenevad nahapaksendid juba enne, kui ta munast koorub. Waddington ja Schmalhausen oletasid, et kui naharakkudel juba on olemas võime paljuneda hõõrdumisest saadud märguande peale, siis on mõnel muul teguril lihtne märguandja roll üle võtta. Jaanalindudel võiski tekkida ja kinnistuda mutatsioon või alleelikombinatsioon, mis andis selle n.-ö. päästiku rolli mingi substantsile loote sees. Samalaadset geneetilist assimilatsiooni on korduvalt kinnitanud laborikatsed [vt. 9, 11, 27].

Heterokübernia võimaldab mitmeti palju kiiremaid muutusi kui klassikaline, üksnes juhuslike mutatsioonide najal n.-ö. kobamisi teed otsiv evolutsioon. Esiteks, kehaomadus, mis heterokübernia puhul muutub geneetiliselt ettemääratuks, on tegelikult juba end tõestanud, selle on looduslik valik välja kujundanud ja proovile pannud – lihtsalt siiani on seda esile kutsunud keskkonnast pärit signaal. Seevastu kui uus kohastumus valmib üksnes juhuslike mutatsioonide najal, on see tavaliselt palju põlvkondi vältav valulik protsess, sest hulk materjali läheb aia taha. Teiseks, heterokübernia puhul on selle sihiks olev kehaomadus tõenäoliselt populatsioonis juba üpris levinud. Seega ei ole heterokübernne isend liigikaaslastega võrreldes n.-ö. monstrum ning uuel genotüübil on sellevõrra lihtsam levida.

Tasub mõista, et keskkonna esile kutsutud muutused kehaehituses on üpris tihti tingitud keskkonna märguannete peale avaldunud geenide tööst ja võivad nõnda kujuneda geneetiliselt ettemääratuks palju lihtsamini, kui oleme harjunud ette kujutama. Nagu on kirjutanud West-Eberhard: “Vastupidi tavauskumusele võib keskkonna esile kutsutud uutel omadustel olla suuremgi evolutsiooniline potentsiaal kui mutatsioonidest tingitutel. Seetõttu võiks liigitekke geneetika saada geenide avaldumise uuringutest niisama palju kasu kui geenide sageduse ja geneetilise isolatsiooni uuringutest.” [33]

Niisiis, kehaehitus kujuneb evolutsioonis suuresti selle kaudu, et muutub geenide avaldumise ajastus, koht ja määr. Heterotoopia, heterokroonia ja heteromeetria puhul muutuvad enhaanserid, mis reguleerivad geenide avaldumist. Heterotüüpia võib muuta enhaanseritele seostuvat transkriptsioonifaktorit, andes niiviisi sihtgeeni valkudele uudsed omadused. Heterokübernia võib keha vastuse keskkonnale muuta geneetiliselt ettemääratud arengu osaks. Miski siin ei lähe moodsa evolutsiooniteooriaga vastuollu. Pigem täpsustavad need kontseptsioonid arusaama loodusliku valiku toimeviisidest, näidates, kuidas pisikesed geneetilised muutused võivad esile kutsuda suuri muutusi kehaehituses.

Tõlkinud ja toimetanud Juhan Javoiš

1. Abzhanov, A. et al. 2004. Bmp4 and morphological variation of beaks in Darwin’s finches. – Science 305: 1462–1465.

2. Amundson, R. 2005. The Changing Role of the Embryo in Evolutionary Thought: Structure and Synthesis. Cambridge University Press, Cambridge.

3. Arthur, W. 2004. Biased Embryos and Evolution. Cambridge University Press, Cambridge.

4. Carroll, S. B. 2008. Evo-Devo and an expanding evolutionary synthesis: A genetic theory of morphological evolution. – Cell 134: 25–36.

5. Cebra-Thomas, J. et al. 2005. How the turtle forms its shell: A paracrine hypothesis of carapace formation. – J. Exp. Zool. 304B: 158–169.

6. Cohn, M. J., Tickle, C. 1999. Developmental basis of limblessness and axial patterning in snakes. – Nature 399: 474–479.

7. Evsikov, A. V. 2000. Mechanisms of regulation of early embryogenesis. – Russ. J. Dev. Biol. 31: 128–191.

8. Galant, R.; Carroll, S. B. 2002. Evolution of a transcriptional repression domain in an insect Hox protein. – Nature 415: 910–913.

9. Gibson, G.; Hogness, D. S. 1996. Effect of polymorphism in the Drosophila regulatory gene Ultrabithorax on homeotic stability. – Science 271: 200–203.

10. Gilbert S. F. 2006. Developmental Biology. 8. ed. Sinauer Associates, Sunderland, MA.

11. Gilbert, S. F.; Epel, D. 2009. Ecological Developmental Biology: Integrating Epigenetics, Medicine, and Evolution. Sinauer Associates, Sunderland, MA.

12. Gomez, C. et al. 2008. Control of segment number in vertebrate embryos. – Nature 454: 335–338..

13. Grant, P. 1999. The Ecology and Evolution of Darwin’s Finches. Princeton University Press, Princeton, NJ.

14. Grant, P. R.; Grant, B. R. 2007. How and Why Species Multiple: The radiation of Darwin,s Finches. Princeton University Press, Princeton, NJ.

15. Harris, M. P. et al. 2002. Shh-Bmp2 signaling module and the evolutionary origin and diversification of feathers. – J. Exp. Zool. 294: 160–176.

16. Hughes, C. G.; Kaufman, T. C. 2002. Hox genes and the evolution of the arthropod body plan. – Evol. Dev. 4: 459–499.

17. Jacob, F. 1977. Evolution and tinkering. – Science 196: 1161–1166.

18. King M.-C.; Wilson A. C. 1975. Evolution at two levels in humans and chimpanzees. – Science 188: 107–116.

19. Kirschner, M. W.; Gerhart, J. C. 2005. The Plausibility of Life: Resolving Darwin's Dilemma. Norton, New York.

20. Laufer, E. et al. 1997. BMP expression in duck interdigital webbing: a reanalysis. – Science 278: 305.

21. Merino, R. et al. 1999. The BMP antagonist Gremlin regulates outgrowth, chondrogenesis and programmed cell death in the developing limb. – Development 126: 5515–5522.

22. Richardson, M. D.; Oelschläger, H. H. 2002. Time, pattern and heterochrony: A study of hyperphalangy in the dolphin embryo flipper. – Evol. Dev. 4: 435–444.

23. Ronshaugen, M. et al. 2002. Hox protein mutation and macroevolution of the insect body plan. – Nature 415: 914–917.

24. Schmalhausen, I. I. 1949. Factors of Evolution: The Theory of Stabilizing Selection. Blakiston, Philadelphia.

25. Schneider, R. A.; Helms, J. A. 2003. The cellular and molecular origins of beak morphology. – Science 299: 565–568.

26. Severtsov, A. N. 1935 Modes of Phyloembryogenesis. Tsiteeritud artiklist: Adams, M. 1980. Severtsov and Schmalhausen: Russian morphology and the evolutionary synthesis. – Mayr, E.; Provine, W. (eds.). The Evolutionary Synthesis: Perspectives on the Unification of Biology: 193–225. Cambridge University Press, NY.

27. Suzuki, Y.; Nijhout, H. F. 2006. Evolution of a polyphenism by genetic assimilation. – Science 311: 650–652.

28. Waddington, C. H. 1942. The canalization of development and the inheritance of acquired characters. – Nature 150: 563.

29. Waddington, C. H. 1952. Selection of the genetic basis for an acquired character. – Nature 169: 278.

30. Wang, H. et al. 2005. The origin of the naked grains of maize. – Nature 436: 714–719.

31. Weatherbee, S. D. et al. 2006. Interdigital webbing retention in bat wings illustrates genetic changes underlying amniote limb diversification. – Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 15103–15107.

32. Weiner, J. 1994. The Beak of the Finch: A Story of Evolution in Our Time. Random House, New York.

33. West-Eberhard, M. J. 2005. Phenotypic accommodation: adaptive innovation due to developmental plasticity. – J. Exp. Zool (MDE) 304B: 610–618.

34. Wu, P. et al. 2004. Molecular shaping of the beak. – Science 305: 1465–1466.

35. Wu, P. et al. 2006. Morphoregulation of avian beaks: comparative mapping of growth zone activities and morphological evolution. – Dev. Dyn. 235: 1400–1412.