Scott Gilbert (1949), Swarthmore’ kolledþi bioloogiaprofessor (Pennsylvania, USA), on üks maailma juhtivaid teadlasi evolutsioonilise arengubioloogia valdkonnas. Paljudes maailma ülikoolides on kasutusel tema arengubioloogia õpik, millest on ilmunud juba kaheksa trükki. Huvi teaduse ajaloo vastu tõi ta möödunud aasta novembris Tartusse Baeri majja, kus ta pidas ettekande keskkonna mõjust organismide arengule. Tartu ülikoolis peetud loengus rääkis ta oma uurimistööst “Kuidas kilpkonn oma kilbi sai?”

Teie juhitav uurimisrühm Swarthmore’ kolledþis uurib kilpkonna kilbi tekkelugu. Kuidas on see uurimus seotud arengubioloogiaga?

Arengubioloogia selgitab, kuidas peab evolutsioneeruma organismi arengumehhanism, et saaksid tekkida uued struktuurid. Meie uuritav struktuur on kilpkonna kilp. Kilpkonnal on viiskümmend luud, mida pole ühelgi teisel selgroogsel. Meid huvitab, kuidas on kulgenud kilpkonna areng: tema kilpi moodustavad membraanidevahelised luud sarnanevad teiste selgroogsete näoluudega. Kuidas arenguprogramm, mis toimis ühe kehaosa, antud juhul näo arengus, võib rakenduda mõne teise kehapiirkonna puhul. Tuleb vaadata, kuidas on muutunud roided ja kuidas neuraalharja rakud. [Neuraalharja rakud (neural crest cells) – rühm rakke, mis eristuvad loote arengus neuraaltoru moodustumisel, kuid mis ei kujune kesknärvisüsteemi osaks. Organismi arengu käigus liiguvad neuraalharja rakud eri kehaosadesse ning moodustavad mitmesuguseid struktuure, millest paljud on seotud närvisüsteemiga. Nende rakkude liikumist ja diferentseerumist kontrollivaid faktoreid on alles hakatud uurima. – Ivar Puura.]

Paleontoloog Stepan Kutorga pidas 1835. aastal ilmunud töös Tartust Devoni paljanditest leitud luukilpidega kalu – ostrakoderme – kilpkonnadeks. Kas teda eksitanud ostrakodermide ja kilpkonnade sarnasus on juhuslik või on siin põhjust otsida homoloogiat?

See on väga huvitav küsimus. Kilpkonna luust rüü koosneb kahest osast: selgmisest ja kõhtmisest kilbist. Selgmise kilbi puhul toimivad ilmselt roided signaalikeskustena, mille ümber moodustub luustunud kilp. Kuid kõhtmine kilp – plastron – on kujunenud plastroniluudest. Meil on tõendid, et need luud pärinevad neuraalharjast. Kuid näiteks inimestel moodustab plastroniga sarnaselt arenev struktuur hoopis pea ja näo.

Mõned paleontoloogid ja arengubioloogid arvavad, et alguses olid neuraalharja rakud võimelised moodustama luid. Seevastu ühelgi praegusel loomal, keda me uurinud oleme, neuraalharja rakkudel sellist võimet ei ole: neist arenevad neuronid, gliia- ja pigmendirakud. Vaid kolju neuraalharja rakud moodustavad luid. Erand ongi kilpkonn, kelle kõhtmine kilp on meie arvates tekkinud neuraalharja rakkudest. Kuid jääb küsimus: kas kolju neuraalharja rakud omandasid võime liikuda kehas tahapoole või omandasid keha tüveosa neuraalharja rakud võime moodustada luud?

Kanada arengubioloogi Brian Halli arvates on Devoni kalade luuplaadid kujunenud kehatüve neuraalharja rakkudest. Praegu uurimegi, kas kehatüve neuraalharja rakud võisid tõepoolest mängida rolli kilpkonna kõhukilbi moodustumisel. Sellel oleks suur sarnasus oletatava Devoni kalade luuplaatide tekkemehhanismiga.

Teie uurimisvaldkond – evolutsiooniline arengubioloogia – on kiiresti arenev bioloogiaharu. Milline on selle tähendus nüüdisaegsele bioloogiale?

See on väga uus teadusharu ning praegu üks põnevamaid valdkondi bioloogias. Evolutsiooniline arengubioloogia ei püüa olla midagi vähemat kui bioloogia keskne uurimissuund. Selle teadussuuna ametlikuks “asutamiseks” võib pidada jaanuari 2000, mil loodi üldise ja võrdleva bioloogia ühingu evolutsioonilise arengubioloogia sektsioon.

Kuidas võiks evolutsioonilise arengubioloogia olemuse lühidalt kokku võtta?

Evolutsioonilise arengubioloogia põhiprintsiip on, et evolutsioon toimub organismi kasvu reguleerivate pärilike muutuste kaudu. Geenid loovad organismi kasvades uusi morfoloogilisi struktuure. Seega tuleb selleks, et saada aru evolutsioonist ehk bioloogilise mitmekesisuse tekkeloost, mõista kõigepealt organismi arengut. Et mõista, kuidas uimest saab jalg, tuleb uurida geenide ekspressiooni uime ja jala kasvamisel ning selle evolutsioonilisi muutusi. Kui evolutsiooni alus on olemasolevate geenide ümberkombineerumine, siis see toimub organismi kasvu reguleerivates geenides.

Kas evolutsioonilise arengubioloogia loengutes tuleb selgitada ka selle suhet õpikutest tuntud sünteetilise evolutsiooniteooriaga?

Peaaegu alati pean ma evolutsioonilist arengubioloogiat tutvustades alustama vabandusega, et “see ei ole see, mida te olete koolis õppinud”. Kuid ma usun, et see käsitlusviis on sarnane selle evolutsiooniga, mida pidas silmas Darwin ning samuti tema kaasaegsed, kes olid väga huvitatud embrüoloogiast. Usutavasti võivad klassikaline sünteetiline evolutsiooniteooria ja evolutsiooniline arengubioloogia üsna varsti ühineda.

Mis on vajalik selleks, et see süntees saaks aset leida?

Selleks peab evolutsiooniline arengubioloogia õppima arvestama liigisisese muutlikkusega, kuna see on klassikalise evolutsioonibioloogia lahutamatu osa. Samal ajal peab klassikaline evolutsioonibioloogia aktsepteerima, et suur osa muutlikkusest sisaldub regulaatorgeenide eksonites ja ka nende regulatoorsetes piirkondades. Ma arvan, et sünteetilise evolutsiooniteooria ja arengubioloogia käsitlusviiside süntees on just algamas. Ma olen ühtlasi väitnud, et ei lähene mitte niivõrd evolutsiooniteooria ja arengubioloogia, vaid pigem lähenevad arengugeneetika ja populatsioonigeneetika, mis võivad koos moodustada uue sünteesi tuuma. Vähemalt nii ma loodan ning ma näen tõendeid selle kohta, et see juhtub.

Vestleme majas, kus aastail 1867–1876 elas Karl Ernst von Baer. Kuidas hindate Baeri ideid evolutsioonilise arengubioloogia kontekstis?

See on väga oluline küsimus, kuna paljud Darwini embrüoloogia-alased vaated põhinesid Baeri uurimustel. Seda on rõhutanud näiteks Don Ospovat ja Jane Oppenheimer. Darwin teadis Baeri uurimustest ning oli lugenud kokkuvõtteid tema tööst. Kuid sünteetilise evolutsiooniteooria keskne idee on populatsioonigeneetika ning selles kontekstis pöörati Baerile, nagu kogu embrüoloogiale, vähem tähelepanu.

Evolutsioonilise arengubioloogia kontekstis pälvivad Baeri ideed minu meelest märgatavalt suuremat tähelepanu. Üks põhjusi – siin ma küll ainult spekuleerin – oli see: Baer aimas, et loodusliku valiku mehhanism suudab evolutsiooni käiku selgitada vaid juhul, kui seda täiendada arengubioloogiliste seletustega. Kirjas Anton Dohrnile (1875–1876) kirjutas Baer: “Ma ei ole transmutatsiooni vastu. Kuid ma ei usu, et Darwini pakutud mehhanismid on piisavad transmutatsiooni põhjendamiseks.” [Transmutatsioon (transmutation) – 19. sajandi termin evolutsiooni kohta – Ivar Puura]. Seejärel lisas Baer, et evolutsioonil peab olema arengubioloogiline põhjendus. Aga see oli tollal suur tundmatu: organismide arengu mehhanismid ei olnud teada.

1896. aastal väitis Ernst Haeckeli õpilane Wilhelm Roux, et on vajalik luua kaks arenguõpetust (Entwickelungsmekaniks): ontogeneetiline ja fülogeneetiline. Ta ütles: “Kui me õpime tundma arengu mehhanisme, siis saame tegelda evolutsioonibioloogiaga.” Tema sõnul rebis ta embrüoloogia evolutsiooni kontekstist välja, kuid eeldusel, et see tuleb tagasi. Ning siis on embrüoloogial juba hulk kontseptsioone ja meetodeid, mis lubavad meil seletada evolutsiooni. Arvan, et praegu, veidi rohkem kui sada aastat pärast Roux’ ennustust, olemegi jõudnud selle sündmuseni.

Bioloogiaõpikutes on ligi sajandi jooksul kajastatud Haeckeli “biogeneetilist reeglit”, kuid mitme teadlase arvates ei ole see korrektne. Kuidas võiks Baeri ja Haeckeli arusaamu ontogeneesi ja fülogeneesi suhetest võrrelda praeguste teadmiste kontekstis?

Wilhelm Roux’ meelest on Baeri ja Haeckeli ideede segiajamine põhjustanud palju segadust. Ta toonitas, et Haeckel vaatles täiskasvanud isendeid kui uute vormide eellasi, samal ajal kui Baeri jaoks oli tähtis eellaste loodete areng. Näiteks ei ole inimestel lõpusepilusid nagu kaladel. Kuid meie loodetel on lõpusepilude alged nagu kalaloodetel ning nendest arenevad eri organid kurgu piirkonnas. Kaladel aga arenevad neist lõpusepilud.

Siiski on Mayr selgitanud, et ka Baeri seadused ei toimi kõikidel juhtudel. Ent ma arvan, et enamik teadlasi ütleks, et Baeri seadused on palju paremad ja täpsemad, kuigi need olid välja pakutud palju varem kui Haeckeli “biogeneetiline reegel”.

Haeckeli “biogeneetiline reegel” sobib seisukohaga, mis näeb evolutsiooni kui lineaarset sündmuste jada, kui redelit. Baeri ideed sobivad aga ettekujutusega hargnevast evolutsioonipuust.

Teine valdkond, mida tähtsaks peate, on keskkonna mõju geenide ekspressioonile. Tundub, et see põnev valdkond oli pikka aega tabuteema, kuna kõike sellesuunalist kiputi seostama lamarkismiga?

Hullem kui seostamine lamarkismiga on olnud selle sidumine lõssenkismiga. Ma usun, et see oli üks peamisi põhjusi, miks keskkonna mõju fenotüübi kujunemisele Läänes ei uuritud: selle uurijaid peeti lõssenkistideks. Eriti 1960. aastatel ei mõistetud Läänes teadlasi, kes püüdsid arengubioloogiasse tuua keskkonnaaspekte. Näiteks isegi Waddingtoni teoreetiliste uurimuste kohta öeldi: “Ta teeb seda, kuna ta on sotsialist.” Ma arvan, et üks põhjusi, miks see teema jäi õpikutest välja, miks uurimusi ei rahastatud ning miks see ei saanud osaks arengubioloogiast, oli poliitiline kontekst. Sel ajal oli väga raske uurida keskkonna mõju fenotüübile.

Miks peab uurima keskkonna mõju fenotüübi arengule?

Põhjusi on mitu. Esiteks, ökoloogid on näidanud, et keskkond on oluline fenotüübi arengus. Kaua on eeldatud, et kõik instruktsioonid looma fenotüübi arenguks on viljastatud munas. Kuid ökoloogid teavad, et see ei ole nii, ning neil on aukartustäratav hulk fakte selle kohta, kuidas keskkond mõjutab arengut. Sellised keskkonnamõjutused reguleerivad paljusid olulisi sündmusi, nagu temperatuurist olenev soo määramine roomajatel ja toitumisest olenevad fenotüübi arengu muutused sotsiaalsetel putukatel, näiteks emasipelgate ja mesilasemade puhul. Emahiire toiduvalikust võib oleneda geeniekspressioon ning poegade fenotüübid, näiteks värvus. Kõigi nende probleemide puhul pakub huvi, kuidas keskkonna mõjutused muudavad geenide ekspressiooni.

Keskkonna mõju fenotüübile on tähtis ka looduskaitses. Näiteks ühes kilpkonnade kaitse projektis 1980-ndail ei osatud alguses arvestada temperatuuri mõju kooruvate kilpkonnade soole. Loodusesse taasasustati hulk inkubaatoris samal temperatuuril koorunud kilpkonni. Kuna nad kõik olid ühest soost, polnud sellest ettevõtmisest muidugi abi.

Uued andmed, mis toetavad seisukohta, et paljude organismide areng võib häälestuda keskkonnasignaalide toimel, on väga põnevad. Kuid ilmselt on kindla organismi arengu varieerumisel siiski omad piirid?

Tegelikult on seda küsimust käsitlenud juba arengubioloog Oskar Hertwig oma 1904. aastal ilmunud raamatus. Ta järeldas, et munarakus pole kõiki arengujuhised. Hertwig tõi mitu näidet – nagu soo määramine sipelgatel, mesilastel ja vaablastel –, kus keskkond on mänginud arengus suurt rolli. Kuid ta kirjutas samuti, et kui ühes ruumis on järglaste ootel naine ja koer, siis ühel neist sünnib ikka inimene ja teisel koer. Seega suudab keskkond arengut muuta väga kindlates piirides.

Peab ütlema, et enamikul juhtudel on arenguprogrammi instruktsioonid genoomis ning keskkond loob neile väljendumise võimalused. Ent on olemas mõned olukorrad, kus keskkonna mõju võib olla olulisem kui genoomi informatsioon. Sellistel puhkudel on genoom evolutsioneerunud nii, et see võib anda teatud võimaluste spektri, kuid selle, milline võimalus realiseerub, määrab keskkond.

Kas viimase variandi näiteks võib pidada temperatuurist olenevat soo määramist mitmel roomajal?

See on kindlasti üks silmatorkav näide. Kuid neid on veel palju. Näiteks paljude liblikaliikide tiivamustrid olenevad temperatuurist. Nüüd me teame ka midagi geenidest, mille ekspressioon neid mustreid mõjutab.

Ma arvan, et osa kõige põnevamatest andmetest selle kohta, kuidas keskkond mõjutab genoomi ekspressiooni, on pärit imetajate jämesoole uuringutest.

Tänu PCR-le ja geenijärjestuste analüüsile on leitud, et imetajate jämesooles on mitu geeni, mida aktiveerivad bakterid. Kui neid geene ei aktiveerita, siis ei arene jämesool täielikult välja. See näitab, et me areneme koos bakteritega nagu kooslus. See on väga huvitav viide sellele, kuidas ühed organismid mõjutavad teiste organismide arengut. [PCR (polymerase chain reaction) – polümeraasi ahelreaktsioon – meetod, mis võimaldab väikestest DNA-kogustest saada suuri. PCR tõi kaasa molekulaargeneetika tormilise arengu. 1980-ndail aastail PCR meetodi leiutanud Kary B. Mullis pälvis selle eest 1993. aastal Nobeli keemiaauhinna. – Ivar Puura.]

Teine näide on kiskja lähedusest tingitud organismide kasvu morfoloogiline muutus, mis on ökoloogidele tuntud juba 1909. aastast. Siin oleneb organismide areng sellest, kas läheduses on kiskjaid, kellele nad on saakloomaks. Noorel saakloomal on evolutsiooni käigus välja kujunenud võime tajuda kiskjat keemiliste signaalide põhjal. Need signaalid käivitavad saakloomadel geenide ekspressiooni, mis muudab nende arengut nõnda, et neil tekib parem kaitse kiskjate vastu. Seda võime pidada epigeneesi näiteks, kuid mitte ainult ühe organismi, vaid liikidevahelise epigeneesi näiteks.

Kas selliseid signaale võivad ära tunda ka fülogeneetiliselt kauged organismid?

Täpselt nii. Ning ma arvan, et see kontseptsioon on väga oluline nii ökoloogilises kui ka evolutsioonilises kontekstis. Arengubioloogide ülesanne on avastada neid molekule ning uurida, mida nad teevad. Praegu me neid molekule peaaegu ei tunnegi.

Milline tähendus on nendel teadmistel ja käsitlusviisidel bioloogiale?

Laboriuurimused hõlmavad ainult väikest osa looduse võimalustest. Me teame tänu ökoloogidele, et tiigis kasvanud konnad erinevad laboris kasvanud sama liigi konnadest. Selle põhjus on mitmesugused molekulid, mis pärinevad kiskjatelt – liikidelt, kellega nad võistlevad – ning abiootilisest keskkonnast. Need annavad signaale, mille alusel suudavad konnad looduses paremini kohastuda kindlat tüüpi keskkonnaga. Konnadel on mitu evolutsioonis välja arenenud strateegiat, mis aitavad neil oma ökoniðiga kohaneda. Nende strateegiate hulka kuulub ka signaalide vahetus nende niððidega.

Seega on valeks osutunud arusaam, et kogu areng on ette määratud munarakus. See avab arengubioloogidele täiesti uue katsetuste ja uuringute maailma.