Sopivat suojat primitiiviseen nisäkäsraajaan

21.11.2013

Kirjoitin jutun varpaiden lukumääristä, juoksemisesta ja kengistä. Sijoitin sen juoksublogiini. Laitan tänne tiedeblogiinkin linkin tuohon juttuun, koska ujutin siihen mukaan aika paljon evoluutiobiologiaa. Tästä lähtee: Apina, antilooppi ja hevonen juoksivat kilpaa…

Mainokset

Rattus

6.6.2013

Työblogissa fylogenetiikkaa työkavereista (: Kuka kukin on rotista.


Mitä opin dinosauruksista viime kesänä

24.4.2013

Huomasin viime kesänä, että tiedän nolon vähän dinosauruksista. Töissä piti kertoa silloin dinosauruksista yleisölle. Hyvä tilaisuus, sellainenhan on paras tapa oppia; ei ole kiva mennä selittämään mitään, jos ei tunne olevansa varmalla pohjalla aiheestaan. Uuteen aiheeseen perehtymisen sivuvaikutuksena siitä voi myös innostua – voisi, vaikka aihe ei olisi niin itsestään selvän makea kuin dinosaurukset!

Pseudosuchiat hallitsivat ensin

Ryhmä isoja eläimiä rellesti maailman valtiaina kymmeniä miljoonia vuosia, samaan aikaan niiden varjossa eli huomaamaton ja vaatimaton eläinryhmä – dinosaurukset…

En tiennyt ennen viime kesää sitäkään, että ennen dinosaurusten valtakautta oli pseudosuchioiden* valtakausi. Dinosauruksia oli myös tuolloin jo olemassa, mutta kaikki ajan isoimmat maapedot olivat pseudosuchioita. Pseudosuchioiden joukossa oli myös kaksijalkaisia kasvinsyöjäeläimiä kuten siro ja nätti Effigia. Tällainen dinosaurusmaallikko määrittäisi monet pseudosuchiat sujuvasti dinosauruksiksi.

Triaskauden lopettanut joukkosukupuutto lopetti myös pseudosuchioiden valtakauden. Jostain syystä, jota ei oikein hyvin ymmärretä, dinosaurukset valtasivat sen jälkeen isojen eläinten ekologiset lokerot. Pseudosuchiatkaan eivät kuolleet kokonaan sukupuuttoon vaan niistä kehittyi esimerkiksi hienoja virtaviivaisia thalattosuchia-merieläimiä. Yksi pseudosuchia-ryhmä elää ja voi hyvin yhä edelleen: krokotiilit.

Dinosauruksillakin kävi sitten huono tuuri, kun kymmenkilometrinen asteroidi törmäsi maahan 65 miljoonaa vuotta sitten. Toisaalta dinosaurukset saivat olla rauhassa superkatastrofeilta valtavan pitkän ajan. Dinosaurukset hallitsivat (lue: olivat yleisimpiä isoja eläimiä) koko jura- ja liitukauden eli noin 135 miljoonaa vuotta.

* En puhunut kesällä pseudosuchioista vaan crurotarseista. En ollut nimissä ihan ajan tasalla. Crurotarsi-nimen ongelmaksi nousi hiljattain, että siihen oli määritelty kuuluvaksi yksi krokotiilien näköinen eläinryhmä, phytosaurit, jotka eivät sitten ilmeisesti olleetkaan sitä miltä näyttivät (Nesbitt 2011). Huono määritelmä vesitti crurotarsin tarkoittamaan krokotiilien läheisimpien sukulaisten lisäksi myös dinosauruksia, lintuja ja siipisaureja.

Pseudosuchus eli ”valekrokotiili” on tietysti hölmö nimi ryhmälle, johon kuuluvat krokotiilit, mutta nimi on järkevästi määritelty niin, että se ei aiheuta sotkuja systematiikkaan, vaikka sukupuihin tulisi vielä lisääkin muutoksia.

Jokin mukava suomennos pseudosuchialle pitäisi kyllä keksiä. Ehdotuksia?

Talitiainen on läheisempi sukulainen Tyrannosaurukselle kuin Triceratops

Pseudosuchiat elävät edelleen krokotiileina. Dinosaurukset elävät myös edelleen – lintuina.

Niin oudolta kuin se ehkä tuntuukin, esimerkiksi rubiinikurkkukolibri on pieni dinosaurus ja tunturipöllö on vähän isompi dinosaurus.

Kun meteoriitti putosi ja suurin osa dinosauruksista kuoli, olivat Triceratopsiin johtanut dinosaurusten sukuhaara ja Tyrannosaurukseen johtanut haara ehtineet kehittyä toisistaan riippumatta noin 165 miljoonaa vuotta. Tyrannosaurukseen ja lintuihin johtaneet sukuhaarat olivat siihen mennessä olleet erossa toisistaan vasta noin 100 miljoonaa vuotta. Linnut jäivät ainoina dinosauruksina henkiin ja ovat jatkaneet kehitystään yksinään 65 miljoonaa vuotta.

Edellisestä voi laskea*, että esimerkiksi talitiaiset ovat paljon läheisempiä sukulaisia Tyrannosaurukselle kuin Triceratops.

Jos haluaa arvioida esimerkiksi, että millaista Tyrannosauruksen dna oli, kannattaa tutkia ennemmin nykyisten lintujen kuin Triceratopsin dna:ta (jälkimmäistä ei enää olekaan missään).

*Tyrannosaurusta ja Triceratopsia erottaa toisistaan 165 + 165 = 330 miljoonaa vuotta evoluutiota. Tyrannosauruksen ja talitiaisen vastaava ero on 100 + 100 + 65 = 265 miljoonaa vuotta. Talitiainen on siis 330 – 265 = 65 miljoonaa vuotta lähempänä Tyrannosaurusta kuin Triceratops.

Edit 13.5.2013: Päivitin vielä edellistä kappaletta, kun tällaiset sukulaisuuslaskelmat ovat vähän kinkkisiä selittää sanallisesti. Ehkä ne avautuvatkin helpommin piirtämällä kuin selittämällä – xkcd-sarjakuva samasta aiheesta ilmestyi juuri sopivasti. Edit 12.3.2014: Korjattu tyranosauruksen ja lintujen viimeisen yhteisen esi-isän ajoitukseksi 165, ei 150 miljoonaa vuotta sitten. Varhaisimmat linnut elivät noin 150 miljoonaa vuotta sitten, mutta Tyrannosauridit lähtivät omille teilleen lintuhin johtaneesta porukasta jo 15 miljoonaa vuotta aiemmin. 

Aika moni höyhenpeitteinen dinosaurus näytti linnulta

Vanha kunnon Archaeopteryx pitää pintansa varhaisimpana linnuksi määritettynä otuksena (Lee ja Worthy 2012) – tai ainakin piti vielä viime kesänä. Kesän jälkeen on tehty useitakin uusia fossiililöytöjä, jotka ovat muuttaneet Archaeopteryxin aseman dinosaurusten sukupuussa entistäkin epävarmemmaksi.

Jurakauden lopussa maailmassa vilisti paljon pieniä höyhenpeitteisiä eläimiä, joista osalla oli kaksi siipeä ja osalla neljä, jotkut osasivat lentää, jotkut liitää ja jotkut eivät kumpaakaan. Lintuharrastajalle olisi ollut turhauttavaa retkeillä jurakauden lopulla, koska olisi ollut usein mahdoton tietää mikä havaittu eläin on lintu ja mikä kuuluu johonkin muuhun dinosaurusten sukuhaaraan.

Evoluutioteoriaa ymmärtämättömälle jurakauden lopun fossiilien tutkiminen olisi terveellistä, ai että ”missä ovat kaikki välimuodot”?

Aika moni höyhenpeitteinen dinosaurus ei näyttänyt linnulta

Höyhenet fossiloituvat huonosti, mutta viime vuosina on tehty etenkin Kiinasta paljon upeita fossiililöytöjä höyhenpeitteisistä dinosauruksista. Yksi mahtava löytö oli Yutyrannus (Xu ym. 2012). Se oli Tyrannosauruksen sukulainen, yhdeksän metriä pitkä peto, joka oli kauttaaltaan höyhenien peitossa.

Dinosauruskirjojen kuvitukset täytyy laittaa uusien löytöjen vuoksi uusiksi.  Theropodien, eli kahdella jalalla kulkeneiden petodinosaurusten ja niiden sukulaisten joukosta on löydetty höyhenpeitteisiä lajeja vähän joka sukuhaarasta. Höyhenet ovat olleet theropodilajeilla todennäköisesti hyvin tavallinen ominaisuus.

Höyhenistä on viitteitä myös parilta dinosaurukselta, jotka ovat todella kaukana theropodeista. Höyhenen kaltaisia rakenteita voi olla kehittynyt toisistaan riippumatta useaan kertaan eri dinosaurusryhmissä. Vaihtoehto on, että höyheniä, tai ainakin niiden esiasteita, oli jo kaikkien dinosaurusten yhteisellä esi-isällä. Siinä tapauksessa jonkinasteisia höyheniä on voinut periaatteessa olla millä dinosauruksella vaan. Voi spekuloida jopa, että höyheniä on voinut olla siipisaureilla tai pseudosuchioillakin.

Dinosauruksia eli myös viileässä ilmastossa.

Dinosaurusten aikaankaan ei ollut lämmin ilma ihan koko ajan ja ihan joka paikassa. Fossiilien sisältämän hapen isotooppeja tutkimalla on päätelty, että Yutyrannuksen ja kumppanien elinympäristössä keskilämpötila oli noin kymmenen astetta (Amiot 2011). Ei ole ollenkaan mahdotonta, että dinosauruksia on joskus juossut lumessa ja pakkasessa.

Yutyrannus tuskin olisi pärjännyt talvella, jos sen ruumiinlämpötila riippuisi täysin ulkoilman lämpötilasta. Kylmässä aktiiviset dinosaurukset ovatkin yksi lisätodiste dinosaurusten endotermisyyden eli sisäisen lämmöntuottokyvyn puolesta.  (Paitsi jos viileän ilmaston dinosaurukset nukkuivat talviunta tai lähtivät muuttodinosauruksina etelään…)

Höyhenpeitteisten dinosaurusten väritystä on saatu selville.

Parhaissa höyhenfossiileissa  jopa yksittäiset solut ovat säilyneet niin ehjinä, että niiden rakennetta voidaan tutkia mikroskoopilla. Kaikki elävien solujen sisältämät väriaineet ovat kadonneet fossiileista, mutta solujen sisäiset melanosomit eli rakkulat, joissa väriaineet ovat olleet, ovat voineet säilyä.

Lintujen höyhenistä on huomattu, että melanosomien koosta, muodosta ja tiheydestä voi päätellä aika paljon linnun värityksestä, vaikkei itse väripigmenttejä tuntisikaan.

Vertaamalla esimerkiksi Microraptor dinosauruksen höyhenfossiilia lintujen höyheniin on päätelty, että Microraptor oli todennäköisesti musta ja kiiltävä kuin kottarainen (Li ym. 2012). Microraptoria voisi helposti erehtyä pitämään lintuna – katso hieno rekonstruktio Microraptoreista – mutta mikään lintu se ei ollut, vaan terävähampainen pikkupeto, joka saalisti hiiren kokoisia nisäkkäitä ja pikkulintuja varhaisen liitukauden metsissä (O’Connor ym. 2011).

Edellä mainittu kuuluisa lintua muistuttanut siipiveikko Archaeopteryx oli todennäköisesti myös musta (Carney ym. 2012). Anchiornis -dinosaurus oli luultavasti mustan ja valkoisen kirjava ja sen päälaki oli punainen kuin palokärjellä (Zhang ym. 2012). Anchiornis on yksi pienimpiä tunnettuja dinosauruksia – se oli selvästi pienempi kuin palokärki! Sinosauropteryx oli myös pieni tyylikäs dinosaurus. Sillä oli todennäköisesti komea punaruskea-valkoraitainen häntä (Zhang ym. 2012).

Petodinosauruksilla oli samanlainen tehokas hengitysjärjestelmä kuin linnuilla.

Maapallon ilmatilassa tilanne on edelleen se, että dinosauruksia on tuhansia lajeja ja nisäkkäät ovat pieniä huomaamattomia yöeläimiä (lepakoita). Yksi selitys tälle saattaa olla, että lintujen keuhkot ovat paremmat. Lentämiseen tarvitaan paljon happea.

Nisäkkäiden keuhkojen toimintaperiaate loukkaa jokaista järkevää insinööriä. Meidän keuhkomme ovat umpinaiset pussit, joissa käytetty ja käyttämätön ilma pääsevät sekoittumaan ennen uloshengitystä.

Evoluutio ei ole järkevä insinööri. Se on tuunaaja, joka kokeilee ja etsii mahdollisimman toimivaa ratkaisua virittelemällä ja rakentamalla sen päälle mitä jo on olemassa. Käytännössä nisäkkäiden keuhkot toimivat hienosti. Mutta lintujen hengitysjärjestelmä toimii vielä paremmin.

Keuhkojen lisäksi linnuilla on ilmapusseja, jotka pumppaavat ilmaa. Ilma menee nokasta keuhkoihin vasta kun lintu hengittää ulos. Linnun hengitys on nelitahtinen; ilma tulee ulos linnun nokasta vasta kun lintu on hengittänyt kahteen kertaan sisään ja ulos. (Tämä selittää myös sen,  miten lintu voi laulaa ”vetämättä henkeä” välillä.)

Linnuille lähisukuisten petodinosaurusten hengitys toimi ilmeisesti myös tehokkaalla läpivirtausperiaatteella (Sereno ym. 2008).

Trias- ja jurakausilla happea oli ilmassa niukemmin kuin nykyisin, joten tehokkaasta hengityksestä oli silloin varmasti dinosauruksille etua. Pussikeuhkoiset nisäkkäät pysyivät pieninä ja vaatimattomina. Kun Jukatanin meteoriitti liitukauden lopuksi sekoitti evoluution pakan uudestaan, ilmakehän happipitoisuus oli sopivasti noussut korkeammaksi. Nisäkkäille riitti happea kasvattaa poikasia sisällään ja kasvaa isoiksi.

Ilmapusseille on kehittynyt muutakin merkittävää käyttöä kuin toimia palkeina keuhkoille. Ilmapussit tekevät eläimistä kevyempiä. Liskonlantioisisten dinosaurusten kuten lintujen*, petodinosaurusten ja sauropodien luut ovat täynnä ilmapussien onkaloita. Lintujen on hyvä lentää kevyillä ilmatäytteisillä luilla. Sauropodit olivat kevyiden luidensa ansiosta jättimäiseen kokoonsa nähden yllättävän kevyitä. Pitkän kaulan kannattelukaan ei ollut sauropodeille ongelma, koska noin 60% niiden kaulan luiden koostumuksesta saattoi olla pelkkää ilmaa.

*Oikeat krokotiilit ovat valekrokotiileja, phyto- eli kasvisaurit ovat petoja ja linnut eivät ole linnunlantioisia – tällaista on systematiikka.

Tyrannosaurus puri kovempaa kuin mikään muu dinosaurus

Kuningas on yhä kuningas. Tyrannosauruksen maine on kärsinyt kolauksia, kun on löydetty fossiileja sitä isommista petodinosauruslajeista. Spinosaurus ainakin oli Tyrannosaurusta massiivisempi ja todennäköisesti muutama muukin laji.

Yhdessä asiassa Tyrannosaurus on kuitenkin yhä ykkönen – sen leukojen puruvoima oli suurempi kuin millään muulla tunnetulla dinosauruksella.*

Jurassic Parkin jossain jatko-osassa Spinosaurus voittaa Tyrannosauruksen tappelussa. Järkyttävän vaikuttava peto Spinosaurus tietysti oli, mutta sen leuat olivat kuitenkin sopeutuneet parhaiten kalansinttien (sellaisten kolmemetristen…) nappaamiseen ja hentoisia siipisaurejakin Spinosaurusten fossiilisista mahoista on löytynyt.

Tyrannosaurus oli erikoistunut murskaamaan leuoillaan isojen kasvinsyöjädinosaurusten paksuja luita ja panssareita.

* Kaikkien eläinten ykkönen Tyrannosaurus ei puruvoimassa ole, onhan ollut olemassa sellaisiakin eläimiä kun Liopleurodon ja Megalodon.

Dinosaurustutkimus on tulevaisuuden ala.

Lapsuusaikojeni kirjoissa sauropodit kahlailivat vedessä jaksaakseen kannattaa painavaa ruhoaan ja petodinosaurukset löntystivät perässä tukinpaksuista häntäänsä maassa raahaten. Olivathan dinosaurukset tietysti jännittäviä ja hienoja silloinkin, mutta ei vielä ymmärrätty kuinka jännittäviä ja hienoja ne ovatkaan. Dinosaurukset ovat sisältäpäin lämpiäviä, aktiivisia, nopeita, ketteriä, linnunluisia, linnunkeuhkoisia, höyhenpeitteisia ja värikkäitä eivätkä ole kuolleet sukupuuttoon. Mitä kaikkea dinosauruksista vielä saadaankaan selville?

Juuri nyt eletään dinosaurustutkimuksen kulta-aikaa, kiinnostavia aivan uudenlaisia dinosaurusfossiileja on löydetty viime vuosina enemmän kuin koskaan. Suomi on dinosaurustutkijan kannalta sikäli hankala paikka, että täältä ei dinosaurusfossiileja löydä. Tällä hetkellä voisin suositella dinosaurustutkijaksi halajavalle paleontologian, biologian, fysiikan, geologian, kemian ja muun ilmeisen ohella – kiinan tai mongolin kielen opintoja.

Kiitokset

Konsta jakoi kanssani dinosaurusinnostuksen ja piti huolen, että kirjaston dinosauruskirjoja oli aina tarjolla vinot pinot. Konstan (4 v.) ansiosta huomasin, että jotkin uudet dinosauruskirjat ovat melkoisen korkeatasoisia, pari omaakin kirjaa tuli sitten ostettua.

Annulle kiitos PDF:istä.

Lähteet

Amiot, R., Wang, X., Zhou, Z., Xiaolin Wang, X., Buffetaut, E., Lécuyer, C., Ding, Z., Fluteau, F., Hibino, T., Kusuhashi, N., Mo, J., Suteethorn, V., Yuanqing Wang, Y., Xu, X. ja Zhang, F. 2011: Oxygen isotopes of East Asian dinosaurs reveal exceptionally cold Early Cretaceous climates. Proc. Nat. Acad. Sci. 108: 5179-5183.

Lee, M. S. Y. ja Worthy, T. H. 2012: Likelihood reinstates Archaeopteryx as a primitive bird. Biol. Lett. 8: 299-303.

Li, Q., Gao, K.-Q., Meng, Q., Clarke, J. A., Shawkey, M. D., D’Alba, L., Pei, R., Ellison, M., Norell, M. A. ja Vinther, J. 2012: Reconstruction of Microraptor and the evolution of iridescent plumage. Science 335: 1215-1219.

Nesbitt, S. J. 2011: The early evolution of archosaurs: relationships and the origin of major clades. Bull. Am. Mus. Nat.  Hist. 352: 1-292.

O’Connor, J., Zhou, Z. ja Xu, X. 2011: Additional specimen of Microraptor provides unique evidence of dinosaurs preying on birds. Proc. Nat. Acad. Sci. 108: 19662-19665.

Sereno, P. C., Martinez, R. N., Wilson, J. A., Varricchio, D. J., Alcober, O.A. ja Larsson, H. C. E. 2008: Evidence for avian intrathoracic air sacs in a new predatory dinosaur from Argentina. PLoS One 3: e3303. PDF

Xu, X., Wang, K., Zhang, K., Ma, Q., Xing, L., Sullivan, C., Hu, D., Cheng, S. ja Wang, S. 2012: A gigantic feathered dinosaur from the Lower Cretaceous of China. Nature 484: 92-95.

Zhang, F., Kearns, S. L., Orr, P. J., Benton, M. J., Zhou, Z., Johnson, D., Xu, X ja Wang, X. 2010: Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds. Nature 463: 1075-1078. PDF

Lähteiden lähde

Maija Karalan Erään planeetan ihmeitä -blogi oli huippu paikka päästä kärryille uusista hienoista dinosaurustutkimuksista.

Edit 1.5.2013

Oikolukijan kommenttien jälkeen muokkasin uudelleen jutun pseudosuchia -osaa ja hiukan muutakin. Toivottavasti tekstistä tuli ymmärrettävämpi ja lausejärjestyksestä loogisempi.


Luonnon oma GMO eli DNA goes retro II

27.3.2013

”Perinnöllisen dna:n siirtyminen lajista toiseen on luonnotonta”? Ei ole. Esimerkiksi bakteereilla dna:n siirtyminen lajista toiseen siirtyminen on arkipäivää. Antibiootille vastustuskykyinen bakteeri voi syntyä, kun yksi laji nappaa toiselta lajilta dna:ta, jossa on sopiva geeni.

Dna:n siirtymistä lajista toiseen tapahtuu monisoluisilla eläimilläkin. Uuden tutkimuksen mukaan neljäsosa (!) lehmän ja muiden märehtijöiden perimästä saattaa olla alunperin lähtöisin käärmeiden dna:sta (Walsh ym. 2013).

Samaa dna:ta käärmeessä, lehmässä, pussiliito-oravassa, tamaanissa, vesinokkaeläimessä ja...? Kuva: Walsh ym. 2013. Huomaa pieni huolimattomuus: tutkijoiden omia koodeja on unohtunut joihinkin oksan haaroihin (BovB_ACo, RTE1X_SP...).

Samaa dna:ta käärmeessä, lehmässä, pussiliito-oravassa, tamaanissa, vesinokkaeläimessä ja…? Kuva: Walsh ym. 2013 (pieni moka kuvassa, tutkijoiden omia koodeja on unohtunut joidenkin lajinimien eteen).

Samanlaisen dna:n löytyminen käärmeistä ja lehmistä ei tarkoita, että käärmeen omia geenejä tai mitään muita käärmeille tarpeellisia dna:n osia olisi tässä tapauksessa siirtynyt lehmään, tai päinvastoin. Itse asiassa, käärmeet sen paremmin kuin lehmätkään eivät tee tällä dna:lla yhtään mitään.

Mitä kummaa dna:ta sitten on siirtynyt käärmeestä lehmään? Mitä on siirtynyt nahkiaisesta kaloihin, joissa nahkiainen loisii (Kuraku ym. 2012)? Mikä on space invader -avaruushyökkääjä, jonka kopioita on oudosti puoliapinoiden, jyrsijöiden, lepakoiden, tanrekkien, pussieläinten, liskojen ja sammakoiden perimässä (Pace ym. 2008)?

Näissä invaasioissa on kyse ”itsekkäästä” dna:sta, transposoneista, dna:n palasista, jotka yleensä kopioituvat dna:ssa lajin sisäisesti, mutta onnistuvat joskus loikkaamaan eliölajista toiseen.

Käärmeelle ja lehmälle yhteinen transposoni on tarkemmin sanottuna retrotransposoni tai lyhyemmin retroelementti. Retroelementit kopioituvat rna-välivaiheen kautta. Ilmeisesti tämä rna voi siirtyä lajista toiseen kun esimerkiksi punkki puree ensin käärmettä ja sitten lehmää, tai kun nahkiainen pureutuu kalaan.

Eläinten perimässä on geenejä, joiden avulla rna kopioituu takaisin dna:ksi ja voi tulla liitetyksi mukaan seuraaviin sukupolveen periytyvään dna:han. Kyseiset geenit puolestaan ovat eläimen perimään jo aiemmin pesäpaikkansa tehneiden retroelementtien geenejä.

Kun retroelementin dna on hypännyt lajista toiseen, se voi alkaa kopioutua uudessa ympäristössään – tai sitten ei. Ihan mitä tahansa perimän dna:ta ei tietenkään käännetä rna:ksi, vaan kääntäminen vaatii oikeanlaiset tunnistus- ja säätelyjaksot ympärilleen.

Walsh ym. (2013) löysivät geenipankkia seuloessaan BovB-nimisiä retroelementtejä oudosti jakaantuneena eläinryhmiin, jotka eivät ole toisilleen erityisen läheistä sukua: käärmeistä, liskoista, pussieläimistä, nokkaeläimistä, norsuista ja sen sukulaisista ja hevosista.  Joissain eläinryhmissä nämä retroelementit ovat älyttömän yleisiä ja joissain harvinaisia.

Nerokas veto oli tutkia, löytyisikö kyseisiä retroelementtejä punkeista, jotka purevat sekä matelijoita, että nisäkkäitä ja voisivat näin toimia välittäjinä elementtien hypätessä lajista toisiin – ja löytyihän niitä myös punkeista.

Kaunista; hullun lailla kopioituvaa geenipätkää on siellä täällä eläinryhmissä, jotka eivät ole toisilleen sukua ja samaa geenipätkää on myös punkeilla, jotka purevat näitä eläimiä.

Tapaus selvitetty? Ei ihan, sellainen kauneusvirhe teoriassa on, että retroelementtejä löytyi vähän turhankin laajasti eläinkunnasta, myös lajeilta, joita on aika vaikea linkittää punkinpuremateoriaan: merisiilien ja silkkiperhosen perimässäkin näyttäisi olevan BovB-elementtejä. Mitä pirua ne siellä tekevät?

Snake and ticks - käärme ja punkkeja

Amblyomma-suvun punkkeja tunkemassa pytonin suomujen alle. Kuva © Eric Vanderduys 2012. Julkaistu kuvaajan luvalla.

Miksi sitten BovB-retroelementti on lähtenyt kopioitumaan hullun lailla märehtijöissä ja suomumatelijoissa, mutta ei muissa eläinryhmissä, joissa sitä kuitenkin todistettavasti on. Tähän tutkijoilla ei ole hypoteesia. Minulla on!

Hypoteesiini liittyvät lyhyet retroelementit, märehtijöiden BovA-sukuiset ja matelijoiden CR1 sinet. Nyt juttu menee kuitenkin jo sen verran tekniseksi ja yksityiskohtaiseksi, että taitaa olla laittaa aiheen tarkempi märehtiminen kommentteihin  jonkun tosi innostuneen genetiikkanörtin löydettäväksi (voisi muutan olla ihan julkaisukelpoista kamaa edelleen tämä…).

Viitteet:

Kolkkala, M. 2000: Retroposonit märehtijöiden perimässä. Pro gradu. Helsingin yliopisto. Yritin lyödä läpi retrotransposonille vähän lyhyempää nimeä retroposoni. Termiä ”retroposon” käytettiin joissain vanhoissa artikkeleissakin, tosin vähän kirjavassa merkityksessä. Mutta mihinkä se ehdotus yhdestä gradusta etenisi, olisi pitänyt jaksaa tehdä oma tieteellinen artikkeli.

Kuraku, S. Qiu, H ja Meyer, A. 2012: Horizontal transfers of Tc1 elements between teleost fishes and their vertebrate parasites, lampreys. Genome Biol. Evol. 4: 929-936

Pace, J. K., Gilbert, C., Clark, M. S. ja Feschotte, C. 2008: Repeated horizontal transfer of a DNA transposon in mammals and other tetrapods. Proc. Natl. Acad. Sci. 105: 17023-17028

Walsh, A. M., Kortschak, R. D., Gardner, M. G., Bertozzi, T. ja Adelson, D. L. 2013: Widespread horizontal transfer of retrotransposons. Proc. Natl. Acad. Sci. 110: 1012-1016


Missä pallokalat ovat parempia kuin me? (DNA goes retro I)

25.3.2013
Pantteripallokala Tetraodon nigroviridis

Pantteripallokala. Pallokalat ovat saaneet siivottua dna:nsa roskasta. (Kuva: Wikipedia)

Dna, elämän molekyyli, resepti uudelle eliölle; koodi, joka on kopiotunut sukupolvien ketjussa miljardeja vuosia; koodi, joka on täynnä suunnattoman tärkeää tietoa… No, oikeastaan ei ihan täynnä. Jos nyt ihan totta puhutaan, niin suurin osa dna:sta on ihan roskaa, jonninjoutavaa tilke-dna:ta muutaman hassun kymmenen tuhannen tärkeän kohdan ympärillä.

Ihmisenkin perimän dna:sta voisi leikata pois valtavia palasia ilman, että mitään tärkeää menetettäisiin. Leikkaamisen voisi aloittaa retroelementeiksi kutsutusta dna:sta. Retroelementit karsimalla kolmen miljardin palasen dna virtaviivaistuisi heti alle kahteen miljardiin.

Dna:n ohjeilla syntyy rna. Rna:n ohjeilla syntyy proteiini. Proteiineilla elämä toimii ja proteiineista elämä rakentuu. Näinhän se menee.

Paitsi että – käänteinen reittikin on mahdollinen: rna:n ohjeilla syntyy dna. Ihmisenkin dna:ssa on valmistusohjeita (geenejä) proteiinille, joka tekee juuri tätä – kääntää rna-tiedon takaisin dna:ksi. Ketjureaktio on mahdollinen, jos dna-palanen palaa kotiin: liittyy takaisin perimän pitkään dna-ketjuun rna-välivaiheen jälkeen – ja sitähän tapahtuu!

Käänteiskopiointia tekevän proteiinin geeni on yleisin geeni ihmisen perimässä. Suuri osa näistä geeneistä on rikki, mutta aika moni toimiikin. Voisi luulla että kyseinen geeni on ihmiselle tärkeä. Ihminen ei kuitenkaan tee käänteiskopioinnin geenillä mitään – retroelementit tekevät. Retroelementit aivan kuin omaa elämäänsä perimän dna:n sisällä, vaikka ne ovat itsekin pelkkiä pieniä dna-molekyylin palasia.

Retroelementtejä on eri tyyppisiä. Osa retroelementeistä on hyvin lyhyitä, niihin ei mahdu geenejä eikä oikein mitään muutakaan. Niissä on kuitenkin tunnistusjakso, niin että solun normaalit proteiinit voivat tehdä elementeistä rna-kopion. Kopiointiin takaisin dna:ksi lyhyet retroelementit lainaavat työkaluksi pidempien retroelementtien ohjeilla valmistettuja proteiineja.

Selkärankaisten perimän dna:sta tyypillisesti kolmasosa tai jopa puolet on retroelementtihölynpölyä. Poikkeuksiakin on, esimerkiksi pallokalojen perimä on tosi lyhyt ja kompakti. Ennätys on pantteripallokalalla (Tetraodon nigroviridis), jonka koko dna:ssa on vain 340 miljoonaa palasta (Jaillon ym. 2004) – esimerkiksi seeprakalan perimä on viisi kertaa isompi kuin pantteripallokalan. Mitään järkevää syytä, miksi seeprakala tarvitsisi paljon enemmän dna:ta kuin pallokala ei ole.

Ei mitään roska-dna-ruokaa - annos fugua

Ei mitään roska-dna-ruokaa… pallokalan lihasta valmistettu annos fugua (kuva: Wikipedia)

Pallokalat ovat ilmeisesti jotenkin saaneet pidettyä dna:nsa roskan määrän kurissa paremmin kuin muut selkärankaiset. Pallokalojen perimäkään ei silti ole aivan vapaa retroelementeistä. Itse asiassa pantteripallokalalta retroelementtejä on löydetty peräti 43 erilaista (Fischer ym. 2005). Juju on siinä, että elementtien kopioiden lukumäärät ovat pysyneet pieninä. Ehkä pallokalojenkin suojaus joskus taas pettää ja retroelementit pääsevät monistumaan riesaksi asti niiden perimässä.

Onko retroelementeistä haittaa? On tietysti. Jos retroelementti palaa dna:han keskelle geeniä tai jotain tärkeää säätelyjaksoa, jotain olennaista menee rikki ja haitta on ilmeinen. Luonnonvalinta voi toimia ja karsia tällaisen muutoksen. Jos retroelementti osuu dna:ssa kohtaan, jolla ei ole mitään virkaa (ja sellaisia kohtiahan on paljon), haitta on olemassa, mutta käytännössä merkityksetön: muutama sata dna:n osasta kopioitavaksi entisten satojen miljoonien tai miljardien lisäksi. Luonnonvalinta on liian heikko pysyäkseen vauhdilla kopioituvien retroelementtien tahdissa, retroelementit ehtivät kopioitua kymmeniä- tai satojatuhansia kertoja ennen kuin niistä alkaa olla todellista haittaa.

Onko retroelementeistä hyötyä? On. Ylimääräinen dna ei ole pelkkä haitta. Se antaa myös pelivaraa ja joustavuutta perimään. Perimän dna-palikoita voi silloin sekoitella, monistaa, käännellä ja yhdistellä vapaammin pelkäämättä, että jotain tärkeää menee rikki. Retroelementtien invaasion sanominen hyödylliseksi on kuitenkin vähän jälkiviisautta. Luonnonvalinta toimii tässä ja nyt, sillä ei voi olla pitkän tähtäimen suunnitelmia tyyliin: ”antaa nyt tämän joutavan dna-pätkän monistua hullun lailla siltä varalta, että muutaman miljoonan vuoden päästä tapahtuu jotain hyödyllistä”.

Viitteet:
Fischer, C., Bouneau, L., Coutanceau, J. P., Weissenbach, J., Ozouf-Costaz, C. ja Volff, J. N. 2005: Diversity and clustered distribution of retrotransposable elements in the compact genome of the pufferfish Tetraodon nigroviridis. Cytogenet. Genome Res. 110: 522-536. En ole nähnyt tästä kuin abstraktin. Olisin iloinen, jos joku lähettäisi pdf:n koko artikkelista.

Jaillon, O., Aury, J. M., Brunet, F., Petit, J. L., Stange-Thomann, N., Mauceli, E., Bouneau, L., Fischer, C., Ozouf-Costaz, C., Bernot, A. ym. (61 kirjoittajaa) 2004: Genome duplication in the teleost fish Tetraodon nigroviridis reveals the early vertebrate proto-karyotype. Nature 431: 946–957.

-Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com

Gallup:


Mehiläiset – näyttäkää niille punkeille!

17.3.2013

2-heptanonin arvoitus

Mehiläisten leukaperien rauhasista erittyvä 2-heptanoni on tutkijoille vanha tuttu. Aineen käyttötarkoituksesta on ollut kaksikin hyvää hypoteesia, joissa ei oikeastaan ole muuta vikaa kuin, että kumpikaan ei ole totta.

Uusi tutkimus (Papachristoforou ym. 2012) ratkaisee 2-heptanonin lähes viisikymmentä vuotta vanhan arvoituksen: se ei toimi hälytyskemikaalina, eikä sillä merkitä kukkia, joissa mehiläinen on vieraillut; sen sijaan 2-heptanonilla olisi mahdollista tuhota punkkeja ja muita mehiläisten vihollisia.

Varroa destructor

Varroa destructor. Kuva: Wikipedia.

Mehiläisten monet konstit

Isoja pesiensä uhkaajia, kuten ihmisiä, mehiläiset tietenkin pistävät. Jos tunkeilija on liian pieni pistettäväksi, mehiläiset purevat. Papachristoforou ym. (2012) havaitsivat, että mehiläiset pystyvät puremaan isovahakoisan (Galleria mellonella) toukkia ja ruiskuttamaan niihin 2-heptanonia, jonka ansiosta koisantoukat halvaantuivat muutamiksi minuuteiksi. Mehiläiset saavat ehkä heivattua tuholaiset ulos pesästä sinä aikana, kun ne ovat 2-heptanonin lamaannuttamia.

Varroapunkit ovat niin pieniä, etteivät mehiläiset saa niihin purtua reikää. Tämä ei haittaa, koska 2-heptanoni toimii tutkijoiden mukaan varroaan myös ulkoisesti. Tarvittava aineen määrä on kymmenkertainen koisantoukan halvaannuttamiseen verrattuna, mutta pieni silti: 0,06 mikrolitraa riittää. Toisin kuin koisantoukat, punkit ilmeisesti eivät toivu 2-heptanonimyrkytyksestään, vaan lopulta kuolevat.

Mehiläisen leuka ja sen purujälki perhostoukan ihossa
Mehiläisen leuka ja sen purujälki koisantoukan ihossa. Kuva: Papachristoforou ym. (2012).

Mehiläiset vastaan varroapunkki

Mehiläisillä leuoissa on siis tehokasta punkintorjunta-ainetta, mutta käytäntö on osoittanut, että mehiläiset eivät saa punkkeja kuriin. Varroapunkit ovat iso ongelma mehiläishoidolle. Punkit ovat levinneet käytännössä kaikkiin Suomenkin mehiläispesiin ja ilman säännöllistä torjuntaa kutakuinkin kaikki mehiläispesät tuhoutuisivat muutamassa vuodessa. Tarkkaan ottaen mehiläiset eivät kuole suoraan punkkeihin, vaan virussairauksiin, joille punkkien vaivaamat pesät altistuvat.

Miksi mehiläiset eivät osaa torjua punkkeja? Perussyy on se, että varroapunkit (Varroa destructor) ovat mehiläiselle (Apis mellifera) uusi ongelma. Punkit ovat loikanneet kesymehiläiseen intianmehiläisestä (Apis cerana). Intianmehiläisellä ja varroapunkilla on takanaan pitkä yhteisevoluutio, mutta mehiläistä evoluutio ei ole valmistanut kohtaamaan näitä loisia. Epäilemättä luonnonvalinta suosii mehiläisen kehittymistä pärjäämään paremmin punkkien kanssa. Samalla valinta suosii punkin kehittymistä harmittomammaksi uudelle emäntälajilleen, koska loisenkaan etu ei ole olla liian tuhoisa. Kaikkeen tähän kehitykseen menee kuitenkin aikaa.

Apis cerana. Kuva: foter.com.

Intianmehiläinen on sinut varroapunkin kanssa (kuvan intianmehiläisen jaloissa ei ole jättipunkkeja, vaan siitepölyä:) Kuva: foter.com.

Punkinkestävien mehiläisten jalostus

Mehiläishoitajille luontaisen evoluution odottelu on liian hidasta ja käy kalliiksi. Halutun ominaisuuden evoluutiota voi nopeuttaa jalostuksella. Taiten tehtynä* mehiläisiä voi jalostaa punkinkestäviksi ilman, että samalla menetetään mehiläisen muuta perinnöllistä muuntelua tai jo saavutettuja hyviä ominaisuuksia kuten rauhallista luonnetta.

Mehiläisten oma tapa lisääntyä on parveilu. Mehiläiskoiraita lentää parveilupaikalle kilometrien säteellä. Parveilun ansiosta mehiläiskuningattaret (hoitajakielellä emot) saavat jälkeläisilleen monipuolisia geenejä. Samalla parveilu tekee mehiläisen jalostamisesta muita kotieläimiä vaikeampaa, koska puolet seuraavan sukupolven kuningatarten geeneistä tulee vierailta kuhnureilta, joiden ominaisuudet ovat kasvattajalle tuntemattomia.

Käytännössä mehiläisten jalostuksessa tarvitaan keinosiemennystä tai ainakin paritustarhoja, joiden lähimaastossa ei ole sellaisia pesiä, joista hoitajat torjuvat punkkeja. Jos ostaa omiin pesiinsä punkkeja kestävät kuningattaret, naapuritarhaajat olisi saatava samaan juoneen mukaan.

Laajamittainen jalostus on myös siitä hyödyllistä, että silloin voidaan hyödyntää eri punkinkestävien kantojen risteytystä, jolloin ainakin ensimmäisessä jälkeläispolvessa voi olla melkoisia supermehiläisiä. Samalla voi yhdistyä useita erilaisia keinoja torjua punkkeja, 2-heptanoni ole mehiläisten ainoa konsti, ne voivat esimerkiksi tunnistaa punkkien pahiten vaivaamat kotelot (hoitajakielellä sikiöt) ja tuhota ne.

Periytyvyys täytyy myös tarkistaa eri olosuhteissa. Suomessa sataprosenttisesti punkinkestävät mehiläiset eivät välttämättä olekaan sitä Keski-Euroopassa ja päinvastoin. Suomessa Juhani Lundén on saanut vuosien työn jälkeen lupaavia tuloksia punkinkestävien mehiläisten jalostuksessa.

* Jos jalostusta ei tehdä taiten, voi käydä yhtä huonosti kuin yksitotiseksi monokulttuuriksi jalostetulle rypsille, jota pitää huljuttaa pölyttäjähyönteisiä tappavilla neonikotidi-myrkyillä, etteivät kirpat söisi.

Hyvää ja hyödyllistä perustutkimusta

Tämän jutun lähdeartikkelia (Papchristoforou ym. 2013) voi lukea malliesimerkkinä hyvin tehdystä tieteellisestä työstä. Sen lisäksi, että tutkijat antoivat mehiläisten yrittää purra ja lamata tuholaisia, he ruiskuttivat 2-heptanonia niihin myös itse (positiivinen kontrolli) ja ruiskuttivat koisantoukkiin tislattua vettä, varmistaakseen, ettei pelkkä pistäminen lamaannuta niitä (negatiivinen kontrolli).

Vanhalla kunnon menetelmällä, katsomalla mikroskoopilla, vahvistettiin hypoteesia, että 2-heptanonia ei erity automaattisesti jokaiseen mehiläisen puremaan, vaan se käyttää arvokasta ainetta vain tarpeen vaatiessa.

Bonuksena artikkelissa tuodaan esille 2-heptanonille toinenkin mahdollisen sovellus mehiläisten loisten torjunnan lisäksi. Alustavat kokeet 2-heptanonin vaikutuksesta rottien hermosoluihin viittaavat siihen, että 2-heptanoni saattaisi ihmisten ja muiden nisäkkäiden iholle siveltynä tai pistettynä toimia mainiona paikallispuudutteena, ehkä suositun lidokaiinin veroisena, mutta vähemmän myrkyllisenä.

Paljon on hienoa asiaa yhdessä artikkelissa, 2-heptanonin lääketieteellisistä sovelluksista olisi kyllä voinut hyvällä omallatunnolla tehdä ihan erillisenkin jutun.

Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com

Viite: Papachristoforou, A., Kagiava, A., Papaefthimiou, C., Termentzi, A., Fokialakis, N., Skaltsounis, A.-L., Watkins, M., Arnold, G. ja Theophilides, G. 2012: The bite of the honeybee: 2-heptanone secreted from honeybee mandibles during a bite acts as a local anaesthetic in insects and mammals. PLoS One 7: e47432. 


Muura-muurahainen soittaa viuluaan

6.3.2013

Muurahaiset sirittävät. Enpäs tiennyt. Eivätkä vain siritä, vaan myös kuulevat toistensa sirityksen ja viestivät näin toisilleen.

Sata vuotta vanha totuus, jonka mukaan muurahaiset ovat kuuroja murentui vasta reilu kymmenen vuotta sitten (Hickling ja Brown 2001). Muurahaiset eivät pysty huutelemaan toisilleen ihan metrien päähän, mutta senttimetrien päähän hyvinkin.

Ihminenkin voi kuulla muurahaisen sirityksen, jos kuuntelee tarkkaan. Täytyykin ensi kesänä kokeilla…

Muurahaisten ääni kuulostaa ehkä enemmän rumpujen pärinältä kuin viulun vingutukselta. Kuva: carlsencards.com

Ehkä sittenkin rummut eikä viuluja? Kuva: carlsencards.com

Sirittämiseen tarvittavaa rakennetta ei ole kaikilla muurahaisilla (vain Myrmicinae, Ponerinae, Nothomyrmecinae ja Pseudomyrmecinae alaheimoista löytyy). Esimerkiksi kekomuurahaisten (Formica-suku) keolle on turha mennä siritystä kuuntelemaan, kekomuurahaisilta puuttuu tarvittava soittolaite, mutta viholaisilla (Myrmica-suku) ”siritin” on (viholaiset ovat niitä, jotka pistävät suomalaisista muurahaisista kipeimmin…).

Muurahaisten siritys syntyy takaruumiin kitiinilevyissä. Viholaisten vyötärön takimmaisessa ”ylimääräisessä” nupissa eli postpetioluksessa on pieni piikki, jota muurahainen käyttää plektrana. Vastapuolella, takaruumiin pulleassa osassa, on mikroskooppisen pienen pyykkilaudan tapaisesti uria, joita muurahainen sitten voi plektrallaan raaputella.

Aivan uunituore tieto on, että vielä kuoriutumattomat, viimeistä kotelovaihettaan viettävät, muurahaiset voivat jo sirittää ja osallistua siten viestintään aikuisten muurahaisten kanssa (Casacci ym. 2013).

Viholaisten kotelot näyttävät valkoisilta muurahaisilta; toisin kuin esimerkiksi kekomuurahaisten toukat, viholaisten toukat eivät kehrää suojakseen kotelokoppaa (”muurahaisenmunaa”), joten metaforfoosi toukasta aikuiseksi muurahaiseksi on viholaisilla avoimesti näkyvissä. Kehittyvän yksilön päällä on kuitenkin kalvo, joka rajoittaa kotelon liikkeitä. Ehkä siksi kotelo ei osaa soittaa viuluaan ihan yhtä hienosti kuin aikuiset, vaan kotelon äänet ovat yksittäisiä pulsseja.

Science-lehden nettisivuilta löytyy ääninäytteet polvisarviviholaisen (Myrmica scabrinodis) aikuisen työläisen ja kotelon sirityksestä (Casacci ym. 2013). Huomaa, että sivun kuvatekstissä on virhe, muurahaiset eivät siritä takajalkojensa avulla; ne ovat heinäsirkkoja, jotka niin tekevät…

Äänet ovat muurahaisten viestinnässä sivuroolissa. Olen aiemmin kirjoittanut täällä, miten uskomattomia juttuja kekomuurahaiset voivat kertoa toisilleen – ja kekomuurahaisethan eivät siritä. Epäilemättä kaikki muurahaiset kommunikoivat pääasiassa kemiallisten viestien ja kosketuksen (”tuntosarveilun”) avulla.

Merkityksettömiä eivät äänetkään silti ole. Jos muurahaispesää hajottaa, muurahaisilla näyttää usein olevan kuin selkeä ”pelastussuunnitelma”, kotelot ja isoimmat toukat kiikutetaan turvaan ensin ja viimeisenä pienimmät toukat ja munat. Tämä on tietysti järkevää, koska vanhimpiin jälkeläisiin on jo satsattu eniten resursseja, munia voi aina munia vauhdilla uusia. Kotelot ja isoimmat toukat saavat itsensä pelastettua ensin, koska ne pystyvät antamaan voimakkaimmat kemialliset signaalit – ja vanhimmilla jo kovettuneilla koteloilla on sitten vielä tämä juuri havaittu lisäkonsti: ne voivat huutaa apua sirittimellään!

Sirityksen merkitystä kuvaa hyvin sekin, että viholaispesissä loisivat muurahaissinisiipi -perhosen (Maculinea arion) toukat ja kotelot sirittävät myös (katsaus: Barbero ym. 2012). Muurahaissinisiiven nuoruusvaiheet osaavat jäljitellä emäntälajinsa ja -pesänsä hajuja, mutta tämä ei ilmeisesti ole yksin ole riittänyt. Bluffin läpimeno vaatii myös kykyä sirittää kuin viholainen. Muurahaissinisiiven kotelot sirittävät muurahaisten tavoin kitiinilevyjä hankaamalla, mutta niiden toukat ääntelevät vähän kuin me, ilmaa ilmaputkissaan liikuttelemalla.

Viitteet:

Barbero, F., Patricelli, D., Witek, M., Balletto, E., Casacci, L. P., Sala, M. ja Bonelli S. 2012: Myrmica ants and their butterfly parasites with special focus on the acoustic communication. Psyche, 11 s.

Casacci, L. P., Thomas, J. A., Sala, M., Treanor, D., Bonelli, S., Balletto, E. ja Schönrogge, K. 2013: Ant pupae employ acustics to communicate social status in their colony’s hierarchy. Curr. Biol. 23: 323-327.

Hickling, R. ja Brown, R. L. 2001: Vastine kirjoitukseen ”Ants are deaf”. J. Acoust. Soc. Am. 6: 3083.

-Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com