Embryon och förfäder – en pånyttfödd vetenskap

Många har säkert fått lära sig i skolan att ”ontogenin upprepar fylogenin”, den så kallade biogenetiska regeln. Den populariserades av Ernst Haeckel, Darwins tyske apostel. Haeckel bidrog till att göra jämförande studier av ontogenin – embryonalutvecklingen – till vetenskapligt mode under sent 1800-tal. Han tänkte sig att djur är mer lika varandra på tidiga stadier än senare i utvecklingen, och att man därigenom kan se deras släktskap bäst genom att jämföra embryon. Embryonalutvecklingen blir så till ett fönster genom vilket man kan se evolutionens olika stadier med egna ögon.

Haeckel var den förste som ritade stamträd – fylogenier – och använde vad som då var känt om olika djurs embryologi som en guide till att rekonstruera trädets förgreningar. Att denna metod var behäftad med stora problem visste han, men ibland stämmer det faktiskt att embryon och larver kan hjälpa oss att förstå livets utveckling. Charles Darwin tillbringade många år med att studera rankfotingar: havstulpaner och deras släktingar. De vuxna djuren är fastsittande och omgivna av vassa skalplattor som man lätt skadar sig på om man rör sig oförsiktigt, till exempel på den svenska västkustens klippiga stränder. Darwin och andra kunde dock visa att dessa havstulpaner egentligen är kräftdjur. Deras larver är av samma typ som hos andra kräftdjur, och genom att studera omvandlingen till vuxet djur kan man förstå utvecklingen bättre. Inuti skalet ligger djuret på rygg, och benen är omvandlade till ett slags filter som ibland sticker upp mellan skalen och samlar in näring.

Darwin skrev tre stora monografier om dessa kräftdjur som han gav ut 1851-54, medan han arbetade vidare på sin evolutionslära, som kom i tryck först 1859. Då visste man inget om hur embryonalutvecklingen styrs på genetisk nivå, men man förstod att evolutionära förändringar i djurs form och utseende måste orsakas av förändringar i de processer som styr embryonalutvecklingen. Om man jämför en tax med en varg, alla hundrasers förfader, så måste inte bara embryots tillväxt vara nerskruvad i största allmänhet för att producera den lilla taxen, utan benen måste växa ännu långsammare för att producera de korta taxbenen.

De senaste 25 åren har förståelsen ökat av hur embryots utveckling styrs. Med hjälp av molekylärgenetikens metoder förstår vi alltmer vilka gener som styr den tidiga utvecklingen och hur detta går till. Den nya kunskapen har gjort att intresset för att återigen undersöka sambandet mellan embryonalutveckling och evolution formligen exploderat. En av de ledande forskarna inom området, Sean Carroll, har nu skrivit en populärvetenskaplig bok om detta nygamla forskningsfält, den evolutionära utvecklingsbiologin, ofta förkortat till det mer hanterliga evo-devo. Denna bok kompletteras utmärkt av filosofen Ron Amundsons överblick över ämnets idéhistoria.

De flesta djur har mellan 10 000 och 25 000 gener, och för allt fler arter finns nu kompletta sekvenser av alla deras gener, hela genomet. Eftersom djur som ser mycket olika ut – maskar, flugor och människor – har ungefär samma gener, måste även embryonalutvecklingen styras på samma sätt hos alla djur, oavsett utseende. Mest välkänt är kanske att samma gener hos flugor och däggdjur styr hur embryot vet vad som ska bli huvud respektive bakdel, eller ryggsida respektive buksida. De forskare som upptäckte de så kallade Hox-generna som styr vilken identitet olika kroppsdelar får, fick 1995 års Nobelpris i medicin eller fysiologi. Om gener av denna typ muterar och inte längre kan fullfölja sina uppgifter, får detta märkliga följder. Kroppsdelar får fel identitet, exempelvis bildas ben i stället för antenner på flugor.

Numera känner vi till en uppsjö av gener som styr embryonalutvecklingen, och de har samma uppgifter i olika djur. Carroll kallar dem den ”verktygslåda” som används under embryonalutvecklingen. Att utvecklingen även av organ som är mycket olika – till exempel flugors komplexögon och våra egna – kontrolleras av samma genetiska maskineri visades när en gen, Pax6, upptäcktes. Den behövs för att sätta i gång ögonens utveckling hos både flugor och människor. Även när det gäller andra viktiga organsystem – hjärtat och blodomloppet, armar och ben – finns nu liknande resultat.

Men om nu samma gener styr utvecklingen, hur uppkommer då skillnaderna, den biologiska mångfald av färger och former som vi ser omkring oss? Sean Carrolls forskargrupp har i en serie studier visat att ögonfläckar hos fjärilar, en unik evolutionär innovation, uppkommit genom att gener från den verktygslåda som styr den tidiga utvecklingen har återanvänts för att bestämma var ögonfläckarna placeras, hur stora de blir och så vidare.

Evolutionen är alltså mästerlig på att återanvända gamla gener för nya, innovativa uppgifter. Så kan paradoxen lösas, och konservativa drag – som att alla insekter har sex ben, spindlar åtta och landlevande ryggradsdjur fyra – samsas med den innovationsförmåga som gett upphov till den mångfald som finns hos var och en av dessa djurgrupper.