Darwin hade fel: Evolutionen går visst att följa

Tolv flaskor med bakterier i näringslösning. Den amerikanska forskaren Richard Lenskis evolutionsexperiment kan framstå som anspråkslöst, men försöket startade redan 1988, och hela 57 000 bakteriegenerationer har förflutit sedan dess. Om man räknar med att människan har en generationstid på 20 år, så motsvarar försöket drygt en miljon år av mänsklig evolution.

– Jag ville göra ett långt experiment, men jag hade inte tänkt hålla på i flera decennier. Försöket fortsätter dock att producera intressanta resultat, och nu planerar jag att låta mina efterträdare ta över när jag drar mig tillbaka, säger Richard Lenski.

Richard Lenskis bakterier står på sträng diet. Näringslösningen i flaskorna innehåller endast en dagsranson glykos som är bakteriernas föda. Varje morgon flyttar Richard Lenskis forskarteam en liten mängd bakterier till nya flaskor med näringslösning, så att bakterierna kan producera nya generationer.

Den ursprungliga idén till försöket var att studera hur bakterierna anpassades till den näringsfattiga miljön, en utmaning som de klarade galant. Efter ungefär 20 000 generationer hade deras tillväxthastighet ökat med 70 procent. Bakterierna hade även blivit avsevärt större. Men den största förändringen kom efter ungefär 30 000 generationer, då evolutionen plötsligt tog ett jättekliv framåt.

En morgon upptäckte Richard Lenski att en av de tolv bakterieodlingarna hade blivit grumlig. Det visade sig bero på att flaskan innehöll tio gånger mera bakterier än de andra odlingarna, trots att näringstillgången var densamma i alla flaskor. Bakterierna hade på något sätt lyckats utöka sitt matförråd.

Bakteriernas näringslösning innehåller citrat som krävs för att bakterierna ska kunna ta upp järn. Själva citratet tas dock inte upp av cellerna utan stannar i lösningen. Så hade det i alla fall varit fram tills nu. Närmare undersökningar visade nämligen att den kraftiga tillväxten berodde på att bakterierna hade utvecklat en förmåga att äta själva citratet.

Bakterierna i försöket är av arten Escherichia coli. Bakterien kan under extrema förhållanden överleva på citrat. Det kräver dock en syrefri miljö och att ingen annan föda finns att tillgå. Men Richard Lenskis bakterier odlades i en syrerik miljö som innehöll glykos som föda.

Ur ett evolutionärt perspektiv är den här förändringen enorm. E. colis bristande förmåga att äta citrat i närvaro av syre är så väldokumenterad att den ingår i själva artbeskrivningen av bakterien.

– Jag blev helt förbluffad när jag såg förändringen. Först trodde jag att det berodde på att jag fått in en annan bakterie i odlingen. Men dna-analyser visade att det var mina bakterier som hade utvecklat den nya färdigheten, säger Richard Lenski.

Ända sedan experimentet startade har Richard Lenskis forskarteam med jämna mellanrum frusit in bakteriegenerationer. Bakterierna kan väckas till liv igen och fungerar alltså som ett slags levande fossil. Forskarna kan därför spåra mutationer bakåt i tiden. På så sätt har de nu kunnat visa hur det gick till när bakteriernas förmåga att äta citrat uppstod.

Forskarna fann att vissa genförändringar uppstod redan efter cirka 20 000 generationer. Men nyttan av de här mutationerna blev tydlig först 10 000 generationer senare. Då skedde nämligen en kraftigare mutation som medförde att ett relativt stort dna-segment kopierades och klistrades in på ett nytt ställe i arvsmassan. Resultatet blev en ny dna-sekvens som bland annat innehöll en gen som kodar för ett protein som kunde transportera citrat in i cellen, samt en gen som aktiverade citratgenen. Nu hade förmågan att äta citrat uppstått. Näringsupptaget var dock litet, eftersom processen var väldigt ineffektiv. Men efter kort tid, det vill säga några tusen generationer, inträffade en serie mutationer som medförde att flera kopior av den nya dna-sekvensen bildades. Nu kunde bakterierna producera tillräckliga mängder av citrattransporterande proteiner; processen var fulländad.

– Det som gör Richard Lenskis experiment unikt är att bakterierna har fått utvecklas under så lång tid i en stabil miljö, säger Joakim Näsvall, som är mikrobiolog på Institutionen för medicinsk biokemi och mikrobiologi vid Uppsala universitet.

Joakim Näsvall och hans kolleger publicerade nyligen en studie i tidskriften Science som visar hur det kan gå till när evolutionen ger upphov till nya gener – och därmed ny förmåga – hos bakterier. I studien manipulerade forskarna både miljön och bakterierna, vilket skapade förutsättningar för en urvalsprocess som var så snabb att den kunde studeras i realtid.

Forskarna utgick från en variant av salmonellabakterien som saknade förmåga att tillverka två nödvändiga aminosyror: tryptofan och histidin. Forskarna överförde en ny gen till bakterierna. Den hade två funktioner: dels kodade den för ett enzym som krävdes för tillverkningen av histidin, dels bidrog den till en viss produktion av tryptofan. Bakterier med den nya genen odlades sedan i en näringslösning som var fri från de två aminosyrorna.

Den extrema miljön ställde krav på snabb anpassning. Redan efter några hundra generationer hade bakteriernas tillväxthastighet ökat markant. Forskarna kunde konstatera att mutationer hade gett ett flertal kopior av den nya genen, vilket ökade produktionen av de nödvändiga aminosyrorna. Försöket pågick i ungefär 3 000 generationer. Då hade det dessutom bildats genkopior som var specialiserade på antingen tryptofan- eller histidinproduktion.

– Vår forskning visar att evolutionen kan skapa nya gener på bara några tusen generationer. När det gäller bakterier motsvarar det ungefär ett år i laboratoriet, säger Joakim Näsvall.

Många evolutionsexperiment går ut på att manipulera organismernas miljöer. Förhoppningen är att detta ska leda till snabba, och i bästa fall, lättstuderade evolutionsförlopp. Det flesta sådana experiment äger rum på laboratorier. Men om man är på rätt plats vid rätt tillfälle, kan också naturliga miljöförändringar utnyttjas.

Bahamas vackra stränder och behagliga klimat utgör sinnebilden för ett semesterparadis. Men ögruppen ligger mitt i Atlantens orkanbälte. Många av öarna i Bahamas skärgård är dessutom förhållandevis platta, vilket gör dem extra utsatta när det blir oväder. Orkanen Frances, som härjade över Bahamas år 2004, drog med sig en stormflod som satte många av Bahamas mindre öar under vatten. De här småöarna bebos av en brun liten ödla som tillhör släktet Anolis. Den är en snabbfotad insektsätare som kan kolonisera nya öar genom att lifta med flytande bråte. Men orkanen slog hårt mot ödlorna. Och när ovädret hade bedarrat, var många bestånd utrotade.

På Bahamas finns ett team av amerikanska och brittiska forskare som har ägnat flera decennier åt att studera ödlornas ekologi. Forskarna är ganska luttrade vid det här laget, många långtidsstudier har spolats bort av orkanerna. Men den här gången beslutade forskarna sig för att använda ödlornas hädanfärd för att studera det naturliga urvalet.

Forskarna samlade in ödlor på en större ö som hade klarat sig undan orkanens härjningar. Sedan grundade de nya ödlekolonier genom att sätta ut en hanne och hona på sju tomma småöar. Under de följande fyra åren studerade forskarna utvecklingen på öarna.

Ödlorna ökade snabbt i antal. Det var också uppenbart att det pågick en snabb urvalsprocess. För varje år som gick blev ödlornas ben allt kortare. Öarna som ödlorna koloniserat saknade träd och bestod mest av snår och stenskravel. Ödlornas ursprungliga ö var däremot till stor del bevuxen med skog. Där var långa ben en fördel när ödlorna jagade insekter på trädstammarna eller när de flydde från rovdjur. Men småöarna saknade rovdjur, och korta ben var mera lämpade för småöarnas snåriga vegetation.

Men forskarna kunde även se att ödlorna bar med sig arvsanlag från de individer som grundat kolonierna. De ödlekolonier som hade de kortaste benen härstammade från de mest kortbenta grundarna, medan ödlekolonier med längre ben hade haft långbenta grundare. Den relativa förkortningen av benlängden var ungefär lika stor på öarna, men arvet efter grundargenerationen fanns alltså kvar.

Experimentet åskådliggör en svårstuderad evolutionär process, den så kallade grundareffekten. Den uppkommer då ett nytt område koloniseras av ett fåtal individer. Resultatet blir ett bestånd med liten genetisk variation och en relativt slumpmässig spridning av arvsanlagen. Grundareffekten kan därför påverka det naturliga urvalet och bidra till att ovanliga arvsanlag får fäste i det nya beståndet.

– Vi har sett en snabb urvalsprocess vid tidigare försök med ödlor, så den effekten var väntad, men vi hade inte förväntat oss en så tydlig grundareffekt samtidigt som urvalsprocessen pågick, säger professor Jonathan Losos vid Washington university i St. Louis i USA, som deltog i studien.

Det naturliga urvalet leder inte bara till anpassningar. Om evolutionen får verka tillräckligt länge kan förändringarna bli så stora att nya arter uppstår. Eftersom artbildningen är en så tidsödande process är den svår att studera. Men dess underliggande mekanismer kan undersökas med hjälp av experiment.

Ett klassiskt experiment med artbildning utfördes i slutet av 1980-talet av en amerikansk forskare vid namn Diane Dodd. Hon delade upp ett bestånd bananflugor i två grupper som föddes upp på olika sorters föda. Den ena gruppen fick stärkelserik mat, den andra gruppen fick mat som innehöll glukos. Försöket pågick under många generationer och flugorna hölls åtskilda under hela perioden.

När Diane Dodd sedan sammanförde de två grupperna, kunde hon konstatera att de inte ville para sig med varandra. Däremot parade sig individer från samma grupp. Studien demonstrerar artbildningens första steg, det vill säga att två grupper av samma art har blivit så pass olika att det uppstått en parningsbarriär mellan dem. Parningsbarriären kan exempelvis bestå i att grupperna har utvecklat olika parningsmönster eller beteenden. Om utvecklingen fortskrider kan grupperna till slut bli så olika att de inte längre kan para sig med varandra. De har blivit olika arter.

Det finns faktiskt några dokumenterade fall av artbildning i modern tid. Ett intressant exempel kommer från Londons tunnelbana.

Under andra världskriget fungerade Londons tunnelbanestationer som skyddsrum. Tunnelbanan erbjöd skydd mot tyskarnas flygräder. Men timmarna i tunnelbanan kunde bli plågsamma, för där väntade en annan fiende, i form av en ovanligt blodtörstig mygga.

Tunnelbanemyggan är till utseendet identisk med en art som heter Culex pipiens. I Sverige kallar vi den ”vanlig stickmygga”. Men arten brukar inte anfalla människor, den föredrar nämligen fågelblod.

Ingen vet exakt hur det gick till när tunnelbanemyggan uppstod. Men Londons tunnelbanenät började byggas redan under 1800-talet, och en teori är att en liten grupp stickmyggor blev instängda i samband med att de första tunnlarna byggdes. Den nya miljön ställde krav på ny anpassning och människan fick bli myggornas blodgivare. De anpassades också till det nya klimatet. Värmen i tunnelbanenätet medförde att myggorna började föröka sig året om, men de blev också känsligare för kyla. Tunnelbanemyggan har dessutom utvecklat förmågan att föröka sig utan blod, något som den vanliga stickmyggan inte klarar av.

– Möjligheten att lägga en omgång ägg utan att först suga blod gör att den kan bygga upp rätt omfattande bestånd, även om få individer lyckas suga blod, säger Jan Lundström, myggforskare vid Uppsala universitet.

Laboratorieförsök har visat att det finns en parningsbarriär mellan tunnelbanemyggan och stickmyggan, men att vissa bestånd trots allt kan para sig med varandra. Tunnelbanemyggan brukar betraktas som en underart till den vanliga stickmyggan, och har därför fått det respektingivande namnet Culex pipiens molestus.

Det sägs att fröet till evolutionsteorin såddes när Charles Darwin som tjugoåring besökte Galapagosöarna. Året var 1835, och Darwin var vid den tidpunkten en avhoppad präststudent som på nåder fått följa med forskningsfartyget HMS Beagle på en femårig expedition utefter Sydamerikas kuster. På Galapagos studerade Darwin bland annat ögruppens finkarter. Han förundrades över att arterna var så pass lika till utseendet, trots att de hade så olika levnadssätt. Darwin började misstänka att finkarna härstammade från en enda art som för länge sedan hade koloniserat ögruppen från fastlandet.

Darwin tillbringade endast några veckor på Galapagosöarna. Men i modern tid har ögruppen blivit något av ett Mekka för evolutionsbiologer. Det brittiska forskarparet Peter och Rosemary Grant har ägnat flera decennier åt att studera Darwins finkar. Paret Grant publicerade nyligen en studie som säkerligen hade gjort Darwin nöjd. Den visar nämligen hur nya finkarter kan uppstå på Galapagos.

När forskarna år 1981 ringmärkte fåglarna på Daphne Major, som är en av Galapagos öar, fann de en udda fågel i fångstnätet. Den påminde om en hanne av en art som kort och gott kallas darwinfink. Men den här individen var ovanligt stor och hade en avvikande form på näbben. Dessutom hade den en underlig sång. Närmare undersökningar visade att fågeln var en korsning mellan två finkarter, något som inte är helt ovanligt på Galapagos. Dna-analyser visade att fågeln var en immigrant från en avlägsen ö.

Den nya immigranten fann omedelbart en maka, även hon en korsning mellan två arter. Det udda paret fick ett antal söner som parade sig med vanliga darwinfinkar på ön. Under 2004 drabbades ön av en svår torrperiod som dödade alla ättlingar utom två, ett syskonpar av skilda kön. Syskonparet parade sig och gruppen började växa igen. Men från och med nu skedde all parning inom gruppen. En parningsbarriär hade uppstått, och under de följande åren blev det nya beståndet mer och mer olikt öns övriga darwinfinkar. Hela förloppet tog ungefär 30 år.

I det här fallet berodde parningsbarriären inte på genetiska skillnader utan på inlärda beteenden. Hos sångfåglar lär sig hannarna sjunga rätt melodi genom att lyssna på sina artfränder. Men i det nybildade finkbeståndet lärde sig de unga hannarna den avvikande sångmelodi som den ursprungliga kolonisatören hade introducerat i gruppen. Den här sången attraherade inte öns vanliga finkhonor. Däremot uppskattades den av honorna inom gruppen.

Forskarparet Grant konstaterar att eftersom det nya beståndet inte parar sig med de övriga darwinfinkarna, fungerar det som en egen art.

Evolutionsteorin har nu 150 år på nacken och har stått sig väl mot tidens tand. I ett avseende hade Darwin dock fel. I sin bok Om arternas uppkomst beskriver han evolutionen som en stegvis process som är alltför långsam för att kunna observeras. Men modern forskning visar alltså att evolutionen snarare är en stötvis process som kan vara så snabb att den faktiskt går att studera hos levande arter. Detta kräver dock skicklighet, stort tålamod och ibland en gnutta tur.