Dna ritar om Carl von Linnés släktträd

Att valar är släkt med hovdjur har forskarna vetat länge. Men tack vare kartläggningen av valarnas gener vet vi nu att de också är partåiga hovdjur, med flodhästen som närmaste släkting. Det är bara ett av många överraskande släktskap som dna-tekniken avslöjat – och som nu även bekräftats av flera fossilfynd av valens anfäder som gick på fyra ben.

Sedan dna-analyser kom in i botanikernas och zoologernas verktygslåda i mitten av 1990-talet har många släktskap fått omvärderas. Elefanternas närmaste släktingar är sjökor och klipphyrax. Men i kretsen ingår även bland annat jordsvin och springnäbbmös, visar dna-analyser. Falkar är ganska nära släkt med papegojor och småfåglar som domherre och talgoxe, medan duvhök och ormvråk är mer avlägsna kusiner. Papaya är närmare besläktad med senap och pepparrot än med gurka – det senapsliknande smakämnet finns i fröna, inte i fruktköttet.

Botanikern Carl von Linné (1707–1778) byggde sitt så kallade sexualsystem på skillnader i utseende, det enda som stod till buds med den tidens teknik. Han räknade ståndare och pistiller, kronblad och foderblad, tittade på former och miljöer. Så jobbar botaniker, ornitologer och andra forskare än i dag. Det har inte blivit omodernt, utan bara kompletterat med genetiska analyser.

Linné visste själv att hans system var ofullständigt och det har byggts ut kontinuerligt ända sedan hans dagar. Med dna-analys och svällande datorkapacitet har takten ökat enormt.

– Om man ska göra ett släktträd för exempelvis Sveriges mesar och bara tittar på deras utseende, hittar du i allra bästa fall något hundratal skillnader. Men den genetiska koden skiljer sig på flera miljoner ställen, det är vida överlägset, säger Per Alström, professor i ornitologi vid Uppsala universitet och ordförande i Svenska artprojektets vetenskapliga kommitté (se faktaruta).

Fullt så mycket information behövs dock inte för att definiera en art – hela genuppsättningar behöver inte jämföras. Det räcker oftast med att titta på ett antal nyckelställen i arvsmassan för att skilja en art från en annan. Människans och chimpansens dna är exempelvis till 98 procent lika, men den lilla andel som skiljer har stor betydelse. Att vi blivit så olika beror på att människan förändrats mycket snabbare än aporna.

På Linnés tid fanns ingen kunskap om evolutionen: Arterna var givna en gång för alla, av Gud i skapelsen. Det var först med Charles Darwin (1809–1882) och hans bok Om arternas uppkomst 1859 som Bibelns skapelseberättelse ifrågasattes på allvar. Och med evolutionsläran fick Linnés system justeras.

Den hierarkiska indelningen – där Linné lät arter ingå i överordnade släkten, som i sin tur ingår i familjer, vilka samlas i ordningar och i toppen har rikena djur och växter – började tidigt att utvidgas. Systemet förfinades stegvis och med dna-analys och ökande datorkraft togs ett jättekliv för omkring 25 år sedan.

I dag fördelas existerande och utdöda arter på ett tiotal nivåer, plus över- och undergrupper till flera av dessa. Mellan Linnés nivåer har man petat in bland annat så kallade tribus och kohorter, under/överarter och under/överfamiljer för att försöka spegla hur arter är besläktade. Hur många nivåer som behövs varierar i olika grenar av livets träd.

Antalet riken växte till sex innan nivån domän infördes ovanför dem. Nu återstår rikena djur, växter och svampar. Ju högre upp i hierarkin man går, desto längre tillbaka i evolutionen och livets ursprung hamnar man. I varje punkt där en gren delas har arter skilts åt. Var och en av dessa grenar kan sedan – men behöver inte – delas på nytt och det uppstår grupper av arter med gemensamma egenskaper.

Många förgreningar är fortfarande under diskussion. Vissa grenar har oerhört många kvistar och det behövs en detaljerad hierarki för att skilja dem åt. Exempelvis råder ännu oenighet kring hur släktträdet för människan och våra närmaste släktingar bland primaterna förgrenas.

Lika komplicerat är det i andra stora grupper av djur, växter och svampar. Hierarkin räcker inte till, så forskare pratar ibland diffust om ”grupper” inom de formella nivåerna. I Artdatabanken vid Sveriges lantbruksuniversitet, SLU, anges ett antal nivåer som ”ranglösa”.

– Naturen är gränslös, det blir en krock med Linnés hierarkiska system. I verkligheten finns inte ett visst antal nivåer. Ett utvecklingsträd kan ha oändligt många förgreningar, säger Torbjörn Ebenhard, forskningsledare vid Centrum för biologisk mångfald vid SLU.

Framför allt är det förändringar som skett under en väldigt kort tidsrymd som fortfarande ger problem, framhåller han. Där kan flera tänkbara förgreningar vara möjliga, som exemplet människan visar.

Att dela upp arter i taxa, det vill säga nivåerna i det hierarkiska systemet, kallas taxonomi. Där har dna-analyserna fört med sig att grenar i arternas utvecklingsträd grupperas efter unika gemensamma egenskaper. Det räcker inte att slå samman arter som liknar varandra i vissa avseenden – det gäller att hitta unika avseenden.

En unik egenskap som förenar ett antal arter är till exempel ”har ryggrad”. Det har bara uppstått en gång i evolutionen och gett upphov till ryggradsdjuren. Däremot är ”havslevande” inte en sådan egenskap – valarnas släktskap med jordsvinen och elefanternas släktskap med sjökorna visar att det leder fel. Valar och sjökor är däggdjur som valt att söka sig ned i havet igen, men lik förbaskat är de nära släkt med djur på land.

Inte heller kan alla djur som flyger slås ihop: Pelikaner är fåglar men fladdermöss däggdjur. Flygekorrar och flygfiskar är bra på att hoppa långt, men flyger gör de inte.

Att en egenskap eller förmåga uppstått flera gånger i livets utveckling kallas konvergent evolution. Det har ställt till det för dem som ordnar arter efter släktskap. Till exempel är fruktkropp med hatt och fot en egenskap som är väldigt bra om man är svamp och vill sprida sina gener effektivt. Den har uppstått flera gånger under evolutionen.

I en vanlig svampguide listas kanske 150 arter, men det finns minst 12 000 bara i Sverige. Av dem är cirka 5 500 storsvampar med fruktkropp, resten ser vi aldrig. Svampforskaren Ellen Larsson, som kartlägger svampar i norra Europa, beskriver nya arter varje år.

I svampriket har dna-analyser stökat om rejält i släktträden.

– Det är tombola i systematiken. Jag tittade tidigt på ett släkte som var väldigt heterogent, och fick svårt att hitta några bra dna-sekvenser att matcha med kända arters dna. Det visade sig att arterna i en familj, skinnsvampar, i själva verket hörde hemma i tolv olika ordningar! säger Ellen Larsson, som är docent på institutionen för biologi och miljövetenskap vid Göteborgs universitet. Hennes kartläggning finansieras av Svenska artprojektet (se faktaruta på sid 46).

Ett område som blomsterkungen Linné hade järnkoll på var förstås blommorna. Men faktum är att till och med deras släktträd har ritats om radikalt till följd av dna-analyserna.

En verklig revolution kom 1998 när ett tjugotal forskarlag världen över tillsammans lanserade det så kallade APG-systemet för klassificering av blomväxternas alla 460 familjer, ett system baserat på ett helt nytt släktträd konstruerat utifrån dna-analyser.

– Vi lyckades göra en klassifikation av alla blomväxter till familjer, ordningar och större grupper, och det är ett system som efter snart 25 års ytterligare forskning visat sig hållbart.De flesta stora växtfamiljer med tusentals arter som tidigare haft oklara släktförhållanden har nu utretts med hjälp av dna och hundratals nya arter har beskrivits, säger botanisten och professor emerita Birgitta Bremer.

Familjen Rubiaceae, med bland annat måror och kaffe, är ett exempel. Men trots omfattande dna-studier finns fortfarande frågor kvar om hur en del av arterna är besläktade. Oavsett hur mycket dna man kartlägger måste det kompletteras med den klassiska morfologiska beskrivningen – detaljer i utseendet som särskiljer arter.

Morfologin har alltså inte blivit omodern på grund av dna-tekniken – all gammal kunskap har inte förkastats. Det är snarare undantag än regel att släktskap ritas om. Inom fågelvärlden har fler släktskaper bekräftats än förkastats, förklarar Per Alström.

– Man kanske har haft en hypotes i 100 år, baserad på morfologi. Med hjälp av dna-analyser kan man sedan se med nya glasögon och hitta egenskaper som man har förbisett.

Han nämner fågelfamiljen Cettiidae, cettisångare, där ett antal bruna arter som liknar varandra ansågs vara nära släkt. Men dna-analys visade att många av dem i stället var närmare släkt med färggladare arter inom familjen. Forskarna började närgranska arterna och upptäckte att den egenskap som förenade dem inte var färgerna, utan att alla hade tio stjärtpennor.

Arter som inte riktigt liknar några andra arter har tidigare klumpats ihop i ”slaskgrupper”, som däggdjursordningen insektsätare. Den har nu benats ut med dna-analys.

Det visade sig att man måste titta på rätt dna. En sorts dna finns i mitokondrierna, som är djurcellernas interna kraftverk – i växtceller motsvaras de av kloroplaster. En annan sorts dna finns i cellkärnan. (Se faktaruta intill t.h.)

När forskare studerade igelkottfamiljens mitokondrie-dna placerades den i en egen ordning. Det anses dock nu vara fel. När man i stället tittat på dna i cellkärnan har igelkottarna förts till en ny ordning kallad äkta insektsätare. Där ingår också familjerna mullvadsdjur och näbbmöss, de närmaste släktingarna i utvecklingsträdet.

Men genetiska analyser har inte bara flyttat arter till andra släkten och familjer. Ett lika viktigt resultat är att många nya arter har upptäckts. Antalet kända däggdjur har ökat dramatiskt de senaste 25 åren och är i dag drygt 6 000.

Tekniken har gjort jättelika kartläggningsprojekt möjliga, många av dem internationella och oerhört ambitiösa. Men fortfarande är minst 80 procent av alla arter i världen okända, uppskattar Tomas Roslin, professor vid Institutionen för ekologi vid SLU. Han ingår i en forskargrupp som i höstas fick 135 miljoner kronor av Europeiska forskningsrådet till det spektakulära projektet att kartlägga all världens levande organismer. Forskarna kommer bland annat att plocka växter, fånga in djur och suga upp sporer i luften över hela världen.

En annan satsning som är stor, med nationella mått, är Svenska artprojektet. Sedan starten 2002 har det bidragit till att exempelvis 3 000 nya insektsarter har identifierats, uppskattar Fredrik Ronquist, professor i entomologi (insektslära) vid Naturhistoriska riksmuseet och en av projektets grundare.

Därmed är cirka 28 000 svenska insektsarter kända nu, men Fredrik Ronquist beräknar att det finns ytterligare cirka 5 000 arter som ännu inte har upptäckts.

– Det är väldigt sällan vi upptäcker en ny insektsordning – oftast handlar det om nya arter och släkten. Men dna har gett oss ett nytt perspektiv på insekternas tidiga utveckling. De flesta forskare antog tidigare att insekterna var närmast släkt med tusenfotingarna. Men dna har visat att de är vattenlevande kräftdjur som har gått upp på land, säger Fredrik Ronquist.

Dna-analyser ger inte ett slutgiltigt facit. Resultaten måste bekräftas med undersökningar av skillnader i arters utseende och med hjälp av fossil när livets träd ritas om.

– Visst har dna-analyserna ritat om delar av släktskapsträden. Men helhetsbilden är ändå att kunskapen nu håller på att stabilisera sig, även om det finns många spännande frågor kvar att lösa, säger Fredrik Ronquist.