2. EVOLUUTIO

2.1. Evolutiikan perusteet

Evoluutio perustuu ilmiöön, jota kutsutaan luonnonvalinnaksi. Käsitteen

ymmärtäminen, edellyttää biologian ykköskurssilla läpikäytyjen geeni- ja

proteiiniasioiden mieleen palauttamista.

Erityisen tärkeätä on palauttaa mieleesi asiat, jotka olemme oppineet solun

työkaluista: proteiineista. Koska proteiinit ovat aminohappoketjuja, on hyvä palauttaa

mieleen myös aminohappojen olemukseen liittyvät asiat. Kertaamme asioita

seuraavassa lähinnä juuri proteiinien ja aminohappojen osalta. Jos tunnet kertauksen

tarvetta myös DNA- ja RNA-asioihin, sinun kannattaa lukaista uudelleen

ykköskurssin luku ”Mistä elämässä on kysymys?”.

Kertaava katsaus proteiinien maailmaan

Proteiinit ovat aminohappoketjuja. Kaksi aminohappoa kiinnittyy toisiinsa ns.

peptidisidoksella.

Peptidisidos syntyy siten, että yhden aminohapon karboksyyliryhmä (COOH) reagoi

toisen aminohapon aminoryhmän (NH2) kanssa. Alla olevasta kuvaparista (kuvat 1 ja

2) näet, että tällöin molekyylien välissä on selvästi ”tyrkyllä” ainekset yhteen

vesimolekyyliin.

Kun vesimolekyyli poistetaan, aminohapot saadaan kiinnittymään toisiinsa ketjuksi.

Tällöin nimittäin sekä karboksyyliryhmän hiilelle että aminoryhmän typelle jää yksi

H

H

N C

H

C

CH

CH3 CH3

OH

O

Kuva 1. Peptidisidoksen periaate

H

N

H

C

H

C

O

OH

CH3

H2O

H

H

N C

H

C

CH

CH3 CH3

O

Kuva 2. Valmis peptidisidos

H

N C

H

C

O

OH

CH3

Peptidisidos

vapaa sidoselektroni. Ykköskurssista tutun HONCP-muistisäännön perusteella

tällaisia ei saisi olla. Atomit ratkaisevat tilanteen kiinnittymällä toisiinsa. Vastaavasti

aminohappoketju voidaan tarvittaessa pilkkoa irrallisiksi aminohapoiksi lisäämällä

aminohappojen välisiin peptidisidoksiin yksi vesimolekyyli. Näin tapahtuu

esimerkiksi ruuansulatuksen aikana.

Elämän tietojenkäsittelyn perimmäinen luonne ja suhde evoluutioon

Proteiinien nimittäminen solun työkaluiksi on perusteltua, sillä aivan kuten

työkalujen, myös proteiinien toiminta perustuu niiden ulkomuotoon. Proteiineissa

esiintyy kahtakymmentä erilaista aminohappoa. Kun aminohappoja liitetään soluissa

ketjuksi, alkaa syntyvä ketju välittömästi käpertyä sykkyräksi. Sykkyrän muodon

määrää ketjussa olevien aminohappojen järjestys: sama aminohappojärjestys tuottaa

aina samanmuotoisen proteiinin.

Näin solujen urakka tietojenkäsittelyn suhteen muodostuu verraten yksinkertaiseksi.

Solujen tulee tallettaa muistissaan vain tietoja hyviksi havaituista

aminohappojärjestyksistä.

Tieto on varastoitu DNA:han peräkkäisten merkkien muodostamana jonona. DNA

sijaitsee solun tumassa. Sinunkin, kimpalemaisen vonkaleen rakenneohjeet, voidaan

siis esittää peräkkäisten merkkien jonona. Jono alkaa jostakin ja päättyy jonnekin.

Geenit, proteiinit ja evoluutio

Geeniksi kutsutaan sellaista DNA-molekyylin jaksoa, joka sisältää yhden proteiinin

rakenneohjeen. Ihmisen DNA:ssa oletetaan olevan n. 30 000 eri proteiinin

rakenneohjetta eli geeniä. Saammekin tästä aasinsillan evoluution perusmekanismiin

eli luonnonvalintaan:

Yksilöt, joilla on paremmin ympäristön olosuhteisiin soveltuvat proteiinit saavat

jälkeläisiä enemmän kuin muut yksilöt (alla vähän kauempana oleva esimerkki

Rekuista ja Musteista kuvat 3 ja 4 ). Koska jälkeläiset saavat geeninsä

vanhemmiltaan, parempaan sopeutumiseen johtavat geenit yleistyvät pikkuhiljaa.

Yleistyminen kertautuu joka sukupolvessa..

Ilmiötä kutsutaan luonnonvalinnaksi. Luonnonvalinnan ehtona on, että geeneissä

tapahtuu silloin tällöin pieniä painovirheitä: mutaatioita. Mutaatiot synnyttävät

geeneistä uusia versioita, jotka aloittavat sitten aikamatkailunsa sukupolvien ketjussa.

Huomaa, että luonnonvalinnan piinapenkissä eivät kuitenkaan ole geenit, vaan

proteiinit. Geenejä ei luonnonvalinta testaa suoraan, vaan ainoastaan välillisesti,

proteiineja riivaamalla.

Edellä esitettyyn perustuen solujen tietojenkäsittelyä voitaisiin verrata kirjoitettuun

kieleen:

Elämän kieli Kirjoitettu kieli

1. 20 eri aminohappoa 1. n. 25 eri aakkosta

2. aminohapoista rajaton määrä

erilaisia proteiineja

2. aakkosista rajaton määrä erilaisia

lauseita

3. Proteiineista eliöitä 3. lauseista kirjoja

4. mutaatioita voi sattua 4. painovirheitäkin esiintyy

Taulukossa kiteytyy näpäkästi modernin biologian maailmankuva.

KUKKUU-eläimen evoluutio

Se, miten aakkosvertauskuva evoluution kuluessa toteutuu, ilmenee seuraavasta

KUKKUU-eläimen evoluution kuvitteellisesta mallista. Evoluution varhaiset vaiheet

ovat rivistössä ylimpinä ja tuoreimmat vaiheet alimpina.

ATSRPK

AMSRNU

AMSKNU

AKSKNU

PTSKNU

PUKKNU

RUKKNU

KUKKUU

Kirjaimet kuvaavat nykyisin KUKKUU-eläimenä tunnetun otuksen esi-isien

aminohappojärjestystä jossakin lajin proteiinissa. Useimmissa proteiineissa on

kymmeniä tai satoja aminohappoja. Erilaisia proteiineja on KUKKUU-eläimessä

kaikkiaan useita kymmeniä tuhansia. Siksi kyseinen kuuden aminohapon ketju on

häviävän pieni osa eläimen kaikesta proteiinivarustuksesta. Silti esimerkkimme

havainnollistaa mainiosti tapaa, jolla koko KUKKUU-eläin on kehittynyt nykyiseen

muotoonsa.

Kuvaan on lihavoinnilla merkitty sellaiset mutaatiot, joiden kantajat ovat tuottaneet

muita enemmän lisääntymisikään ehtiviä jälkeläisiä. Tämän vuoksi kyseisiä

aminohappojärjestyksiä koodaavat geenit ovat yleistyneet oman aikakautensa

AIKA-AKSELI

populaatioissa. KUKKUU-eläin on onnistuneiksi osoittautuneiden

aminohappojärjestyskokeilujen (kammottava sanahirviö) tulos.

Aminohappojärjestyskokeilut ovat satunnaisesti tapahtuneita mutaatioita. Jos

mutaatioista on haittaa, niiden kantajat saavat muita yksilöitä vähemmän jälkeläisiä.

Tällaisten mutaatioiden osuus siis vähenee sukupolvi sukupolvelta.

Suurin osa mutaatioista on sellaisia, että niistä ei ole yksilöille sen paremmin haittaa

kuin hyötyäkään. Tällaisia kutsutaan neutraalimutaatioiksi. Osa neutraalimutaatioista

voi ympäristöolosuhteiden muuttuessa joskus myöhemmin osoittautua haitallisiksi tai

hyödyllisiksi. Mutaatioiden merkitys onkin aina sidottu myös aikaan, jolloin ne

tapahtuvat.

Evoluutio tapahtuu siis satunnaisesti. Se perustuu yrityksen ja erehdyksen

periaatteeseen, joten se on kokeilevaa.

Koska hyödylliset aminohappojärjestykset yleistyessään leviävät lopulta koko

populaatioon, voidaan ajatella, että ne "jäävät voimaan". Tämä aiheuttaa evoluutiolle

ominaisen piirteen, jota kutsutaan kasautuvuudeksi. Evoluutio on elämän Hirsipuu-

leikkiä, jossa jokainen laji kehittyy loputtomiin aminohappo aminohapolta

tapahtuvien satunnaisten arvausten kautta.

Elämän tietojenkäsittelyyn sisältyy välttämättömänä osana edellä havainnollistamani

virheiden mahdollisuus. Niitä tapahtuu kaiken aikaa, ei valtavasti, vaan juuri sopivan

pienessä määrin. Niiden ansiosta kehittyvyys on rakenteellinen osa elämän

ohjelmointikieltä. Elämä on väistämättömästi ilmiö, joka muuttaa aikojen saatossa

ilmenemistapojaan. Hyvät aminohappojärjestykset runsastuvat aikojen saatossa,

koska niiden kantajat saavat muita enemmän jälkeläisiä. Runsastumisen perusluonne

havainnollistuu alla olevassa Rekku- ja Musti-esimerkissä.

Rekut ja mustit

Ajatellaanpa, että meillä olisi kaksi koirapopulaatiota eli porukkaa: Rekut ja Mustit.

Kaikilla Rekuilla olisi sellaiset proteiinit, että ne saisivat joka sukupolvessa kolme

jälkeläistä (kuva 3). Kaikilla Musteilla olisi sellaiset proteiinit, että ne saisivat

jokaisessa sukupolvessa kaksi jälkeläistä (kuva 4).

Jo kahden sukupolven jälkeen yhdellä Rekku-pariskunnalla olisi 9 jälkeläistä.

Samassa ajassa Mustien jälkeläisiä olisi vain 4. Jatkossa ero suurenisi kiihtyvällä

nopeudella joka sukupolvessa.

Koska Rekuilla olisi Musteja paremmat proteiinirakenteet, Rekkujen osuus jatkaisi

suurenemistaan, kunnes kaikki koirat olisivat Rekkuja. Tällöin siis Rekuille ominaiset

proteiinirakenteet olisivat levinneet kaikille koira-lajin yksilöille.

Olemme kaikki loputtoman vanhoja

Kuva 3. Rekut saavat kahdessa

sukupolvessa 9 jälkeläistä

Kuva 4. Mustit saavat kahdessa

sukupolvessa neljä jälkeläistä

Nykymuotoisen elämän katsotaan syntyneen maapallolle vain kerran.

Perinnöllisyyden yhtenevän perusmekanismin ja muunkin molekulaarisen

yhteensopivuutemme perusteella koko eliökunnan oletetaan kehittyneen yhteisestä

kantamuodosta.

Tämä luo olemassaolollemme uudenlaisen aikaperspektiivin. Jos pystyisimme

painamaan elämän videonauhurin takaisinkelausnappia, tavoittaisimme

menneisyydestä yhteisen kantamuodon sinun ja jokaisen koivun välillä. Tilanne olisi

sama sinun ja jokaisen kotihiiren välillä jne.

Elämä, joka sinussa sykkii, on nykykäsityksen mukaan keplotellut hengissä n. 4

miljardia vuotta. Keikut siis noin pitkään ehjänä säilyneen elämänlangan päässä. Jos

menetät henkesi ennen kuin olet ehtinyt tuottaa jälkeläisiä, se merkitsee samalla, että

koko tuo neljän miljardin vuoden mittainen hengissäkeplottelun vaivannäkö tyssää

umpipussiin. Biologin silmin olemme jokainen tavattoman vanhoja.