Vi er femstjernene som fikk et hode

Den evolusjonære historien til livet på jorden er en utrolig reise fylt med forgreninger og tilpasninger, men alle grener leder til slutt tilbake til et enkelt, men gåtefullt punkt: LUCA. LUCA, eller Last Universal Common Ancestor, er ikke livets begynnelse. Den er snarere den siste felles stamfaren til alle de tre hovedgrenene av livets tre: bakterier, arkéer og eukarioter (som inkluderer planter, dyr og sopp). LUCA var ikke alene på sin tid; den eksisterte i en verden med andre former for liv, men av en eller annen grunn er det bare Luca's etterkommere som har overlevd og diversifisert seg til alt livet vi ser i dag.

LUCA's identitet og habitat

Forskere estimerer at LUCA levde for rundt 3,5 til 3,8 milliarder år siden, en periode kjent som den arkaiske eonen. Livets bygningsblokker hadde allerede blitt samlet, men det var LUCA som satte standarden for arvestoff og metabolisme for alt senere liv. En av de mest spennende forskningsområdene er å fastslå nøyaktig hvordan LUCA levde. Moderne forskning, som ser på de eldste genetiske sporene, peker mot at LUCA sannsynligvis var en termofil (varmekjær) og anaerob (oksygenfri) organisme. Den levde antageligvis i et ekstremt miljø, kanskje dypt nede i havet ved hydrotermiske skorsteiner.

Her, i en verden uten sollys, utnyttet den kjemisk energi fra vulkansk aktivitet for å drive sin metabolisme. Dette er et miljø som i dag er hjemsted for mange av de eldste slektningene til bakterier og arkéer, og det støtter teorien om at livet oppstod under slike ekstreme forhold.

En genetisk detektivhistorie

Vi kan ikke grave opp en fossil av LUCA, siden den var en myk, encellet organisme. Så hvordan kan vi vite noe om den? Svaret ligger i komparativ genomikk og molekylærbiologi. Ved å sekvensere genomer fra organismer over hele livets tre, har forskere identifisert rundt 355 gener som er felles for alle. Disse genene, som styrer grunnleggende funksjoner som DNA-replikasjon, translasjon av proteiner og energiproduksjon, utgjør en slags "kjernegenom" som må ha vært til stede i LUCA. Ved å studere disse genene kan forskere rekonstruere LUCA's biologiske profil:

• Genetisk kode: LUCA hadde en genetisk kode basert på DNA, og dens informasjon ble lest og oversatt til proteiner på en måte som er forbløffende lik den i alle dagens organismer.

• Proteinmaskineri: LUCA brukte de samme 20 aminosyrene for å bygge sine proteiner, et universelt trekk som forener alt liv.

• Metabolisme: Basert på de felles genene, hadde LUCA et komplekst enzymatisk system som gjorde det mulig å utnytte energi og produsere de nødvendige molekylene for liv.

LUCA's plass i livets historie

LUCA var ikke den første organismen. Den ble sannsynligvis etterfulgt av en periode med intens horisontal genoverføring – en prosess der gener blir utvekslet mellom ulike organismer som lever side om side. Dette skaper et nettverk av liv i stedet for et enkelt forgrenende tre. Etter hvert, da det genetiske materialet ble mer stabilt og cellene mer spesialiserte, ble horisontal genoverføring mindre vanlig. Det var på dette tidspunktet at livets tre, med LUCA som stamme, begynte å forgrene seg i de tre domenene vi kjenner i dag. LUCA markerer overgangen fra et gen-nettverk til et genetisk tre.

Å studere LUCA er å studere vår felles opprinnelse. Det er et bevis på at vi, uansett hvor forskjellige vi virker, deler et felles arvestoff med de mest primitive mikroorganismer. Det er en påminnelse om vår ydmyke begynnelse og et vitnesbyrd om den utrolige kompleksiteten som kan oppstå fra en enkel start. Forskningen på LUCA fortsetter å gi oss nye innsikter i livets aller første skritt og knytter oss uløselig til hverandre i et globalt nettverk av slektskap.

Selv om det ikke finnes fossile bevis for LUCA, gjør den detaljerte biokjemiske likheten mellom alt nåværende liv (som er delt inn i de tre domenene) dens eksistens bredt akseptert av biokjemikere. Dens egenskaper kan utelukkes fra delte trekk i moderne genomer. Disse genene beskriver en kompleks livsform med mange samvirkende egenskaper, inkludert transkripsjons- og translasjonsmekanismer for å omdanne informasjon fra DNA til mRNA til proteiner.

Biokjemiske mekanismer

Selv om anatomien til LUCA ikke kan rekonstrueres med sikkerhet, kan dens biokjemiske mekanismer utledes og beskrives i detalj, basert på egenskaper som deles av nåværende levende organismer, samt genetisk analyse.

LUCA hadde absolutt gener og en genetisk kode. Dens genetiske materiale var mest sannsynlig DNA, slik at den levde etter RNA-verdenen. DNA-et ble holdt dobbelttrådet av et enzym, DNA-polymerase, som gjenkjenner strukturen og retningen til DNA. DNA-ets integritet ble opprettholdt av en gruppe reparasjonsenzymer, inkludert DNA-topoisomerase. Hvis den genetiske koden var basert på dobbelttrådet DNA, ble den uttrykt ved å kopiere informasjonen til enkelttrådet RNA. RNA-et ble produsert av en DNA-avhengig RNA-polymerase ved bruk av nukleotider som ligner på DNA. Det hadde flere DNA-bindende proteiner, for eksempel histonfoldproteiner. Den genetiske koden ble uttrykt i proteiner. Disse ble satt sammen fra 20 frie aminosyrer ved translasjon av et budbringer-RNA via en mekanisme av ribosomer, overførings-RNA og en gruppe beslektede proteiner.

Veien fra LUCA til mennesket

LUCA er rotfestet i livets tre, men veien til oss går gjennom en rekke store evolusjonære milepæler.

1. LUCA og de tre domenene: LUCA ga opphav til de tre store grenene av livet: bakterier, arkéer og eukarioter. Vår vei går utelukkende gjennom eukariotene, som er kjennetegnet ved at cellene deres har en ekte cellekjerne.

2. Eukarioter til dyr: Innenfor eukariotene dukket dyrene (Animalia) opp. De utviklet seg fra encellede organismer til komplekse, flercellede skapninger.

3. Deuterostomia: Dyreriket forgrener seg videre. Både vi (ryggstrengdyr/virveldyr) og pigghudene (Echinodermata) er en del av denne gruppen.

   Det betyr at vi og pigghudene deler en felles stamfar – vi er evolusjonære "søskenbarn", ikke at vi stammer fra dem. Stamfaren vår var en enkel, bilateral symmetrisk organisme som levde i havet, og som på et tidspunkt forgreinet seg i to store grener. Den ene grenen ledet til pigghudene, og den andre ledet til oss.

4. Ryggstrengdyr (Chordata): Vår linje forgrener seg fra pigghudene og utvikler seg til ryggstrengdyr, som er kjennetegnet ved å ha en ryggstreng (notochord) på et eller annet stadium i livet. Fra disse enkle marine dyrene utviklet de første virveldyrene seg.

5. Videre utvikling: Veien fortsatte derfra via de første fiskene, amfibiene, reptilene og til slutt pattedyrene. Innenfor pattedyrgrenen utviklet primatene seg, som igjen førte til homininene, og til slutt, til det moderne mennesket (Homo sapiens).

Så, for å oppsummere: vi deler en felles stamfar med pigghudene, men vår evolusjonære vei går ikke gjennom dem. Vi er likevel nært beslektet på et dypere nivå enn vi er med for eksempel insekter eller bløtdyr, som tilhører en annen stor gren av dyreriket.

Echinodermata valgte sin vei med fem kanter

Sentrale kjennetegn ved våre fettere er:

• «Femkantethet» eller femstrålet symmetri, med bl.a. fem armer. – Larvene er fortsatt tosidig symmetrisk bygd, men i løpet av en metamorfose blir de til femkantede dyr med en asymmetrisk indre bygning.

• Bindevev kan aktivt gjøres stivt. – Ved en enkel nerveimpuls kan bindevevet stivne, en unik «oppfinnelse» som sparer mye energi fordi det ikke må brukes muskelkraft for å holde armene i posisjon. Siden pigghudenes opprinnelige form for næringsopptak er filtrering, må armene ofte holdes stille mot strømningen i lange perioder.

• Kroppshulen (coelomet) danner flere komplekse væskefylte kanalsystemer. – Systemene består av ringkanaler, radialkanalene (i de fem armene), langskanaler og diverse blærer. Det såkalte ambulakralsystemet har bevegelse, åndedrett, ernæring, sansing og ekskresjon som oppgaver. Det danner bl.a. små «føtter» eller tentakler på armene. Hemalsystemet overtar funksjonen av et blodkarsystem. Gjennom én eller flere silplater (madreporplater) står kanalsystemet i forbindelse med det omgivende vannet.

• Tre nervesystemer. – Disse er uavhengige av hverandre og ligger på hhv. munnsiden (et sansende og et bevegende nervesystem) og på den motsatte siden (et ytterligere bevegende nervesystem).

• Et indre skjelett av kalk med pigger. – Dette ligger bak gruppens norske og vitenskapelige navn (Echinodermata; gresk εχίνος [echinos] = «pinnsvin», δέρμα [derma] = «hud»). Kalkskjelettets mikroskopiske struktur er forskjellig fra kalkdannelsene hos andre dyregrupper, så de kan kjennes igjen i fossilførende lag. Dessuten befinner det seg under huden og er således en form for et indre skjelett selv om det ved første øyekast kan fremstå som et ytre. Dette skjelettet er modifisert til ulike former og funksjoner hos de ulike grupper. Flere arter sjøpølser har imidlertid mistet kalkskjelettet.

  
  

Hva skjedde underveis?

Pigghudenes stamart førte en fastsittende tilværelse etter at metamorfosen var gjennomført. Hos moderne grupper er det bare sjøliljer som fortsatt lever slik, men selv de mest moderne formene er fastsittende i den første fasen som femsidig symmetriske organismer.De resterende delgruppene er frittlevende. De frittlevende artene er faktisk snudd opp ned og beveger seg med munnen mot underlaget, med unntak av sjøpølsene som kryper på siden og de frittlevende artene av sjøliljer som fremdeles beveger seg med munnen opp. De fleste er bunndyr, men noen er pelagiske.

Deres ontogenese og genetiske profil forøvrig synes å ha gjennomgått omfattende endringer siden de skilte lag med andre deuterostomier. Nervesystemet har trolig gjennomgått en betydelig degenerering siden deres forfedre utviklet seg til lite bevegelige filtrerere. Noe egentlig hode eller hjerne mangler. Forfedrene deres var i tillegg til å være tosidig symmetriske, med klart definert for- og bakende og høyre- og venstreside, mest sannsynlig også segmenterte og utstyrt med gjellespalter.

En primitiv og utdødd gruppe kalt calcichordata hadde faktisk en viss likhet med tidlige kjeveløse virveldyr med panser. Tarmåpningen og de indre organene har så forflyttet seg lenger frem i kroppen og gjort bakre del av kroppen om til en slags hale som siden utviklet seg til en festeanordning eller "stilk". Med unntak av sjøliljene har tarmåpningen i ettertid vandret bakover til motsatt ende av kroppen som hos forfedrene. Denne gruppen er også den eneste som fremdeles har stilken i behold, enten gjennom hele livet eller i en tidlig fase. Hos de andre er den borte for lengst. Vannkanalsystemet vil ha gjort gjellespaltene hos blant annet stamarten til de nålevende formene overflødige og har som følge av dette forsvunnet. Pigghudene er en av de eldste dyregruppene vi kjenner som enda eksisterer. De nålevende pigghudenes felles stamart var preget av femkantsymmetri, men i ettertid har det oppstått enkelte arter blant sjøstjernene og slangestjernene som er fra sekssidig helt opp til nisidig symmetriske.

Tidlig i utviklingen er de fleste frittsvømmende larver. De har stor regenerasjonsevne.

De fleste har individer med forskjellige kjønn. Enkelte små arter av sjøstjerner og slangestjerner kan formere seg ukjønnet via deling. Noen arter føder levende unger.

Pigghudene begynner livet som ciliekledde tosidig/biletaralt symmetriske larver som etterhvert får en viss likhet med ryggstrengdyrenes embryo på et tidlig stadium. Gradvis begynner den venstre halvdelen å vokse på den høyres bekostning, som til slutt blir kraftig degenerert og nesten helt absorbert. Den resterende venstresiden organiserer seg så i en femdelt radiær symmetri rundt en sentral akse, omtrent som en kake delt i fem like store deler. Hver av de fem enhetene var primært sett identiske, med hvert sitt sett av gonader og andre indre organer. Senere har noen grupper utviklet asymmetri. Hva med oss? Hva slags symmetrier har vi bevart? Har vi forlatt naturen? Hva hadde skjedd om vår utvikling var styrt av likes? Hva vil skje i en konstruert virkelighet som styres av likes?