Current Biology – Nye strukturer skyldes ofte ødelæggende mutationer

Den naturlige selektion beskrives ofte som en skabende kraft, der gennem dannelsen af nye gener tilpasser de forskellige arter til deres miljøer. Men en netop offentliggjort artikel i det fagfællebedømte tidsskrift Current Biology nuancerer dette billede. I artiklen, der bærer titlen “Can gene-inactivating mutations lead to evolutionary novelty?” (Murray, 2020), argumenterer Andrew W. Murray, der er professor i molekylær genetik ved Harvard University, for, at evolutionen af nye strukturer ofte sker ved at ødelægge eksisterende geners funktion.

Hvordan kan en mutation, der ødelægger en funktion, være gavnlig for organismen? Forestil dig, at du har en cykel, som du gerne vil have til at køre hurtigere. Dette kan gøres ved at fjerne forskellige dele og dermed gøre cyklen lettere. For eksempel kan du fjerne klokken, lygterne, låsen og bagagebæreren. Dette vil godt nok betyde, at din cykel mister visse funktioner (eksempelvis vil det ikke være forsvarligt at cykle på den i mørke uden lygter), men hvis det eneste mål er at få cyklen til at køre hurtigere, vil alle disse ødelæggende ændringer bidrage til dette.

På samme måde kan en ødelæggende mutation gavne organismen ved at tilpasse dens afkom til et nyt miljø. Isbjørnens hvide pels skyldes sandsynligvis ødelæggende mutationer i et gen, der giver farve til brune bjørnes pels (Liu et al., 2014). Mutationen har ødelagt genets funktion (at farve pelsen brun), men den hvide pels gør det muligt for isbjørnen at camouflere sig i et miljø, hvor dens brune bjørneforfader ikke ville kunne have camoufleret sig.

De fleste mutationer er ødelæggende

Murray argumenterer for, at “lettere adgang til tab-af-funktion-mutationer har medført, at de spiller en større rolle” i evolutionen, når arter tilpasser sig til nye økologiske nicher uden konkurrenter.

Han gennemgår eksempler fra både laboratorieforsøg og planteavl, hvor “størstedelen af mutationer, der fører til tilpasning, er tab-af-funktion-mutationer, der svækker eller fjerner geners funktion, i stedet for få-en-funktion-mutationer, der øger eller kvalitativt ændrer proteiners funktion.”

I laboratorier bliver de fleste bakterier dyrket i kolber, der jævnligt bliver omrørt. I et forsøg fra 1998 tilførte man bakterier af arten Pseudomonas fluoroscens til en kolbe, der ikke blev omrørt. Bakterien tilpassede sig disse ændrede forhold ved at udvikle to nye egenskaber: Nogle bakterier dannede måtter, der flød oven på vækstmediet, mens andre bakterier sank til bunds i kolben.

Eksperimentet er siden blevet brugt til at illustrere effekten af naturlig selektion, blandt andet i biologen Jerry Coynes bog, Why Evolution Is True (2009, s. 129-30). Men som Murray beskriver, har efterfølgende analyser vist, at både den flydende og den synkende form skyldtes tab-af-funktion-mutationer.

Et andet eksempel omhandler gærsvampen Saccharomyces cerevisiae, der i et forsøg udviklede en såkaldt “snefnug”-form, i hvilken gærcellerne efter celledeling ikke længere adskiller sig, men hænger sammen. Forskerne bag forsøget kalder denne form for flercellet og fremhæver den som et muligt første skridt i udviklingen af flercellethed.

Som Murray beskriver, var de fleste af mutationerne involveret i denne “flercellethed” tab-af-funktion-mutationer; man ødelagde gærens evne til at adskille sig efter celledeling.

Lettere at ødelægge end at skabe

Fra et designperspektiv er der intet overraskende i Murrays argument. Levende organismer er avancerede systemer, der udviser specificeret kompleksitet. Det er derfor mere sandsynligt, at tilfældige mutation ødelægger et gens funktion, end at de skaber et nyt funktionelt gen.

Organismer er ikke skrøbelige objekter som tekopper, hvor det mindste stød kan ødelægge hele koppen. Organismer er dynamiske systemer med flere lag af regulering i form af positive og negative feedback-mekanismer. Dette betyder, at en mutation, der ødelægger en eller flere gener, stadig kan resultere i en organisme, der ikke alene er levedygtig, men som i det rette miljø faktisk er bedre tilpasset.

Fra et designperspektiv er det således hverken overraskende, at de fleste mutationer er ødelæggende, eller at sådanne ødelæggende mutationer ikke desto mindre kan blive favoriserede af den naturlige selektion.

Referencer

Coyne J.A., 2009, Why Evolution Is True, Penguin Books.

Liu S., et al., 2014, “Population Genomics Reveal Recent Speciation and Rapid Evolutionary Adaptation in Polar Bears”, Cell 157(4):785-94. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.03.054

Murray A.W., 2020, “Can gene-inactivating mutations lead to evolutionary novelty?”, Current Biology 30(10):R465-R471. https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.03.072