Høyt oppe i Andesfjellene krabber en høygravid firfisle rundt mellom steinene. Plutselig stopper hun opp og sprer bakbeina. Like etter stikker et lite hode ut, omsvøpt av en tynn og gjennomsiktig membran som moren straks river i stykker. Et kvarter senere løper tre nyfødte unger rundt mellom steinene.
Slik har denne arten av små firfisler fått unger helt siden forfedrene tok et drastisk evolusjonært skritt for 30 millioner år siden og begynte å føde levende unger i stedet for å legge egg. Denne dramatiske overgangen i firfislenes biologi var så omfattende at forskerne tidligere mente det var umulig at de kunne gå tilbake til å legge egg igjen.
Men en ny studie, utført i 2018 av forskere fra Chile og Australia, har avslørt at det allerede har skjedd for flere firfislearter.
Fjellkjede tvang fram helomvending
50 millioner år siden: Fjerne forfedre la egg
Som de fleste andre firfisler la forfedrene til den søramerikanske firfisleslekten Liolaemus egg. På dette tidspunktet var Andesfjellene fortsatt ikke dannet.
30 millioner år siden: Fjell satte i gang fødsler
Andesfjellene skjøt i været, og de nye høydene innebar kulde. I kulden var det en fordel at ungene utviklet seg ferdig i morens varme mage.
20 millioner år siden: Lavland brakte eggene tilbake
Senere vandret noen av firfislene ned til lavlandet. Her var været varmere, og det ble igjen fordelaktig å la ungene utvikle seg i et egg.
Oppdagelsen har, sammen med andre nye studier, avslørt at dyr kan gjenvinne trekk som forfedrene mistet for flere hundre millioner år siden. Dermed hopper evolusjonen fram og tilbake i mye høyere grad enn forskerne tidligere trodde. Og dette fenomenet kan vi faktisk se på vår egen kropp.
Lov forbyr baklengs evolusjon
Omfattende evolusjonære endringer, som de søramerikanske firfislenes overgang fra egg til levende unger, er helt normale i naturen. Slanger har mistet beina, mennesker har mistet halen, og pingviner kan ikke lenger fly.
Nye betingelser kan gjøre trekk overflødige eller uhensiktsmessige, og derfor må dyr av og til kvitte seg med gamle trekk. Men når de først er tapt, er de tapt for alltid – slik lyder i hvert fall det som er kjent som Dollos lov. Loven ble lagt fram av den belgiske paleontologen Louis Dollo i 1890, og den tilsier at evolusjon ikke kan gå baklengs.
Siden den gang har ideen, av gode grunner, dominert evolusjonslæren. For å gjendanne et tapt trekk krever tilsynelatende en enormt usannsynlig prosess, der en rekke endrede gener må endres tilbake til sin tidligere form. I tilfellet med firfislene ser genendringene ut til å være omfattende.
De fleste firfisler og slanger legger egg, men omkring 20 prosent av artene føder levende unger i stedet.
Overgangen fra å legge egg til å føde levende unger krever omstruktureringer i fødselskanalen, kraftig fortynning av eggeskallet, utvikling av en morkake og endringer i immunsystemet, slik at moren ikke støter fra seg ungen som et fremmedlegeme.
Dollos lov har stått fast i over 100 år, og det er ikke bare fordi den virker fornuftig ved første øyekast. Så langt har forskerne rett og slett ikke hatt verktøyene til å teste den. Men avanserte algoritmer og nye metoder for å lese av DNA gjør det nå mulig å skape detaljerte overblikk over millioner av år med evolusjon – og dermed avsløre noen av evolusjons dypeste hemmeligheter.
Algoritmer spoler tiden tilbake
Stamtrær er nøkkelen til dyrenes fortid – og vår egen. Et stamtre kan for eksempel fortelle oss at menneskets nærmeste og fjerneste slektninger blant pattedyrene er dekket av pels. Derfor må vi stamme fra dyr med pels.
På samme måte kunne australske og chilenske forskere i 2018 for første gang avsløre at flere grupper av eggleggende firfisler fra Sør-Amerika stammer fra forfedre som fødte levende unger. Med andre ord har de søramerikanske firfislene i løpet av utviklingshistorien sin tatt skrittet fra egg til levende unger og så tilbake til egg igjen.
Den overraskende konklusjonen bygger på at de eggleggende firfislene på stamtreet er omgitt av firfisler som føder levende unger.
4500 meter over havet – så høyt lever visse arter av søramerikanske firfisler.
Metoden virker enkel, men inntil nylig ville denne studien ikke ha vært mulig. For å tegne et stamtre må forskerne først danne seg et overblikk over alle de måtene som artene kan være beslektet med hverandre på.
Fire arter gir 15 mulige versjoner av stamtreet, og forskerne må regne ut hvilken som er mest sannsynlig, for eksempel ut fra dyrenes gener. Hvis det er ti arter, kan de være beslektet på 34 millioner ulike måter, og dermed er det mye vanskeligere å finne det mest sannsynlige stamtreet.
Studien av de søramerikanske firfislene omfatter gener fra 258 arter. Kartlegging av DNA fra så mange arter ville i seg selv ha vært et nesten uoverstigelig hinder for bare noen få år siden, men det er i dag mulig takket være nye og billige DNA-sekvenseringsmetoder.
Og analysen av slektskapet mellom artene krever så mye datakraft at vi først nå har begynt å kunne henge med. I alt gjennomgikk forskernes algoritmer 500 millioner mulige stamtrær – en prosess som kan ta flere uker – for å nå fram til det mest sannsynlige stamtreet.
Insekt fikk tilbake vinger
Vandrende pinner var vingeløse i over 50 millioner år, men klarte plutselig å lette igjen.
For omkring 95 millioner år siden mistet vandrende pinner vingene sine. Det er konklusjonen etter at en gruppe amerikanske og tyske forskere kartla de plantelignende insektenes stamtre. Likevel har 40 prosent av vandrende pinner i dag et sett vinger. Stamtreet avslører at det store antallet arter med vinger skyldes at hele fire grupper av vandrende pinner, uavhengig av hverandre, har fått tilbake vingene – første gang for om lag 40 millioner år siden. Vingene hos vandrende pinner ligner det vi kjenner fra andre insekter, og forskerne er derfor ikke i tvil om at de bruker de samme genene til å danne dem. Genene har vært intakte, selv om dyrene ikke hadde vinger gjennom over 50 millioner år, og årsaken er antagelig at genene også spiller en viktig rolle når insektenes bein blir til.
I tillegg til genene fra firfislene fôret forskerne også algoritmene med informasjon om fossiler fra utdødde firfisler og om hvilket miljø de enkelte artene levde i. Dermed kunne forskerne også avsløre at den første overgangen fra egg til levende unger antagelig fant sted da Andesfjellene skjøt i været for 30 millioner år siden.
De nye fjellene løftet firfislene høyt opp, slik at lufta rundt dem ble kaldere. Kalde forhold er livsfarlig for fostre som utvikler seg i et egg utenfor morens kropp, og derfor begynte firfislene å beholde fostrene i magen helt til fosterutviklingen var overstått.
Eggeskallet ble avløst av en tynn membran, og ungene var levedyktige ved fødselen. Senere flyttet noen av firfislene ned i det varmere lavlandet igjen, da ble det varmt nok til å legge egg.
Firfislene er bare det siste eksempelet på dyr som bryter Dollos lov. Etter hvert som teknologien har blitt bedre, har forskerne funnet flere og flere. Blant annet viste en studie fra 2011 at en av klodens over 6000 froskearter har utviklet tenner i underkjeven – et trekk som froskenes stamfar mistet for minst 225 millioner år siden.
Frosk kopierte tennene i overkjeven
1. Signalstoffer setter i gang tannvekst
I løpet av fosterutviklingen til en frosk aktiveres en rekke gener i munnen. Resultatet er at det blir dannet ulike signalstoffer (blå prikker), som får et lag av celler til å danne en såkalt tannknopp. Hos de aller fleste froskearter blir ikke genene aktivert i underkjeven.
2. Gener er aktive både oppe og nede
Hos en enkelt froskeart, den søramerikanske Gastrotheca guentheri, blir tanngenene aktivert både i over- og underkjeven, og signalstoffer sørger dermed for at det vokser fram tenner både oppe og nede.
3. Frost ender med eldgammelt tannsett
Frosken Gastrotheca guentheri har til slutt et fullt utviklet sett tenner i både over- og underkjeven. Tennene i underkjeven skjer antagelig på samme måte som det gjorde i en fjern stamfar til froskene for minst 230 millioner år siden.
Og mennesker ser også ut til å ha brutt loven. To muskler øverst i ryggen vår smeltet sammen til én i våre fjerne forfedre – som så ut som mus – for 89 millioner år siden. Men for et par millioner år siden ombestemte evolusjonen seg, og muskelen ble igjen delt opp i to.
De fleste genene overlever tapet
De mange bruddene på Dollos lov har tvunget forskere til å revurdere hvordan evolusjonen fungerer. I stedet for å forestille seg at genene for et bestemt trekk går til grunne når trekket forsvinner, mener forskerne nå at genene i mange tilfeller forblir intakte og bare deaktiveres. Og så lenge genene er intakte, vil det tapte trekket kunne gjenskapes.
Du har eldgamle muskler i ryggen
95 millioner år siden: Stamfar hadde to muskler
Vår felles stamfar med gnagerne hadde i krittiden to muskler, Rhomboideus minor og Rhomboideus major, som gikk fra skulderbladet til ryggsøylen. Gnagerne har beholdt dette trekket.
89 millioner år siden: To muskler ble til en
For 89 millioner år siden vokste de to musklene sammen i apenes stamfar. De aller fleste aper, blant annet vår nærmeste slektning, sjimpansen, har arvet denne sammensmeltede muskelen øverst i ryggen.
2,4 millioner år siden: Muskler ble delt opp igjen
For omkring 2,4 millioner år siden ble de to musklene igjen skilt hos menneskets stamfar. Forskerne vet fortsatt ikke hvorfor det skjedde, men noe lignende har også skjedd hos bavianer og silkeaper.
Forskerne har blant annet funnet et eksempel på dette fenomenet hos høner. Fugler mistet tennene for over 60 millioner år siden, men de fleste av de genene som kan danne tenner, er fortsatt intakte. Ved å endre bare ett enkelt gen kan forskerne aktivere alle disse genene og dermed få høner til å utvikle tenner.
Grunnen til at fuglenes tanngener har overlevd i alle disse årene, er antagelig at de også har andre funksjoner i fuglenes kropp. De aller fleste gener er involvert i mer enn en prosess, og de spiller ulike roller i flere ulike typer vev.
Derfor vil fuglenes tanngener fortsatt spille en viktig rolle i for eksempel fjærene, selv om de har blitt inaktive i munnen.
Lett å skifte
En rekke endringer i genaktivitet, i stedet for endringer i selve genene, ser også ut til å være nøkkelen til firfislenes veksling mellom fødsler og egglegging.
En internasjonal gruppe forskere undersøkte i 2019 to tett beslektede kinesiske firfislearter – en som legger egg og en som føder unger. Forskerne identifiserte hvilke gener som var ansvarlige for de to strategiene og undersøkte dem etter alle kunstens regler. Det viste seg at en endring mellom egglegging og levende unger ikke er spesielt omfattende genetisk sett.
Noen arter av paddehode-agamer føder levende unger, mens andre legger egg – selv om de ulike artene er ganske like.
Forskjellen mellom de to artene skyldtes først og fremst forskjeller i genaktivitet. For eksempel er de genene som er ansvarlige for eggeskallet, også til stede i firfisler som føder unger, men de uttrykkes bare i langt mindre grad. Fordi genene fortsatt er til stede, er skrittet tilbake til egglegging ikke så stort som forskerne tidligere trodde.
Den konklusjonen støttes av at skiftet fra levende unger til egg også har skjedd hos noen slanger. De fleste kvelerslanger har gått vekk fra å legge egg og føder nå levende unger.
Men for ørkenkvelerslangen, Eryx jayakari, har de næringsfattige omgivelsene i ørkenen ført til at de har gått tilbake til å legge egg – det viser en stor studie fra Yale University i USA, der forskerne kartla et stamtre med 41 arter av kvelerslanger.
En annen krypdyrart gir et enda mer direkte bilde av overgangen mellom egglegging og fødsler. Den australske firfislen Saiphos equalis ligger på vippen mellom de to strategiene. Ved kysten legger arten egg, og i fjellene føder den levende ungene. At en enkelt art kan utvise så store forskjeller, viser at evolusjonen kan ta enorme skritt uten omfattende genendringer.
Gamle trekk dukker opp i fostre
Dyr og mennesker beholder de genetiske verktøyene til å utføre for lengst glemte oppgaver eller til å bygge for lengst tapte kroppsdeler. Og det er særlig tydelig under fosterutviklingen. For eksempel utvikler hvaler og delfiner, som begge stammer fra et firbeint landdyr, små bakbein når fostret er på et veldig tidlig stadium.
I de aller fleste tilfeller forsvinner baklemmene helt før fødselen, men det finnes unntak.
Hos mennesker kan en hale anes i sjette uke av fosterutviklingen. Den forsvinner som regel igjen, men også her finnes det unntak. Det er flere eksempler på barn født med haler, og forskerne diskuterer fortsatt akkurat hvordan og hvorfor det skjer.
Mutasjoner skrur på haler og tenner
Mennesker med haler, høner med tenner og delfiner med bakbein – tapte trekk gjenoppstår i enkelte individer, etter at de har vært forsvunnet i millioner av år. Fenomenet kalles en atavisme og er bare mulig fordi de ansvarlige genene aldri har forsvunnet helt.
Mennesker blir født med haler
Menneskefostre danner en hale i sin fjerde uke, men den blir brutt ned igjen mellom sjette og åttende uke. Det er imidlertid unntak, og minst 40 mennesker har i nyere tid blitt født med ekte haler. Hallene fjernes normalt ved fødselen, men i India beholdt en gutt halen sin i 18 år, og den vokste til en lengde på 18 centimeter.
Kyllinger danner krokodilletenner
Forskerne har i flere tiår kjent til en mutasjon, talpid2, hos høner. Mutasjonen er dødelig for kyllingfostre, men den får dem også til å begynne å danne tenner i kjevene. De små tennene er kjegleformede og minner ganske mye om tennene hos fuglenes nærmeste nålevende slektninger, krokodillene.
Delfin får et ekstra par finner
Delfiner har normalt bare ett sett finner, som er utviklet fra forbeina til sine firbeinte forfedre. Evnen til å danne baklemmer har for lengst blitt undertrykket. Men en usedvanlig delfin, som ble fanget utenfor kysten av Japan i 2006, har et ekstra sett finner. Årsaken er antagelig at delfinen har fått tilbake sine forfedres evne til å danne baklemmer.
Et enda eldre trekk er også synlig hos menneskefostre: gjeller. Og det er på tross av at forfedrene våre droppet gjellene for mer enn 350 millioner år siden. De gamle trekkene åpner opp for overraskende muligheter for hvordan dyr vil utvikle seg i framtiden.
Dinosaurene vender tilbake
Forskerne har i de siste årene forsøkt å avdekke akkurat hva som skal til for å spole dyrenes evolusjon tilbake. For noen av forskerne er det med et ønske om å kunne gjenskape for lengst utdødde arter som mammuter eller dinosaurer.
Men flere av endringene kan vise seg å være så enkle at de kan skje helt naturlig uten vår hjelp – slik det er tilfellet med de eggleggende firfislene og frosken med tenner i underkjeven.
Frøen Gastrotheca guentheri er den eneste frosken som har tenner i underkjeven.
Siden fuglene utviklet seg fra dinosaurforfedre, har de endret seg mye. De har blant annet mistet tennene. Men en liten justering i aktiviteten til to gener kan gi dem tennene tilbake. Forskerne kjenner til en naturlig mutasjon som kan sørge for denne justeringen, men mutasjonen er samtidig dødelig, så fostrene blir ikke klekket ut.
I framtiden vil en annen og mer ufarlig mutasjon kanskje resultere i en voksen fugl med tenner. Forskerne har også oppdaget små justeringer som kan gi fugler knokler og kranier som minner ganske mye om det enkelte dinosaurer hadde – blant annet Velociraptor, som levde i krittiden – så fuglene har flere muligheter for å ta et skritt eller to tilbake mot sine fjerne forfedre.
Og den søramerikanske fuglen hoatzinen har antagelig tatt et slikt skritt. De fleste fuglene har bare små klør på vingene sine, men hos hoatzinens unger ligner klørne det vi finner hos fuglenes forfedre. Forskerne mener nå at hoatzinen tidligere i utviklingen mistet bruken av klørne, men siden gjenvant den fordi det ble fordelaktig for ungene å kunne klatre i trær.