Snemma í sögu jarðar var geislavirkni í jarðskorpunni talsverð. Hefur verið metið hvaða áhrif slík náttúruleg geislun hafði á stökkbreytingar og þróun lífvera?

Svar

Mér er ekki kunnugt um að þetta hafi verið metið og ég er ekki viss um að það sé hægt. Þekking manna á þróun lífsins snemma í sögu jarðarinnar er að mörgu leyti gloppótt, en merki um þróunarbreytingar í sögu lífsins má einkum greina á tvo vegu, með athugun á steingervingum og með samanburði á núlifandi tegundum, byggingu þeirra og ekki síst á síðustu tímum á erfðaefni þeirra.

Charles Darwin (1809-1882).

Með athugunum á steingervingum í misgömlum jarðlögum má greina ýmsar nýjungar í yngri jarðlögum, til dæmis vegna aðlögunar að lífi á landi meðal ferfætlinga. Jarðlögin bera þessa sögu þó misvel, ákveðnar lífverur og vissir líkamspartar varðveitast betur en aðrir og eins eru jarðlög frá mismunandi tímabilum og svæðum missýnileg. Í bókinni Uppruni tegundanna (1859), setti Charles Darwin fram þá kenningu að allt líf mætti rekja til sama forföður sem hefði á löngum tíma greinst smám saman til margra tegunda og myndað það sem hefur verið kallað lífsins tré. Darwin benti á að sögu þessarar þróunarbreytinga mætti sjá með því að bera saman steingervinga, tegundir hefðu breyst hægt á löngum tíma en steingervingasagan væri ófullkomin og ýmis millistig vantaði.

Lífið er talið hafa orðið til fyrir um þrjú þúsund og fimm hundruð milljónum ára og lengi voru litlar upplýsingar til um þróun lífsins fyrstu milljónir áranna eða fram að kambríum-tímabilinu, þegar skyndilega birtist mikill fjölbreytileiki í 530 milljón ára gömlum jarðlögum. Líffræðilegur breytileiki virðist hafa byggst upp æ síðan, þrátt fyrir fimm meginhamfaraskeið, þar sem fjölmargar tegundir urðu útdauða. Þessi skeið marka ýmis tímabil í jarðsögunni, eins og lok permtímabilsins fyrir um 250 milljónum ára þegar 95% ætta í sjó dóu út og lok krítartímabilsins fyrir 65 milljónum ára þegar risaeðlur dóu út. Í kjölfar þessara hamfaraskeiða hefur mátt sjá töluverða og hraða aukningu í fjölda tegunda. Nýlegar rannsóknir hafa staðfest hugmynd Darwins um gloppótta steingervingasögu, hin mikla tegundasprenging í upphafi kambríum átti sé ákveðinn aðdraganda en breytilegur hraði þróunarbreytinganna á vissum tímabilum var líklega meiri en Darwin hafði búist við.

Hinn mismunandi hraði þróunarbreytinganna hefur verið skýrður með ýmsu móti og má flokka skýringarnar í þrjá meginhópa, vegna umhverfis, vegna þroskunar og vegna vistfræði. Ljóst er þó að þessar þrjár mögulegu ástæður tengjast en þær hafa allar áhrif á þær þróunarbreytingar sem eiga sér stað innan tegunda sem geta að lokum leitt til tegundamyndunar og breytinga í samfélögum tegunda. Upphaf alls breytileika má rekja til stökkbreytinga í erfðaefni einstaklinga, slíkar breytingar geta erfst til afkvæma, aukist í tíðni og orðið að lokum allsráðandi innan stofna og tegunda. Í þessu ferli er tvennt sem skiptir máli, í fyrsta lagi hversu oft stökkbreytingar eiga sér stað og í öðru lagi hvort og þá hvaða áhrif breytingin hefur á lífslíkur eða frjósemi lífverunnar.

Tíðni stökkbreytinga er mismunandi á milli tegunda og einnig hefur greinst breytileiki í stökkbreytitíðni innan tegunda. Þannig er vel mögulegt að tíðni stökkbreytinga hafi breyst á löngum tíma. Dæmi um tegundir lífvera með háa stökkbreytitíðni eru RNA-veirur, líkt og HIV-veiran sem veldur alnæmi, en fyrstu lífverur á jörðinni eru taldar hafa notað RNA. Þótt erfðabreytileiki sé forsenda þróunar þá eru langflestar stökkbreytingar skaðlegar fyrir starfsemi lífvera og því hafa ýmsir eiginleikar þróast sem draga úr stökkbreytitíðni, til dæmis leiðréttingarferlar við eftirmyndun DNA. Ástæðan fyrir því að DNA-ið kom í stað RNA sem erfðaefni lífvera hefur einnig verið skýrð með því að það sé stöðugra en RNA, það er stökkbreytist síður. Ýmis fleiri einkenni lífvera hafa verið skýrð sem aðlaganir til að draga úr tíðni stökkbreytinga, til dæmis melanín sem veldur dökkum lit og dregur úr stökkbreytandi áhrifum sólarljóss.

Einfalt dæmi um náttúrulegt val. Stökkbreyting eykur fjölbreytni, bæði ljósari og dekkri fuglar koma fram. Þar sem dökkir fuglar komast betur af en þeir ljósu eru þeir líklegri til þess að eignast afkvæmi. Smám saman fjölgar því dökku fuglunum á kostnað þeirra ljósu - óhagstæða stökkbreytingin hverfur.

Flestar stökkbreytingar sem hafa áhrif á hæfni lífvera, það er frjósemi og/eða lífslíkur, hafa neikvæð áhrif og ættu vegna þess að hverfa úr stofnum lífvera. Aðeins lítill hluti stökkbreytinga eykur hæfni, og ættu þær að aukast í tíðni. Þetta er önnur meginhugmynd Darwins, sem hann setti fram í Uppruna tegundanna, náttúruvalið.

Á löngum tíma gæti eftirmyndunarferlið hafa batnað og stökkbreytitíðnin því minnkað. Áhrif og geta valsins til að leiða til þróunar eru þó ekki sjálfgefin. Þannig ráðast áhrif valsins af fjölda einstaklinga í stofnum lífvera. Í litlum stofnum gætir frekar tilviljunarkenndra áhrifa og þar gætu jafnvel ýmsar nýjungar komið fram og náð útbreiðslu sem væru ekki endilega jákvæðar fyrir afdrif einstaklinganna. Forverar spendýra hafa að öllum líkindum myndað litla stofna á tímum risaeðlanna og þar hefur möguleg tilraunastarfsemi getað átt sér stað frekar en meðal stærri stofna en svo virðist sem margar tegundir spendýra hafi orðið til á tiltölulega stuttum tíma í jarðsögunni. Þegar risaeðlurnar dóu út, gætu aðstæður hafa orðið ákjósanlegri fyrir spendýr og þau náðu að fjölga sér og taka yfir búsvæði eðlanna. Kynæxlun og endurröðun skipta einnig lykilmáli varðandi afdrif og áhrif einstakra stökkbreytinga.

Í kynlausri æxlun erfist stökkbreyting með öllum öðrum stökkbreytingum sem hafa átt sér stað í erfðamengi þeirrar lífveru og áhrif breytingarinnar er því aðeins hluti af stærri heild. Við kynæxlun brotnar bakgrunnur breytingarinnar upp og það ræðst því frekar af áhrifum hverrar stökkbreytingar hvort hún hverfi úr stofninum eða nái að dreifast út meðal einstaklinga innan stofnsins.

Eftir því sem tegundir urðu flóknari í byggingu þá myndaðist möguleiki fyrir ákveðnar breytingar. Liðskipting leiddi til þess að stökkbreytingar sem höfðu sértæk áhrif á einstaka liði gátu mótað ákveðna liði, eins og að breyta fót í væng. Tilurð ferfætlinga bauð upp á ýmsar breytingar varðandi hreyfingu á landi, blóm plantna upp á ýmsar þróunarbreytingar til að laða að skordýr og svo framvegis. Á mismunandi tímabilum í þróunarsögunni virðist sem ákveðnir þroskunarlegir þröskuldar hafi verið yfirstignir og skriða af nýjungum hafi komið fram.

Hæfnisáhrif stökkbreytinga eru enn fremur háð því umhverfi sem tegundirnar lifa í. Breytt umhverfisskilyrði geta þannig leitt til þess að stökkbreytingar, sem voru jafnvel áður skaðlegar, auka lífslíkur og þær gátu því breiðst hratt út. Sem dæmi má nefna feluliti, þykkan feld og fleira. Vistfræðin setur þannig sviðið fyrir lífverur, hvort sem er vegna hagstæðra skilyrða ytra umhverfis eða í gegnum samspil við aðrar tegundir, samkeppni, afrán eða sníkjulífi. Við ákveðnar breytingar eins og hin miklu hamfaraskeið jarðar, sem líklega orsökuðust af ytri aðstæðum eins og loftsteinum og/eða miklum eldgosum, breyttist margt. Lífskilyrði urðu önnur og nýjar vistir opnuðust sem lífverur gátu nýtt sér með þær aðlaganir og breytileika sem þær höfðu í farteskinu.

Með því að gefa sér ákveðnar forsendur um stökkbreytingar og aðgreiningu hópa mætti meta stökkbreytitíðni á ákveðnu tímabili í jarðsögunni, til dæmis ef það er þekkt að tveir hópar deildu sameiginlegum forföður í lok kambríum og þeir höfðu aðgreinst frá fyrri hóp við upphaf tímabilsins. Aðgreining tveggja tegunda er háð stökkbreytitíðni í erfðaefni á ákveðnum tíma og því hversu langur tími er liðinn síðan tegundirnar áttu sameiginlegan forföður. Hins vegar er þetta vandkvæðum háð þegar langur tími er liðinn, til dæmis fleiri hundruð milljónir ára, á svo löngum tíma eru stökkbreytingar orðnar það margar að þær sögulegu upplýsingar sem felast í DNA-röðunum rýrna.

Það má því vera ljóst að stökkbreytingar skila sér misvel áfram til næstu kynslóða, hvað þá að þær verði allsráðandi innan tegunda og komi fram í steingervingum. Það er því ekki hlaupið að því benda á eina ákveðna ástæðu fyrir auknum breytileika líkt og geislunar á ákveðnu löngu liðnu tímabili.

Ítarefni:

• Arfleifð Darwins. Þróunarfræði, náttúra og menning 2010. Ritstýrð af Arnari Pálssyni, Bjarna K. Kristjánssyni, Hafdísi Hönnu Ægisdóttir, Snæbirni Pálssyni og Steindóri Erlingssyni. Hið íslenska bókmenntafélag. Reykjavík.

Myndir:

• Darwin: Charles Darwin á en.wikipedia.org. Sótt 15. 5. 2012.
• Dæmi um stökkbreytingu: Paleontological Research Institution. Sótt 15. 5. 2012.

---

Í heild sinni hljóðaði spurningin svona:

Snemma í sögu jarðarinnar var geislavirkni í jarðskorpunni talsverð. Hefur verið metið hvaða áhrif slík náttúruleg geislun getur hafa haft á þróun lífvera sem voru uppi á þeim tíma (stökkbreytingar). Getu verið að það hafi hægt á þróun lífvera (fjölbreytni) samhliða minni náttúrulegri geislun?