Norske forskere tegner profil af det første dyr

Hvordan gik vi egentlig fra encellede organismer til flercellede dyr?

Dette spørgsmål har forskere ved Universitetet i Oslo (UiO) forsøgt at tackle.

Encellede dominerer

Encellede organismer er de mindste levende enheder på kloden, og er oprindelsen til alt liv - både mikroorganismer og planter, dyr og mennesker.

Mikroorganismer består kun af én enkelt celle, mens alle andre er flercellede og kan bestå af enorme mængder celler som arbejder sammen. I en menneskekrop er der for eksempel omkring 100.000 milliarder celler.

De encellede organismer har hele tiden domineret livet på jorden. Vi synes måske at mennesker og dyr er fremtrædende, men det er fordi, vi er så store.

Størstedelen af alt liv på jorden er forsat encellet - både når det gælder antal arter og mængde biomasse.

Celler som taler sammen

På et tidspunkt i livets udvikling - formentlig for omkring 600 til 1.000 millioner år siden - skete der et eller andet som gjorde, at nogle encellede organismer udviklede sig til at blive flercellede.

Det var begyndelsen på os. Uden udviklingen af organismer med flere celler, var der slet ikke kommet nogen dyr eller mennesker til verden.

Da du blev undfanget, var du først en enkelt lille celle. Efterhånden begyndte du at dele dig i millioner af forskellige celler, fra hjerteceller til hudceller, blodceller og hjerneceller.

For 600 til 1.000 millioner år siden bestod livet på jorden kun af enlige celler som svømmede rundt i vand og pytter hver for sig.

Så lærte nogle af cellerne at tale sammen og hænge sammen. Hvordan skete dette?

Nulevende slægtninge

Der findes ikke fossiler af disse første flercellede organismer, så for at lære om dyrenes oprindelse, må forskerne studere generne hos de organismer, som lever i dag.

For at gætte hvordan de blev til, må forskerne vurdere slægtskabet mellem organismerne. Et af de uløste problemer hidtil, har været at regne ud hvilken af de nulevende encellede skabninger som er den nærmeste slægtning til dyrene.

Forskerne fra Universitetet i Oslo har set nøje på en lille skabning kaldet Ministeria vibrans. Dette er en meget lille bakterie-spisende celle med tynde tentakler.

»Det har været uklart hvorvidt det er denne organisme, eller kraveflagellaterne, som er dyrenes nærmeste slægtninge,« siger amanuensis Kamran Shalchian-Tabrizi.

Første gang

Derfor udarbejdede forskerne et såkaldt gen-bibliotek (cDNA-bibliotek) for Ministeria vibrans.

»Vi dyrkede den i laboratoriet, og sekvenserede 4.700 gen-sekvenser. Nogle af disse sekvenser har vi så brugt til at foretage beslægtetheds-analyser,« fortæller Shalchian-Tabrizi.

Resultaterne viser at det er kraveflagellaterne som er dyrenes nærmeste slægtninge. Ministeria vibrans er på sin side en søstergruppe til dyrene og kraveflagellaterne - en selvstændig lille gren på livets træ.

»Det er første gang, man har løst slægtskabsforholdet mellem de fleste mulige organismegrupper som er nærmest i slægt med dyr,« siger forskeren.

Samarbejds-gener

Desuden har UiO-forskerne været på jagt efter visse typer gener som er typiske i dyr og mennesker - som får cellerne til at samarbejde og fæstne sig til hinanden.

»Blandt de 4.700 gener vi har sekvenseret, har vi set på om der findes sekvenser som er knyttet til celledifferentiering, eller til mekanismer som får celler til at hænge sammen,« siger Shalchian-Tabrizi.

»Vi ved hvad der er typisk i dyr og mennesker, og så har vi sammenlignet dette med encellede organismer,« forklarer han.

»Vi ville finde ud af om nogle af disse gener fandtes før flercellede organismer blev dannet,« siger forskeren.

Moduler

Biologerne opdagede moduler, eller 'domæner', af denne type gener hos de encellede organismer. Domæner er små enheder af proteiner, som hver for sig har specielle funktioner og som tilsammen bestemmer alle egenskaber for proteinet.

»Dette er ikke identisk med det, vi finder hos højerestående dyr, men modulerne er som lego - du kan tage nogle klodser og bygge et legohus, men hvis du sætter dem sammen på en anden måde, kan det blive et andet hus,« siger Shalchian-Tabrizi.

»Vi finder ikke den eksakt samme sammensætning af domæner som hos dyrene. Vi finder enkelte domæner, og en meget atypisk sammensætning af dem,« forklarer han.

Domænebytning

Hos de encellede sidder mange af disse moduler, eller domæner, på hvert sit gen.

Det betyder at hvor tre domæner sidder i et gen hos mennesket, så sidder de på hvert sit gen hos de encellede organismer.

Dermed kan forskerne sige noget om den grundlæggende mekanisme som fik nogle enkeltcellede til at blive samarbejdsvillige.

»Det drejer sig om en udveksling af disse domæner, det man kalder domænebytning.«

Modulerne findes der godt nok, men de er sat sammen på en anden måde end hos dyr. Dette er de norske forskere ikke ene om at have fundet ud af.

Rekombination

»Flere andre har fundet ud af dette samtidig med os,« siger Shalchian-Tabrizi.

For eksempel blev alle generne hos kraveflagellaterne kortlagt for nylig. Dermed blev det tydeligt at de domæner som forskerne har været på udkig efter, sidder på forskellige gener.

»Dette betyder at de har været til stede længe før de flercellede dyr opstod. Ministeria er faktisk den ældste organisme hvor disse domæner er fundet,« siger han.

»Det betyder at en meget vigtig mekanisme for at danne flercellethed, består i at bytte om på disse domæner. Pludselig bytter de plads, og får til sammen en helt anden egenskab,« siger Shalchian-Tabrizi.

Sådan opstår en rekombination af genomet - det bliver blandet om.

Vindue tilbage i tiden

Det var Nicole King og kollegaer ved University of California som foretog kortlægningen af kraveflagellaternes gener. Da de opdagede gen-sekvenser som ellers kobles til mekanismer som får celler til at hænge sammen hos dyr, lancerede de en teori:

Måske brugte vore sidste encellede forfædre disse genetiske egenskaber til at binde sig til bakterier og spise dem. Siden blev de samme mekanismer benyttet af de første dyr til at holde cellerne sammen.

»Kraveflagellater er virkelig et unikt vindue tilbage i tiden, til dyrenes og menneskets oprindelse,« sagde King i en pressemeddelelse fra University of California, Berkeley, i februar i år.

Disse små skabninger findes i store mængder i ferskvand og saltvand rundt omkring i verden, hvor de frådser i bakterier. Cellerne er ægformede med en enkelt lang hale i den ene ende, omgivet af en krave med tentakler.

Halen hjælper kraveflagellaten med at bevæge sig i vandet, og skubber bakterier mod tentaklerne.

Rækkefølgen

Ved hjælp af genetiske analyser kan forskere også finde informationer om, hvornår de forskellige genetiske domæner opstod, hvor mange som findes, og hvilke typer der er tale om.

Ud fra dette kan de lære noget om hvilken rækkefølge tingene er sket i - for eksempel hvilken encellet organisme, som kom før den anden.

Og så har de brugt den samme information til at forsøge at forstå hvordan, det første dyr faktisk så ud.

»Vi ved ret meget om hvordan de eksisterende encellede organismer ser ud, men vi ved ikke helt hvordan de første flercellede så ud. Men både kraveflagellater og Ministeria vibrans har trådlignende tentakler som er meget tynde.«

»Derfor tror vi at det første dyr var encellet, ganske lille, og at det havde tynde tentakler, som det spiste bakterier med. Det kunne vi ikke have sagt uden disse analyser,« siger Shalchian-Tabrizi.

De norske forskere har samarbejdet med britiske forskere fra University of Oxford. På UiO er det også tale om et tværfagligt samarbejde, med forskere fra Microbial Evolution Research Group, Centre for Ecological and Evolutionary Synthesis og Scientific Computer Group.

»Denne type forskning er kompleks, og kræver tværfagligt arbejde. Vi har haft et sammensat team, for det kræver meget arbejde at dyrke organismerne. Vi kender ikke særligt meget til dem - hvad de kan lide at spise, og så videre. Desuden kræver det meget arbejde at fremstille et genbibliotek og analysere sekvenserne,« siger Shalchian-Tabrizi.

© forskning.no. Oversat af Johnny Oreskov