Evolution – naturen i udvikling

Denne underside om evolution udgør tredje del af teorien for Biotech Academys materiale om fermentering.

Forskere mener, at Jorden blev dannet for omkring 4,6 milliarder år siden. I en længere periode fandtes der ikke liv, da forholdene ikke var til det. Dog mener forskere, at der for 3,8 milliarder år siden, levede mikroorganismer der var i stand til at lave fotosyntese. Desuden begynder der at komme ilt i atmosfæren for 2,2 milliarder år siden, hvilket geologer har kunne se, da den rustrøde farve dukker op på jorden.

Hvad er det, som karakteriserer liv?

Liv er evnen til at vokse, dele sig og til at omdanne molekyler til at skabe energi og byggeklodser. Man er enig om, at det første liv har været en mikroorganisme, en slags bakterie, som kunne bruge sollys eller uorganisk materiale til sit stofskifte, da der på dette tidspunkt endnu ikke var oxygen i atmosfæren. Der var i starten ikke så mange bakterier, men jo flere bakterier der kom, jo mere oxygen blev der dannet. Den oxygen, som i dag findes i atmosfæren og er afgørende for vores liv, er altså resultatet af tidlig mikrobiel aktivitet.

På nuværende tidspunkt har man fundet og beskrevet omkring 1,5 millioner forskellige arter af mikroorganismer, planter og dyr. Det er stadig ukendt, hvor mange forskellige arter, der endnu ikke er blevet fundet og beskrevet. Nogle gætter på, at der i alt er mellem 5 og 50 millioner arter på Jorden. Der er steder dybt inde i regnskovene og nede i havene, som er helt ukendte og uudforskede for os mennesker. Her findes der arter, som mangler at blive opdaget og beskrevet. Der er altså masser af muligheder for at gøre store opdagelser for fremtidens biologer! Måske du ville have lyst til at arbejde med det?

Darwins teorier

Charles Darwin (1809-1882) var en stor forsker inden for biologien. Du kommer sikkert til at høre hans navn mange gange endnu. Darwin grundlagde læren om organismers udvikling som følge af arvelighed, reproduktion og selektion. Inden Darwins teorier kom, mente mange, at alle dyr, mennesker og planter var skabt af Gud.

Darwin fremsatte i 1859 en teori om den naturlige udvælgelse. Teorien lød således: ”De bedst egnede overlever”. Inden da havde Darwin rejst verden rundt, hvor han brugte tid på at studere mange dyrearter i forskellige miljøer.

Darwin var særligt inspireret af finker på Galàpagos-øerne i Stillehavet. Disse fugle lever i næsten hele verden, og der findes mange forskellige arter. Galàpagos-øerne omfatter flere øer, og Darwin observerede flere slags finker på øerne. Der var forskel på, hvilken farve og hvilket næb fuglene havde. På en ø havde finkerne et kort kraftigt næb. Her spiste de store frø med hårde skaller. På en anden ø havde finkerne lært at bruge kaktuspigge til at få larver ud fra revner. Og på en helt tredje ø havde finkerene længere og smallere næb, som de brugte til at finde insekter. Næbbets form var i hvert tilfælde tilpasset den føde, som finkerne spiste. Alle finkerne stammer fra den samme forfader, der på et tidspunkt har levet på øerne. Herefter har finkerne udviklet sig for at tilpasse sig fødemulighederne. Derfor er det de nulevende arter, der har overlevet.

Naturlig selektion

Alle dyr har brug for at få deres behov opfyldt for at kunne overleve. Der kan være problemer i form af for lidt føde eller at der fødes for mange unger. Der opstår naturlig variation, som kan ses ved forskellig bygning eller adfærd. Den naturlige selektion opstår, når nogle dyr er bedre tilpasset miljøet end andre. I starten har der måske både været finker med et kort kraftigt næb og finker med et længere og smallere næb på den ø, hvor føden kom fra frø omgivet af en hård skal. På denne ø ville finker med et smalt næb ikke kunne ødelægge skallen. De havde derfor færre føde muligheder og fik af den grund færre afkom.

Efter flere generationer vil der kun være finker med et kraftigt næb tilbage, grundet naturlig selektion. At være i stand til at få afkom og tilpasse sig levestedet kaldes succes. Måske du har hørt udtrykket ”survival of the fittest”, som dækker over det samme. Et eksempel på succes er f.eks. når finker med kort kraftigt næb giver deres gener videre til næste generation. På netop denne ø var det især finker med et kort, kraftigt næb, der kunne give deres gener videre til den næste generation.

Når forholdene ændrer sig, er man nødt til at tilpasse sig. Nye variationer kommer, når nye forhold opstår. Det kan være, at finkerne på den ene ø ikke længere kan bruge deres næb, hvis fødekilden ændrer sig. Det kan være, at kun få vil overleve, og det er dem, der er i stand til at tilpasse sig.

Det, som Darwin ikke vidste, var hvordan variation opstår. I dag ved vi, at variation skyldes forskelle i DNA’et – den genetiske variation.

Genetisk variation

At der findes en evolutionsproces skyldes, at der findes genetisk variation. Har du nogensinde tænkt på, hvorfor en asiat ikke ligner en europæer? Det skyldes forskelle i vores DNA.

Genetisk variation opstår, når DNA’et forandres ved en ændring af basesekvensen. Disse ændringer kaldes for mutationer, og mutationer kan ske spontant alle steder i DNA’et. En mutant er en celle, som har en mutation. Der findes forskellige slags mutationer. Inden de forskellige mutationer gennemgås, så bliver dannelsen af proteiner beskrevet. Mutationer kan nemlig påvirke funktionen af proteiner.

Dannelsen af proteiner ud fra DNA er også kendt, som det centrale dogme – DNA oversættes til RNA, som oversættes til proteiner. Det centrale dogme er inddelt i to processer – transkription og translation. Transkription er den proces, hvor den ene DNA streng oversættes, og der dannes en ny komplementær streng kaldt RNA. Translation er den proces, hvor den dannede RNA-streng oversættes til aminosyrer, og der bliver sammensat en lang kæde af aminosyer, som udgør proteiner.

Du har læst, at DNA er opbygget af baser. Tre baser ved siden af hinanden kaldes for et codon. Disse codons koder for de forskellige aminosyrer. Nogle codons koder for den samme aminosyre, og der findes også codons, der koder for start og stop. Dette er den genetiske kode. Denne kode er fælles for alle organismer.

Transskriptionen:

Transkription starter, når enzymet RNA-polymerase genkender og binder til et område på DNA-strengen. Dette er promotor-området, og det sidder lige inden genet. RNA-polymerasen åbner den dobbelte DNA-streng, og der bliver undervejs sat nye baser på over for den ene DNA-streng. Her gælder reglen, at A altid sættes overfor T, og G altid sættes overfor C. I stedet for basen T, så er denne udskiftet med basen U (uracil) i RNA.

For enden af genet er der et område, som kaldes terminator-området. Når RNA-polymerasen når dette område, så hopper den af, og vi har nu fået kopieret det ønskede gen over på en ny streng. Den nye streng kaldes for RNA-strengen. RNA-polymerasen slipper DNA-strengen, som derefter lukker sammen igen. Den nye streng indeholder dog dele, som ikke koder for noget. Disse dele kaldes for introns. De dele, som koder for noget, kaldes for exons. En RNA-streng med introns og exons kaldes for pre-mRNA, mens enRNA-streng uden introns kaldes for mRNA (messenger RNA). Alle introns bliver klippet ud, inden translationen starter.

Når translationen skal startes, transporteres mRNA hen til ribosomerne, og det er her translationen foregår. Ribosomerne læser mRNA-strengen ligesom en kogebog. Ribosomerne læser tre baser ad gangen. Disse baser koder tilsammen for en aminosyre. Ved at arbejde sammen med tRNA (transfer RNA), som transporterer aminosyrer hen til ribosomerne, bliver der dannet en lang kæde af aminosyrer. Når ribosomet kommer til et stopcodon på mRNA strengen, er translationen endt, og aminosyrekæden frigives. Det er nu lykkedes at danne et protein ud fra koden i DNA’et.

Mutationer er grunden til, at der findes en evolutionsproces. Mutationer kan enten ske spontant, eller de kan laves med vilje. Når man f.eks. laver forskning, så kan det være, at man ønsker at skabe nogle mutationer på en DNA-streng. Man kan skabe mutationer ved at udsætte DNA’et for f.eks. stråling eller giftige stoffer. Mutationer inddeles efter den ændring de medfører.

Punktmutationer

Punktmutationer forekommer, når en base ændres til en anden. Husk, at tre baser koder for en aminosyre, og flere aminosyrer sat sammen udgør et protein. Denne mutation kan både have en dårlig, neutral eller god betydning for organismen. Det afhænger af forskellige forhold. Punktmutationer kan altså inddeles i disse grupper:

En ”silent” mutation er en mutation, som ikke har nogen betydning. Det kan være fordi,mutationen ændrer en base i den del af DNA’et, som ikke koder for noget. Det kan også være, fordi de to forskellige sekvenser koder for den samme aminosyre.
En missense mutation er en mutation, hvor aminosyren ændres til en anden, og de kan have flere forskellige betydninger. Det kan være, at det endelige protein ikke virker, men det kan også ske, at mutationen ikke får nogen betydning for proteinets funktion. Dette sker, hvis de to forskellige aminosyrer ligner hinanden i deres kemiske opbygning. Denne mutation kan også resultere i et protein, som virker lidt anderledes end normalt.
En nonsense mutation er indsættelsen af en base, som resulterer i et stop-codon. Derfor bliver proteinet ikke lige så langt, som det burde være. Ofte virker disse forkortede proteiner ikke, men hvis mutationen først sker i slutningen af en aminosyrekæde, så kan det være, at proteinet stadig virker til en vis grad.

Frameshift mutationer

En ”frame-shift” er en mutation, som ofte fører til et ødelagt protein. Dette er mutationer, hvor enkelte eller flere baser bliver indsat eller fjernet fra DNA’et. Herved ændres hele rækkefølgen af aminosyrerne.

Biodiversitet

Biodiversitet beskriver forskelle i farver, former og evner mellem arter. Den skyldes den genetiske variation. Diversiteten blandt mikroorganismer kan bl.a. ses i evnen til at bosætte sig i forskellige miljøer eller leve af forskellige næringskilder.

Mikroorganismer findes alle steder på Jorden, som tillader liv at forekomme. Nogle miljøer byder på større udfordringer end andre. Det kan være meget varmt, meget koldt, meget surt (syreholdigt), meget basisk eller meget salt. Mikroorganismer, som kan leve disse steder kaldes for ekstremofiler. De kan nemlig leve i ekstreme miljøer. Ofte vender organismer det til deres fordel og udnytter materialerne, som findes i store mængder i netop det miljø. De kan derfor have svært ved at vokse i et ”normalt” miljø med standard-niveauer af de forskellige materialer. Derfor siger man, at mikroorganismen kræver det ekstreme miljø for at kunne vokse. Hvis du godt kunne tænke dig at læse mere om ekstremofiler, kan du med fordel læse projektet “Ekstremt liv”.

Bionik og evolution
Hemmeligheden bag de fantastiske og meget forskellige evner, som mikroorganismer besidder, er evolution. I takt med at mikroorganismer har eksisteret meget længe, så har de også haft tid til bedre at tilpasse sig omgivelserne. Det er derfor, vi ser meget sofistikerede evner hos mikroorganismerne. Disse evner kan udnyttes ved at forbinde med den nyeste teknologi. Uden evolution ville der ikke være diversitet og de særlige evner, som vi ser i dag hos så mange forskellige mikroorganismer. Nogle evner forstår vi at udnytte – andre evner er bare imponerende!

Spørgsmål – test din viden

Hvad er karakteristisk for liv?
Beskriv kort hvad Darwin så hos finkerne.
Hvor i cellen foregår hhv. transskription og translation?
Nævn en slags mutation og den ændring den medfører.