Επιστήμη

Ελάχιστα γονίδια δημιουργούν μυριάδες μορφές ζωής

Από το ταπεινό της ξεκίνημα ώς ένα μόνο κύτταρο, η ζωή εξελίχθηκε σε μια εντυπωσιακή ποικιλία σχημάτων και μεγεθών, από τον μικροσκοπικό ψύλλο στον γιγαντιαίο τυραννόσαυρο Ρεξ κι από τη φτέρη στην ορχιδέα.
Αυτή η μεταμόρφωση της ζωής, προϊόν τυχαίων γενετικών μεταλλάξεων, είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα της εξελικτικής βιολογίας. Πώς ένα φτερό ξεπετιέται εκεί που δεν υπήρχε πριν ή πώς ο κόσμος των φυτών γεμίζει ξαφνικά λουλούδια; Ύστερα από έναν αιώνα προσπάθειας, οι επιστήμονες βρίσκουν απαντήσεις χάρη σε έναν νέο επιστημονικό κλάδο, που συνδυάζει τη μελέτη της εξέλιξης και της ανάπτυξης των ειδών και χαρτογραφεί την πορεία ενός γονιμοποιημένου ωαρίου μέχρι τον άνθρωπο. Ο νέος κλάδος στα αγγλικά ονομάζεται evo-devo από τις αγγλικές λέξεις εξέλιξη και ανάπτυξη.

Απρόσμενα. Τεχνολογικές κατακτήσεις κάνουν δυνατές νέες συγκλονιστικές ανακαλύψεις στον μαγικό κόσμο των γονιδίων που δείχνουν ποιες δυνάμεις διαμόρφωσαν την ιστορία της ζωής στη Γη. Οι ερευνητές βρίσκουν ότι για την εξέλιξη πολύπλοκων νέων μορφών ζωής δεν χρειάζονταν πολλές μεταλλάξεις ούτε πολλά καινούργια γονίδια, όπως νόμιζαν ώς τώρα. Μπορεί να επιτευχθεί μέσω μιας πολύ απλούστερης διαδικασίας, που απαιτεί πολύ μικρές μετατροπές σε ήδη υπάρχοντα γονίδια και αναπτυξιακά σχέδια.

Ακόμα πιο απρόσμενο μάλιστα είναι το γεγονός πως τα γονίδια που μπορούν να μετατραπούν κατά το ελάχιστο για να δημιουργήσουν νέα σχήματα και μέρη σώματος είναι πολύ λίγα. Οι ίδιες γονιδιακές αλληλουχίες προκαλούν τη μία αλλαγή μετά την άλλη. «Οι ανακαλύψεις αυτές μάς αφήνουν κατάπληκτους», λέει ο Σον Κάρολ, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν. Ιεραρχία γονιδίων. Η ανάπτυξη ενός οργανισμού- δηλαδή το πώς το ένα άκρο του σώματος γίνεται κεφάλι ή ουρά, πώς τα δάκτυλα των ποδιών βγαίνουν εκεί και όχι στην άκρη του καρπού- ελέγχεται από μία ιεραρχία γονιδίων. Τα κυρίαρχα γονίδια στην κορυφή ελέγχουν το επόμενο επίπεδο γονιδίων, τα οποία με τη σειρά τους ελέγχουν το επόμενο κ.λπ. Αλλά το ενδιαφέρον για τους εξελικτικούς βιολόγους είναι ότι αυτές οι ιεραρχίες δεν ευνοούν την εξέλιξη συγκεκριμένων μορφών αλλά επίσης αποκλείουν την ανάπτυξη άλλων, αποφασίζοντας έτσι την ανάπτυξη ενός εμβρύου, αλλά και την ιστορία της ίδιας της ζωής.

«Η κλασική εξελικτική θεωρία μελετά την επιβίωση των ισχυροτέρων. Ο νέος κλάδος μελετά πώς δημιουργήθηκαν οι ισχυρότεροι μελετώντας ποιοι οργανισμοί είναι πιθανότερο ή αδύνατο να αναπτυχθούν», λέει ο Σκοτ Γκίλμπερτ, αναπτυξιακός βιολόγος στο Κολέγιο Σουάρθμορ.

Πρώτος το διαπίστωσε ο Κάρολος Δαρβίνος όταν επισήμανε πριν από έναν αιώνα πως οι αναπτυσσόμενες μορφές ζωής θα έπαιζαν βασικό ρόλο στη μελέτη της εξέλιξης. Την ιδέα του προχώρησε η μοριακή βιολογία τη δεκαετία του ΄80 και αργότερα όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν πως τα ίδια κυρίαρχα γονίδια ευθύνονται για τον σχεδιασμό βασικών μελών του σώματος σε όλο το ζωικό βασίλειο. Όπως για παράδειγμα, ότι τα ίδια γονίδια δημιουργούν τα μάτια στις μύγες και τους ανθρώπους.


Οι πρωτεΐνες κάνουν όλες τις δουλειές

Ο ΣΠΙΝΟΣ του Δαρβίνου στα απομονωμένα νησιά Γκαλάπαγκος είναι ένα από τα χαρακτηριστικότερα παραδείγματα εξέλιξης. Μία νέα μελέτη επιστημόνων του Χάρβαρντ εντυπωσιάζει με τα αποτελέσματά της. Τα πουλιά κατάγονται από ένα σπίνο με κοντό και λεπτό ράμφος, ιδανικό για να ξεφλουδίζει μικρούς σπόρους, χαρακτηριστικό που έχασαν όταν έφτασαν στα νησιά και έπρεπε να προσαρμοστούν στις περίεργες νέες τροφές.

Άλλα έχουν ράμφη πιο ψηλά, άλλα πιο πλατιά, άλλα πιο δυνατά για να σπάνε τα καρύδια, άλλα πιο μακριά για να ανοίγουν τρύπες στους κάκτους και να τρώνε τους σπόρους. Πώς εξελίχθηκαν όλα αυτά από ένα απλό ράμφος; Οι επιστήμονες τώρα βρήκαν την (απλή, τελικά), απάντηση. Τα γονίδια είναι κομμάτια του DΝΑ που ενεργοποιούνται ώστε να παράγουν μόρια που ονομάζονται πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες κάνουν πολλές δουλειές μέσα κι έξω από το κύτταρο, «ανάβοντας» και «σβήνοντας» γονίδια, δημιουργώντας μέρη οργανισμών κ.λπ.

Στην περίπτωση των σπίνων, όσο πιο χοντρό και ψηλό το ράμφος τόσο πιο έντονη η παρουσία του γονιδίου ΒΜΡ4 στο πρώτο στάδιο της ανάπτυξης. Το γονίδιο παράγει την πρωτεΐνη που δίνει το σινιάλο για την ανάπτυξη των οστών και καθορίζει ποιο μέρος του εμβρύου θα γίνει η πλάτη και ποιο η κοιλιά. Επίσης βοηθά στην ανάπτυξη μεγαλύτερου και δυνατότερου ράμφους, όπως απέδειξαν τα πειράματα σε μικρά κοτοπουλάκια, (στα οποία οι επιστήμονες αύξησαν την παραγωγή του γονιδίου ΒΜΡ4).
40 μερόνυχτα στην άβυσσο

Άγνωστες μορφές ζωής στον πυθμένα του Αρκτικού Ωκεανού θα επιχειρήσουν να εντοπίσουν επιστήμονες από διάφορες χώρες με τη συνδρομή του Αμερικανικού Ωκεανογραφικού Ινστιτούτου «Woods Ηole». Για τον σκοπό αυτό έχουν ετοιμάσει τρία ανθεκτικά υποβρύχια ρομπότ, τα οποία θα ταξιδέψουν κάτω από τους πάγους της Αρκτικής, η οποία αποτελεί μία από τις τελευταίες ανεξερεύνητες περιοχές του πλανήτη μας.

Εκτός από νέες μορφές ζωής, οι επιστήμονες ελπίζουν κατά διάρκεια της 40ήμερης εκστρατείας τους να ανακαλύψουν και θερμά ρεύματα στον Αρκτικό Ωκεανό, ο οποίος έχει απομονωθεί από τα άλλα θαλάσσια οικοσυστήματα εδώ και 26 εκατομμύρια χρόνια. Στο μικροσκόπιο της έρευνάς τους θα μπει η υποθαλάσσια κορυφογραμμή Gakkel, που αποτελεί μια επέκταση της μεσωκεάνιας ράχης του Ατλαντικού Ωκεανού και η οποία χωρίζει τη βορειοαμερικανική λιθοσφαιρική πλάκα από την ευρασιατική.

Κάτω από τους πάγους. O Ρόμπερτ Σον, που είναι γεωφυσικός στο Αμερικανικό Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο, λέει ότι το ταξίδι αυτό αποτελεί μια φανταστική ευκαιρία για την εξερεύνηση ενός τμήματος της Γης που ως επί το πλείστον παραμένει άγνωστο στην επιστήμη. Ο ίδιος προσθέτει ότι κάθε βιολογικός οικισμός σε υδροθερμικές πηγές που βρίσκονται κατά μήκος της κορυφογραμμής Gakkel θα έχει αναπτυχθεί και εξελιχθεί στην απόλυτη απομόνωση εδώ και δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. «Ίσως μας δοθεί η ευκαιρία να δούμε κάποια εντελώς καινούργια μορφή ζωής, που ζει στην άβυσσο η οποία απλώνεται κάτω από τους πάγους της Αρκτικής».

Ακραία αντοχή. Οι συνθήκες εξερεύνησης του Αρκτικού Ωκεανού δεν είναι καθόλου εύκολες ακόμη και για ένα υποβρύχιο ρομπότ. Ο κίνδυνος να σπάσει κάτω από την πίεση των πάγων είναι πολύ μεγάλος. Για τον λόγο αυτόν οι επιστήμονες που θα εξερευνήσουν την περιοχή προχώρησαν στην κατασκευή τριών καινούργιων υποβρύχιων σκαφών, που θα μπορούν να αντεπεξέλθουν στο ακραίο περιβάλλον του Αρκτικού. Το πρώτο από τα σκάφη- που φέρει την ονομασία Ρuma- θα καταδυθεί στον ωκεανό για να ανιχνεύσει τις χημικές και θερμοκρασιακές ενδείξεις των ζεστών και εμπλουτισμένων με ανόργανες ουσίες ρευστών που αναβλύζουν μέσα από τον ωκεάνιο φλοιό.

Από τη στιγμή που το Ρuma εντοπίσει τις υδροθερμικές πηγές, τότε θα αναλάβει δράση το άλλο υποβρύχιο ρομπότ- που λέγεται Jaguar- το οποίο θα χρησιμοποιήσει κάμερες και ηχοβολιστικά συστήματα χαρτογράφησης του πυθμένα. Στη συνέχεια το σκάφος Camper θα προσεγγίζει τον πυθμένα και θα ρουφήξει με αντλίες ιζήματα, πετρώματα και ενδεχομένως ζωντανούς οργανισμούς.

Συνθήκες απομόνωσης. O Τιμ Σανκ, που είναι βιολόγος στο Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο «Woods Ηole», λέει ότι η περιοχή που θα εξερευνηθεί έχει αποκοπεί ως επί το πλείστον από τον Ατλαντικό και τον Ειρηνικό Ωκεανό εδώ και εκατομμύρια χρόνια, οπότε οτιδήποτε ζει εκεί κάτω θα έχει εξελιχθεί στο πέρασμα των αιώνων μέσα σε συνθήκες απομονωτισμού, όπως συνέβη κατά κάποιον τρόπο με τα ζώα της Αυστραλίας. Ο ίδιος επιστήμονας προσθέτει ότι «η πανίδα του Αρκτικού Ωκεανού που ευδοκιμεί μακριά από τις υδροθερμικές πηγές διαφέρει τουλάχιστον κατά 70% από την πανίδα οποιουδήποτε τόπου στον κόσμο».


Καυτό μάγμα στον πυθμένα και καυτά ρευστά από χημικές αντιδράσεις

Η ΥΠΟΘΑΛΑΣΣΙΑ κορυφογραμμή Gakkel εκτείνεται σε περίπου 1.800 χιλιόμετρα, από τα βόρεια της Γροιλανδίας προς τη Σιβηρία. Είναι η μοναδική κορυφογραμμή που βρίσκεται σε τόσο μεγάλο βάθος, από 3 έως 5 χιλιόμετρα κάτω από τους πάγους. Επιπλέον, καθώς αποτελεί τη συνοριακή γραμμή ανάμεσα στη βορειοαμερικανική πλάκα και την ευρασιατική, κινείται με πολύ αργό ρυθμό που φτάνει το 1 εκατοστό τον χρόνο, ενώ σε άλλες περιπτώσεις η αντίστοιχη ταχύτητα των υποθαλάσσιων κορυφογραμμών είναι 20 φορές μεγαλύτερη.

Στις περισσότερες μεσωκεάνιες κορυφογραμμές ο φλοιός της Γης ανοίγει στα δύο και από μέσα αναβλύζει καυτό μάγμα, που με τη σειρά του δημιουργεί καινούργιο φλοιό στον πυθμένα του ωκεανού. Η τεράστια ποσότητα της θερμότητας πυροδοτεί χημικές αντιδράσεις ανάμεσα στα πετρώματα του φλοιού και στο θαλασσινό νερό που εισέρχεται σε αυτά. Αυτές οι χημικές αντιδράσεις παράγουν καυτά ρευστά, που είναι πλούσια σε ανόργανες ουσίες όπως ο χαλκός και ο ψευδάργυρος.

Αυτά τα υδροθερμικά ρευστά περιέχουν επίσης χημικές ουσίες που συντηρούν στη ζωή κάποιους αλλόκοτους μικροοργανισμούς, οι οποίοι επιβιώνουν μέσω της χημειοσύνθεσης και όχι της φωτοσύνθεσης. Πολλοί γεωλόγοι πιστεύουν ότι η κορυφογραμμή Gakkel θα μπορούσε να είναι μια γεωλογικά παγωμένη περιοχή για να παράξει υδροθερμικές πηγές. Σε μια εξερεύνηση όμως, το 2001, ερευνητές βρήκαν ενδείξεις τέτοιων πηγών στον Αρκτικό Ωκεανό.