Kuusi kalvoa sivulla

Transcription

Kuusi kalvoa sivulla
2.10.2015
Seutuviikko 2015, Jämsä
Kyösti Ryynänen
LUENTO 4
EVOLUUTIO-MEKANISMIT
MAHDOLLISTAVAT ELÄMÄN
KEHITTYMISEN JA MUUTTUMISEN
ELIÖIDEN RAKENNE JA MUOTO
MUUALLA UNIVERSUMISSA
EVOLUUTIO
• KEHITYSOPPI
• AINOA TUNNETTU ELÄMÄN KEHITTYMISTÄ
OHJAAVA MEKANISMI (PRINSIIPPI)
• EVOLUUTIO-MEKANISMIN TUTKIMINEN JA
SOVELTAMINEN
• TOTEUTUNEEN EVOLUUTION (KEHITYKSEN)
TARKASTELU
• BIOLOGISET PROSESSIT SAAVAT
SELITYKSENSÄ (JA MERKITYKSENSÄ), KUN
NIITÄ TARKASTELLAAN EVOLUUTION
NÄKÖKULMASTA
1



2
EVOLUUTIO
SOVELLUKSIA
LÄHES KOKO TÄHÄNASTINEN
EVOLUUTIO TAPAHTUNUT ENNEN
TÄTÄ (KOKEMAAMME) HETKEÄ
NÄEMME JA OLEMME EVOLUUTION
TULOSTA, ITSE MUUTOKSEN
HAVAITSEE FOSSIILEISSA
BAKTEERIEN, KASVIEN JA
HYÖNTEISTEN EVOLUUTIO EDELLEEN
HAVAITTAVISSA PÄIVISSÄ JA
3
VUOSISSA
• UNIVERSUMIEN (MULTIVERSUMIEN)
EVOLUUTIO
• KOSMOLOGINEN EVOLUUTIO
• KEMIALLINEN EVOLUUTIO
• PROSESSIEN EVOLUUTIO
• INFORMAATION EVOLUUTIO
• MOLEKYYLIEVOLUUTIO JA
MOLEKYYLIDARWINISMI
• BIOLOGINEN EVOLUUTIO (PERUSTUU
EDELLISILLE EVOLUUTIOMUODOILLE TAI ON
NIIDEN MAHDOLLISTAMAA)
DARWIN
EVOLUUTIO
• CHARLES DARWIN (1809-1882)
• BEAGLE-ALUKSELLA GALAPAGOS SAARILLE 18311836 (maailman ympäri)
• ORIGIN OF SPECIES (On The Origin of Species by
Means of Natural Selection, or the Preservation of
Favoured Races in the Struggle for Life, 1859, suom.
LAJIEN SYNTY, 1916-1917)
• YKSILÖIDEN (KASVIT, ELÄIMET) VÄLILLÄ
LUONNOSTAAN VARIAATIOITA
• LUONNONVALINNAN SEURAUKSENA PARHAITEN
YMPÄRISTÖÖNSÄ SOPIVAT YKSILÖT
TODENNÄKÖISIMMIN JATKAVAT SUKUAAN
5
4
• EVOLUUTIOLLA ON FYSIKAALISKEMIALLINEN MEKAANINEN PERUSTA
(AMINOHAPPOJEN KETJUUNTUMISEN
MUUTOKSIA)
• GEENITASOLLA EVOLUUTIO VOIDAAN
ILMAISTA LYHYESTI UUSIEN GEENIEN
SYNTYMISENÄ, PERIYTYMISENÄ JA
VALIKOITUMISENA VUOROVAIKUTUKSESSA
YMPÄRISTÖN KANSSA (SUSAN ALDRIDGE)
• POPULAATIOT OVAT EVOLUUTION
PERUSYKSIKKÖJÄ (POPULAATION
SELVIYTYMINEN MAKSIMOITUU)
6
1
2.10.2015
GEENIPOOLI


EVOLUUTIO
BAKTEEREILLA UUDEN MUTAATION
ILMENEMINEN AIKAANSAA
POPULAATIOON VARIAATION
SUVULLISESSA LISÄÄNTYMISESSÄ
PIKEMMINKIN ERILAISIA
GEENIVARIAATIOITA ON OLEMASSA
KOKO AJAN, MUTTA NIIDEN
REKOMBINAATIOT SOPIVISSA
OLOSUHTEISSA AIKAANSAAVAT
7
EVOLUUTIOTA
VARIAATIOT
• VARIAATIOT -> LUONNONVALINTA -> REPRODUKTIO
• LUONNONVALINTA AIKAANSAA ELIMINOINTIA JA
LISÄÄNTYMINEN (REPRODUKTIO) AIKAANSAA
KOPIOITUMISTA -> VARIAATIOIDEN MENESTYS
• MENESTYKSEKKÄÄT VARIAATIOT SIIRTYVÄT
JÄLKIPOLVILLE JA EI-MENESTYKSEKKÄÄT
KARSIUTUVAT POIS POPULAATION PERIMÄSTÄ
• ORGANISMI MUUTTUU
• YMPÄRISTÖ MUUTTUU
• ORGANISMILLA TAKAISINKYTKENTÄ
YMPÄRISTÖSTÄ
• AIKAA OLTAVA RIITTÄVÄSTI
8
LUONNONVALINTA
• EVOLUUTIO EDELLYTTÄÄ
SATTUMANVARAISIA MUUTOKSIA DNA:SSA
• MUUTOKSET SAATTAVAT KOHDISTUA
GEENEIHIN TAI NIIDEN ILMENEMISTÄ
SÄÄTELEVIIN GEENEIHIN
• PIENI OIKEANSUUNTAINEN MUUTOS
PERIMÄSSÄ ON TODENNÄKÖISESTI
EDULLINEN
• SUURI MUUTOS PERIMÄSSÄ (VAIKKA
OIKEAN SUUNTAINENKIN) ON
TODENNÄKÖISEMMIN EPÄEDULLINEN
• GENOTYYPPI > FENOTYYPPI > LAAJENNETTU
FENOTYYPPI
• VARIAATIOIDEN JATKUVAA TESTAUSTA
YMPÄRISTÖN ASETTAMIEN VAATIMUSTEN SUHTEEN
• POPULAATION PERIMÄ PARANEE VÄHEMMÄN
SOPIVIEN OMINAISUUKSIEN ELIMINOITUMISEN
SEURAUKSENA
• JÄLKELÄISIÄ ENEMMÄN KUIN MITÄ SELVIYTYY
AIKUISIKSI ASTI
• KILPAILU LAJIEN KESKEN, RYHMIEN KESKEN JA
YKSILÖIDEN KESKEN
9
EVOLUUTIO JA
VALINTAPAINE



10
FENOTYYPPI
LUONNONVALINTA YLIPÄÄNSÄ
SUKUPUOLET VALITSEVAT
LISÄÄNTYMISKUMPPANIN
ONNEKAS MUTAATIO JOKA ON
HYÖDYKSI (MENESTYSTEKIJÄ)
VAIKKEI MIKÄÄN VALINTAPAINE
OLEKAAN AIKAANSAANNUT SEN
LISÄÄNTYMISTÄ POPULAATIOSSA
(DAWKINS)
11
• GENOMI KOHTAA YMPÄRISTÖN
VÄLILLISESTI
• GENOMI ON DIGITAALISESSA
MUODOSSA, MUTTA EVOLUUTIO TOIMII
ANALOGISESTI
• GENOMI ON ABSTRAKTI KUVAUS
OLION RAKENTEESTA JA
FUNKTIONAALISUUDESTA
• GENOTYYPIN MUUTOSNOPEUS EI
VÄLTTÄMÄTTÄ NÄY ELIÖN
MORFOLOGIASSA (EDELLYTTÄÄ
12
GEENIEN EKSPRESSIOTA)
2
2.10.2015
LAAJENNETTU FENOTYYPPI
• KÄSITTÄÄ ELIÖN AIKAANSAAMAT
MUUTOKSET YMPÄRISTÖÖNSÄ
• PADOTUT LAMMET (MAJAVAT)
• OIKEANLAINEN PESÄ (LINNUT)
• VAISTONVARAISUUS ON
GENEETTISESTI OLEMASSAOLEVAA
TAIPUMUSTA TOIMIA TAI AJATELLA
TIETYLLÄ TAVALLA
REPRODUKTIO
• GEENIEN SIIRTYMINEN SEURAAVALLE SUKUPOLVELLE
• KILPAILU VASTAKKAISEN SUKUPUOLEN SUKUSOLUISTA
• MENESTYKSEKKÄÄT YKSILÖT JATKAVAT ENITEN SUKUA
(ELOSSA, TERVEENÄ, PYSTYVÄT HANKKIMAAN RUOKAA,
PYSTYVÄT PUOLUSTAUTUMAAN, LÖYTÄVÄT KUMPPANIN,
ÄLYKKÄITÄ, SOPEUTUVIA JNE.)
• TODELLISISSA POPULAATIOISSA (ESIM. IHMINEN)
PARIUTUMISEEN VAIKUTTAA MUITAKIN TEKIJÖITÄ KUTEN
ASUINPAIKKA, HEIMO JA KIELI
• ALTRUISMI (EPÄITSEKKYYS ESIM. HOIVAAMIS-TAIPUMUS)
SUOTAVAA POPULAATION SÄILYMISEN KANNALTA, KOSKA
ITSEKKÄÄT MUTAATIOT VIEVÄT POPULAATION
SUKUPUUTTOON (EI HANKITA JÄLKELÄISIÄ)
13
EVOLUUTIO
14
EVOLUUTIO
• EVOLUUTIOLLA EI OLE PÄÄMÄÄRÄÄ EIKÄ
PÄÄTEPISTETTÄ
• ITSE EVOLUUTIO-MEKANISMI KEHITTYY
• EVOLUUTIO ON PROGRESSIIVISTA
(KEHITYKSEEN JOHTAVAA)
• EVOLUUTIO ON KUMULOITUVAA
(SAAVUTETUN KEHITYKSEN VARAAN
RAKENTUVAA)
• EVOLUUTIO KONVERGOI (KOHTI YLEISIÄ JA
TOISTUVIA EVOLUTIIVISIA RATKAISUJA)
• ETENEE LYHYIN ASKELEIN (KERRALLA EI TULE
VALMISTA, EIKÄ HYPPYJÄ TEHDÄ, POIKKEUKSENA
HYBRIDIT), SÄÄTELYTASON GEENIMUTAATIOT
VAIKUTUKSILTAAN SUURIMPIA
• EVOLUUTIO ETENEE PIENIN MUUTOKSIN, KOSKA
SUURET GENOMIN (ONNISTUNEET) MUUTOKSET
OVAT ERITTÄIN EPÄTODENNÄKÖISIÄ
• AJAN KULUESSA PIENETKIN TODENNÄKÖISYYDET
VÄISTÄMÄTTÄ TOTEUTUVAT JA KUMULOITUVAT
• AJAN KANSSA ERILAISIA KOKEILUJA (VARIAATIOITA)
EHDITÄÄN TEHDÄ
• ESIM. 0.01 VALINTAETU SUKUPOLVESSA JOHTAA
3000 SUKUPOLVESSA OMINAISUUDEN
YLEISTYMISEEN POPULAATIOSSA SEURAAVASTI
8/1000 -> 90/100 (KORKOA KOROLLE -EFEKTI)
15
EVOLUUTIO
16
EVOLUUTIO
• HERKKÄ RIIPPUVUUS ALKUTILASTA JA SATTUMASTA
• EVOLUUTIO VALIKOI MIELIVALTAISEN OMINAISUUDEN
LOPULLISESTI (EI OLE KEHITYSLINJASSA ENÄÄ
MUUTETTAVISSA)
• OMINAISUUDET JOTKA TULEVAT MERKITYKSETTÖMIKSI
VOIVAT KUITENKIN MUTATOITUA POIS (VALINTA EI ENÄÄ
SUOJELE NIITÄ), ESIM. UMPILISÄKE (KÄYMISKAMMIO) ON
JÄÄNNE KASVIRAVINNON KÄYTTÄMISESTÄ
• EVOLUUTIO ON TEHOKAS TAPA KEHITTÄÄ ELÄMÄÄ, MUTTA SE
EI VÄLTTÄMÄTTÄ JOHDA PARHAASEEN MAHDOLLISEEN
LOPPUTULOKSEEN (ESIM. PUIDEN PITUUSKASVU ON
YLIMÄÄRÄINEN SIVUTUOTE METSÄN PUIDEN KILPAILLESSA
AURINGONVALOSTA)
• EVOLUUTIO (ELIÖN RAKENNE JA OMINAISUUDET) ON AINA
KOMPROMISSI ERILAISTEN JA ERISUUNTAISTEN
VALINTAPAINEIDEN KESKEN
17
• ITSE EVOLUUTIO-MEKANISMI ON TÄRKEÄ
KEKSINTÖ ELÄMÄN SÄILYMISEN KANNALTA
• ELÄMÄNMUODOT JOILTA PUUTTUU
SOPEUTUMISKYKY YMPÄRISTÖN
MUUTOKSIIN KUOLEVAT ENNEMMIN TAI
MYÖHEMMIN
• KEHITYKSEN AIKAANSAAMINEN MUUTOIN
KUIN EVOLUUTION TULOKSENA VAIKEASTI
AJATELTAVISSA
• OMINAISUUKSIEN TESTAUS- JA VALINTAPROSESSI ON KÄYNNISSÄ TAUKOAMATTA
18
3
2.10.2015
EVOLUUTION EVOLUUTIO
EVOLUUTIO EVOLUUTIO
• PELKÄT PISTEMUTAATIOT EIVÄT VOI SELITTÄÄ
LAJIEN MUODOSTUMISTA
• EVOLUUTIO-MEKANISMIN PIIRIIN KUULUVIEN
TEKIJÖIDEN KENTTÄ ON VAIHDELLUT JA KASVANUT
• BAKTEERIEN JA VIRUSTEN GEENIPOOLI TARJOSI
TEHOKKAAN MEKANISMIN VAIHTAA VALMIITA
GENOMIN PÄTKIÄ ELIÖISTÄ TOISEEN
• MONIPUOLINEN YKSINKERTAISTEN ELIÖIDEN
JOUKKO ON EDELLYTYS KOMPLEKSISEMPIEN
ELIÖIDEN KOKOONPANOLLE
• JAKAUTUMISESTA SUVULLISEEN LISÄÄNTYMISEEN
(GEENIAINEKSEN TEHOKAS MUUNTELU, TOSIN
DNA:N SEKOITTUMINEN EI OLE TÄYDELLISTÄ, VAAN
GEENIALUEITA PERIYTYY USEIN RYHMINÄ)
• ELÄINLAJIN ERI ELIMET JA JÄSENET VOIVAT
KEHITTYÄ ERI TAHTIA TAI ERI SUUNTIIN
• TÄRKEIMPIÄ SYMMETRIAT, KEHON
SEGMENTOITUMINEN OSIIN SEKÄ SAMAN
VARIAATION KOPIOITUMINEN (KOKEILU)
AUTOMAATTISESTI KUMMALLEKIN KEHON
PUOLELLE
• UUSIEN AISTIEN KEHITTYMINEN LAAJENSI
YMPÄRISTÖN HAVAINNOINTIA JA
VUOROVAIKUTUSTA, AIKAANSAADEN
MONIPUOLISEN VALINTAPAINEEN JA
20
KEHITYSPOTENTIAALIN
19
EVOLUUTION EVOLUUTIO
• ELIÖIDEN KOMPLEKSISUUDEN YHTÄKKINEN KASVU ITSE
EVOLUUTIOPROSESSIN KEHITTYMISEN MYÖTÄ
• ORGANISMIEN KEHITYS SINÄLLÄÄN KASVATTAA EVOLUUTIOPOTENTIAALIA ERIKOISTUMISEN, TYÖNJAON JA
SÄÄTÖSYSTEEMIEN (INFORMAATIONKÄSITTELY) TASOILLA,
ESIM. ENDOSYMBIOOSI, ELIMET, SEKSUAALINEN
LISÄÄNTYMINEN
• KOEVOLUUTIO (ERI LAJIEN EVOLUUTIO
VUOROVAIKUTUKSESSA KESKENÄÄN, PEDOT JA
SAALISELÄIMET, HYÖNTEISET JA KUKKIVAT KASVIT,
IHMISESSÄ 1000 SYMBIOOTTISTA ELIÖTÄ)
• KOEVOLUUTIO ARTEFAKTIEN KANSSA, KULTTUURIEVOLUUTIO
(ESIM. TYÖKALUT, MAANVILJELYS, KIELI)
• SUUNNATTU EVOLUUTIO (PARANNELLUT GEENIT, YLLÄTYKSIÄ
VOI AIHEUTUA LUONNOLLISEN VALINTAPAINEEN
PUUTTUMISESTA TAI LYHYTAIKAISUUDESTA)
21
EVOLUUTION NOPEUS
• EVOLUUTIO-MEKANISMI VOI KEHITTYÄ,
MIKÄ MAHDOLLISTAA NOPEAMMAN LAJIEN
KEHITYKSEN
• YMPÄRISTÖN TARJOAMA POTENTIAALI
ERILAISTEN VARIAATIOIDEN KOKEILUUN
VAIHTELEE SUURESTI (YKSIPUOLISET JA
MONIPUOLISET YMPÄRISTÖT)
• LAJIEN JA YMPÄRISTÖN VÄLISEN SUHTEEN
KEHITTYMINEN VOI JOKO HIDASTAA
EVOLUUTIOTA (MUUTOKSIA EI TARVITA) TAI
SITTEN NOPEUTTAA EVOLUUTIOTA
(MUUTOSTEN JATKUVA TARVE)
• YMPÄRISTÖN MONIMUOTOISUUTTA
AIKAANSAA MM. VAIHTELEVA ILMASTO SEKÄ
PLANEETAN MONIPUOLINEN KEMIA22JA
GEOLOGINEN AKTIIVISUUS
EVOLUUTION NOPEUS
EVOLUUTION NOPEUS
• EVOLUUTION POTENTIAALI ON ILMEINEN, HAVAITTU
LAJIEN KEHITYSNOPEUS ON ITSEASIASSA
HITAAMPAA KUIN MIKÄ OLISI MAHDOLLISTA (AJASTA
JA SUKUPOLVISTA LASKETTUNA)
• 20 KÄRPÄSSUKUPOLVEN JÄLKEEN SELVÄ MUUTOS
SUUNTAUTUMISESSA VALOA KOHTI TAI VALOSTA
POIS (JOKA SUKUPOLVESTA VALITTIIN PARHAAT
KUMPAANKIN RYHMÄÄN)
• 90 MAISSISUKUPOLVEN JÄLKEEN ÖLJYPITOISET JA
MILTEI ÖLJYTTÖMÄT LAJIKKEET
• ROTILLA (15 SUKUPOLVESSA) HAMPAIDEN
REIKIINTYMINEN SIIRTYI 100 → 400 vrk IKÄÄN
• KOTIELÄINTEN JA VILJELYSKASVIEN JALOSTUS (100
JA 1000 VUODESSA SAAVUTETTU PALJON)
• HITAITA JA NOPEITA KAUSIA
• EVOLUUTIOLTA KULUI 2 MILJARDIA
VUOTTA ENSIMMÄISEN
EUKARYOOTTISOLUN TEKEMISEEN
• KAIKKI MUU KEHITYS ON TAPAHTUNUT
TÄMÄN JÄLKEEN 1,5 MILJARDISSA
VUODESSA
23
24
4
2.10.2015
EVOLUUTION NOPEUS
• EVOLUUTIOAJAN YKSIKKÖ ON AIKA, JOKA TARVITAAN
GENOMIN MUUTTUMISEEN 1%:LLA
• EHDOTETTU MYÖS GENOMIN SUHTEELLISTA MUUTTUMISTA
PER SUKUPOLVI, YKSIKKÖNÄ DARWIN
• MOLEKULAARINEN AIKA PERUSTUU GENOMIN
LUONNOLLISEEN MUTAATIOTIHEYTEEN (EI KUITENKAAN
VAKIO, M.M. KORJAUSLUKUENTSYYMIT JA
REKOMBINAATIOIDEN TIHEYS VAIKUTTAVAT)
• EVOLUUTION (ELÄMÄN YLIPÄÄNSÄ JA LAJIEN KEHITYKSEN JA
SOPEUTUMISEN) KANNALTA OPTIMAALINEN MUTAATIOTIHEYS
VAIHTELEE SUURESTI
– OLTAVA RIITTÄVÄSTI MUTAATIOITA UUSIKSI VARIAATIOIKSI
– SAMALLA VÄLTETTÄVÄ VIRHEKATASTROFI (LIIAN SUURI MÄÄRÄ
MUTAATIOITA) JOKA TUHOAISI ELÄMÄNMUODON TAI LAJIN
25
EVOLUUTION SUUNTA
• KAIKKIEN LAJIEN PÄÄMÄÄRÄNÄ MAAPALLON
VALLOITUS (IHMISELLÄ MAHDOLLISUUS
PYRKIÄ MYÖS ELÄMÄN SÄILYTTÄMISEEN)
• KOHTI VAPAATA ELINTILAA (LOKEROA)
• YMPÄRISTÖN TARJOAMIEN
MAHDOLLISUUKSIEN SUHTEEN (TILA,
SUOJA)
• ERITYISESTI EKOLOGISEN YMPÄRISTÖN
SUHTEEN (VIHOLLISET, KILPAILEVAT LAJIT,
RAVINTOKETJUT)
• ESIM. HIILI- JA PERMIKAUDELLA
ATMOSFÄÄRISSÄ 35% HAPPEA (NYT 21%),
ATMOSFÄÄRI TIHEÄMPI, HYÖNTEISTEN
SUURI KOKO TUOLLOIN MAHDOLLISTA
27
SYMMETRIOITA
• SYMMETRIAT KEHITTYVÄT ALKION
MALJA-ASTEEN KEHITYKSESSÄ
(GASTRULAATIO), JOLLOIN KUDOKSET
ASETTUVAT PAIKOILLEEN
KEHONKAAVAN MUKAISESTI
• VASEN JA OIKEA
• ETUPÄÄ JA TAKAPÄÄ
• VATSAPUOLI JA SELKÄPUOLI
• RADIAALINEN SYMMETRIA
• BILATERAALISUUS: KAKSI SILMÄÄ,
29
KORVAA, NENÄN SIERAINTA, KÄTTÄ
EVOLUUTION SUUNTA
• MITKÄ TAHANSA KEHITYSKULUT EIVÄT OLE EVOLUUTIOSSA
MAHDOLLISIA
• UNIVERSUMIN RAKENNE, FYSIIKKA JA KEMIA ASETTAVAT
REUNAEHDOT, JOIDEN PUITTEISSA EVOLUTIIVISET
RATKAISUT ON TEHTÄVÄ (EVOLUTIIVISIIN HAASTEISIIN
SAATTAA OLLA USEITA KÄYVIÄ RATKAISUJA TAI SITTEN VAIN
YKSI MAHDOLLINEN RATKAISU)
• OSA EVOLUUTION AIKAANSAAMISTA RATKAISUISTA LIENEE
UNIVERSAALEJA LUONTEELTAA JA OSA PAIKALLISISTA
OLOSUHTEISTA JOHTUVIA, TOISISSA ELÄMÄNMUODOISSA
OLISI SIIS JOTAIN MEILLE TUTTUA JA JOTAIN HYVIN OUTOA
• OSA BIOLOGISISTA PIIRTEISTÄ PAKONSANELEMIA JA OSA
VAIHTOEHTOISIA TAI SATTUMANVARAISIA
26
EVOLUUTION SUUNTA
• LÄHTÖKOHTANA (PRIMITIIVINEN)
ALKUELÄMÄ
• KOMPLEKSISUUDEN KASVU ON TUONUT
LAJEILLE KILPAILUETUA (YHTEISISTÄ KOHTI
ERIKOISTUNEITA OMINAISUUKSISTA)
• KOMPLEKSISUUDEN KASVU ON SAANUT
AIKAAN OSIN VIELÄ SELITTÄMÄTTÖMIÄ
(YLLÄTTÄVIÄKIN EMERGENTTEJÄ)
OMINAISUUKSIA (TIETOISUUS)
• VALTAOSALLA LAJEISTA EI KUITENKAAN OLE
AIVOJA TAI EDES HERMOSTOA, VAIKKA
KAIKILLA NYKYISIN ELOSSAOLEVILLA
LAJEILLA ON OLLUT YHTÄ KAUAN AIKAA
28
KEHITTYÄ
SYMMETRIOIDEN SYITÄ
• SUU, NÄKÖAISTI JA TUNTOAISTI
ETUPÄÄSSÄ (LIIKKUMISSUUNTA)
• SUOLI TAKAPÄÄSSÄ (KUONA-AINEET
POIS KAUKANA SUUSTA)
• ALAPUOLELLA GRAVITAATIO
• YLÄPUOLELLA AURINGONVALO
30
5
2.10.2015
KONVERGENSSI
DIVERGENSSI
• ELIÖT OVAT SELLAISIA KUIN NIIDEN
KYSEISESSÄ YMPÄRISTÖSSÄ PITÄÄ OLLA
• SAMANLAISISSA (FYSIKAALISISSA JA
EKOLOGISISSA) YMPÄRISTÖISSÄ KEHITTYY
SAMANLAISIA ELIÖITÄ (KONVERGENSSI)
• EKSOMAAILMOJEN MAHDOLLINEN ELÄMÄ
SAATTAAKIN MUISTUTTAA MAAELÄMÄÄ
(ESIM. EI OLE MONTAA TAPAA JUOSTA TAI
LENTÄÄ TEHOKKAASTI)
• HAJAANTUVA (DIVERGENTTI) EVOLUUTIO
• OMINTAKEISESSA YMPÄRISTÖSSÄ JA
ERISTYKSISSÄ MUISTA YKSILÖISTÄ (EI
GEENIENVAIHTOA) POPULAATIO ALKAA
KEHITTYMÄÄN OMAAN SUUNTAANSA
• MAANULKOPUOLISET MIKROBIT EIVÄT OLE
TODENNÄKÖINEN UHKA MAAELÄMÄLLE,
KOSKA NIIDEN BIOKEMIALLISET TOIMINNOT
JA RAKENTEET EROAVAT MAAELÄMÄN
KÄYTTÄMISTÄ
31
DNA JA MENNYT MAAILMA
• RICHARD DAWKINSIN MUKAAN GEENEISTÄ
VOIDAAN TULKITA MILLAISESSA
MAAILMASSA JOSKUS ELÄNEET
ORGANISMIT ELIVÄT
• GEENEISSÄ NÄKYY SOPEUTUMINEN
YMPÄRISTÖÖN ELI MITEN ELIÖ SELVIYTYI,
MITEN SE TOIMI, MITÄ SE SÖI JNE.
• ”MUTAATIOT OVAT SATUNNAISIA, MUTTA
LUONNONVALINTA EI OLE”
32
EVOLUUTIO
POIKKEUSOLOSUHTEISSA
• SUURTEN LUONNONKATASTROFIEN (ESIM.
ASTEROIDITÖRMÄYSTEN) JÄLKEEN ON
VÄLJÄÄ TILAA, JOSSA SUURETKIN
EVOLUTIIVISET KOKEILUT OVAT
MAHDOLLISIA (UUDET LAJIT
TUHOUTUNEIDEN TILALLE)
• KATASTROFI SAATTAA AIHEUTTAA
MUTAATIOFREKVENSSIN KASVUA (ESIM. UVJA RÖNTGENSÄTEILYN TAI MUTAGEENISTEN
VIRUSTEN TOIMESTA)
33
EVOLUUTIO
POIKKEUSOLOSUHTEISSA
• SELVIYTYMISKYKY (HAAVOITTUVUUS)
RIIPPUUN HERKKYYDESTÄ JA
SOPEUTUMISKYVYSTÄ JUURI KYSEISEEN
MUUTOKSEEN
• LAJIT KEHITTÄNEET
SELVIYTYMISSTRATEGIOITA SUKUPUUTON
UHATESSA
• ENEMMÄN NAARASPUOLISIA YKSILÖITÄ,
POIKASTEN MÄÄRÄ KASVAA
• ANKARA KILPAILU
35
34
SELVIYTYJIÄ
• LAJIT JOTKA EIVÄT VAADI PALJON
• PIENIKOKOISIA JA ERIKOISTUMATTOMIA
LAJEJA (BAKTEERIT, ROTAT)
• PIENIKOKOISILLE LAJEILLE YMPÄRISTÖ
TARJOAA PALJON ENEMMÄN
MAHDOLLISUUKSIA KUIN SUURIKOKOISILLE
• SOPEUTUMISKYKYISET LAJIT (IHMINEN)
• PIENET POPULAATIOT (VOIVAT MUUTTUA
NOPEASTI UUDEN GEENIAINEKSEN TAI
ONNEKKAIDEN MUTAATIOIDEN
SEURAUKSENA)
• LYHYTIKÄISET LAJIT (USEITA
REKOMBINAATIOITA NOPEASTI, VOIVAT
36
MUUTTUA NOPEASTI)
6
2.10.2015
HÄVIÄJIÄ
SUKUPUUTTO
• ERIKOISTUNEET LAJIT, JOILLA VÄHÄN
VAIHTOEHTOJA (RAVINTO, SUOJA)
• SUURIKOKOISET JA PITKÄIKÄISET
LAJIT, JOILLA PALJON TARPEITA
• ERISTÄYTYNEET POPULAATIOT,
JOILLA VÄHÄN GEENIEN VAIHTOA
(EIVÄT PYSTY MUUTTUMAAN MUUTOIN
KUIN ONNEKKAIDEN MUTAATIOIDEN
SEURAUKSENA)
• SUURIN OSA (EHKÄ 99%) KAIKISTA
OLEMASSAOLLEISTA LAJEISTA KUOLLUT
SUKUPUUTTOON
• MASSATUHO, KUN YLI 75% LAJEISTA
KUOLEE MILJOONAN VUODEN KULUESSA
• EKSTINKTIO (BIOLOGIASSA) = SUKUPUUTTO
• EKSTINKTIO (ASTRONOMIASSA) = SÄTEILYN
ABSORBTIO ILMAKEHÄSSÄ TAI
TÄHTIENVÄLISESSÄ AINEESSA
37
38
EVOLUUTIO SYSTEEMINÄ
POLYMORFISMI
• EVOLUUTIO SYSTEEMINÄ VOI JOUTUA
KAOOTTISEEN TILAAN (ESIM. UUSIEN
MUTAATIOIDEN SEURAUKSENA)
• USEITA KILPAILEVIA STRATEGIOITA, JOLLOIN
VOITTAJIA ON VAIKEA ENNUSTAA
• EPÄVAKAIDEN KAUSIEN JÄLKEEN
RAUHALLISIA KAUSIA (JÄRJESTELMÄ
STABILOI ITSENSÄ)
• SUKUPUUTOILLE EI VÄLTTÄMÄTTÄ TARVITA
MITÄÄN ULKOISIA SYITÄ
• KAHDEN VAIHTOEHTOISEN
GEENIVARIAATION ESIINTYMINEN
SAMANAIKAISESTI POPULAATIOSSA
• POPULAATION HYÖTY (SAAVUTETAAN KAKSI
ERIKOISTUMISTA)
• VARAUTUMINEN MUUTOKSIIN POPULAATION
TASOLLA (VARIAATIOITA VALMIINA
ODOTTAMASSA)
• ESIM. VERIRYHMÄT, VÄRISOKEUS, SILMIEN
JA HIUSTEN VÄRI
39
EVOLUUTION AIKAANSAAMIA
KEKSINTÖJÄ
• KAIKULUOTAIN, SÄHKÖISKU (600V),
MYRKKY, RÄJÄHDYSAINE,
HARPPUUNA, AURINKOPANEELI,
JÄÄHDYTYSLEVY, HAMPAAT,
ÄIDINMAITO, IMITOINTI (PEILISOLUT),
JÄÄNESTOAINE (GLYSEROLI),
UIMARAKKO, PERISKOOPPI, PYÖRIVÄ
AKSELI JNE.
41
40
MAAPALLON SAAREKKEET
• MAANTIETEELLISESTI ERISTYKSISSÄ OLLEILLA
ALUEILLA VOIDAAN TUTKIA LAJIEN PAIKALLISTA
KEHITYSTÄ (ILMAN GEENIENVAIHTOA MUUALTA)
• ENDEEMISET (KOTOPERÄISET) LAJIT, JOITA EI
TAVATA MISSÄÄN MUUALLA
• ESIM. MANTEREET (AUSTRALIA), SAARET
(MADAGASCAR), JÄRVET (VIKTORIA), RANNIKKOJEN
LUOLAT (VAIN VEDENALAINEN YHTEYS)
• ELÄMÄ MAANKUORESSA KILOMETRIEN
SYVYYDESSÄ MUODOSTAA PINTAELÄMÄÄN
NÄHDEN ERISTETYN MAAILMANSA
42
7
2.10.2015
MAAPALLON SAAREKKEET
• MANTEREIDEN LIIKKEET (ESIM. GONDWANA
IRTOSI LAURASIASTA VAJAAT 180
MILJOONAA VUOTTA SITTEN)
• AFRIKAN JA ETELÄ-AMERIKAN MAAYHTEYS
KATKESI 80 MILJOONAA VUOTTA SITTEN
• EUROOPAN JA POHJOIS-AMERIKAN
MAAYHTEYS KATKESI 40 MILJOONAA
VUOTTA SITTEN
• MERENPINNAN MUUTOKSET (VÄLIMERI),
VESISTÖJEN LASKUJOKIEN MUUTOKSET
(VUOKSI), JÄRVIEN KUIVUMINEN JA
UUDELLEEN TÄYTTYMINEN
LAJIUTUMINEN
•
OSA POPULAATIOSTA JOUTUU ERILLEEN (USEIN
VAHINGOSSA), NIIN ETTEI GEENIEN VAIHTO OLE ENÄÄ
TODENNÄKÖISTÄ
LISÄÄNTYMISESTEIDEN SYNTY ALKUPERÄISEN
POPULAATION KANSSA MERKITTÄVÄ TEKIJÄ
LAJIUTUMISESSA
KUMPIKIN RYHMÄ JATKAA KEHITYSTÄÄN PAIKALLISESTI JA
JOSSAKIN VAIHEESSA MUODOSTUU KAKSI ERI LAJIA
(JOIDEN YKSILÖT EIVÄT PYSTY ENÄÄ KESKENÄÄN
TUOTTAMAAN LISÄÄNTYMISKYKYISIÄ JÄLKELÄISIÄ)
LAJIN MÄÄRITTELY PERUSTUU:
•
•
•
1. LISÄÄNTYMISKYKYINEN JA ELINKELPOISIA JÄLKELÄISIÄ
2. MORFOLOGISESTI TAI GENEETTISESTI OMA RYHMÄNSÄ
3. FYLOGENEETTINEN, HISTORIALLINEN ELÄMÄNPUU
43
44
LAJIUTUMINEN
LAJIUTUMINEN
• ERISTYNEISSÄ PAIKOISSA KILPAILU EI EHKÄ
OLE KOVAA (TILAA UUDENLAISILLE
LAJEILLE)
• LAJIUTUMINEN SAMALLA ALUEELLA
(HYÖNTEISET)
• LÄHEKKÄISET LAJIT OVAT SAMANKALTAISIA,
JOTEN KILPAILUA SAMOISTA RESURSSEISTA
HELPOTTAA, MIKÄLI LAJIT KEHITTYVÄT ERI
SUUNTIIN
• YLEENSÄ LAJIUTUMISPROSESSI ON
VÄHITTÄINEN JA KESTÄÄ KAUAN
• POIKKEAVAT GENEETTISET MUUTOKSET ERI
LAJIEN JÄLKELÄISTEN (HYBRIDIEN)
PERIMÄSSÄ SYNNYTTÄVÄT UUSIA LAJEJA
HYVIN NOPEASTI
• UUSISTA KASVILAJEISTA KYMMENIÄ
PROSENTTEJA ON SYNTYNYT
KROMOSOMISTON MONINKERTAISTUMISEN
SEURAUKSENA (POLYPLOIDISAATIO)
45
OMINAISUUKSIEN
KEHITTYMINEN
• JOTKUT OMINAISUUDET KEHITTYVÄT HELPOMMIN
JA TOISET TAAS VAIKEAMMIN
• MONESTI KEHITTYNEITÄ OMINAISUUKSIA:
KÄVELY KAHDELLA JALALLA, LENTOKYKY,
NÄKÖKYKY, HÄNTÄ, SEGMENTOITUNUT KEHO
• KÄSITTEELLINEN AJATTELUKYKY (SYMBOLIFUNKTIO) KEHITTYNYT TIETTÄVÄSTI VAIN YHDEN
KERRAN
• ESIM. NÄKÖKYKY ON KEHITTYNYT 40-60 ERILLISTÄ
KERTAA, TIETOKONEMALLINNUKSESSA
(VIRTUAALISIMULAATIO) SILMÄ ON SAATU
KEHITTYMÄÄN 2000 PIENEN MUUTOKSEN
TULOKSENA 500 000 VUODESSA
47
46
RATKAISEVIA KEHITYSVAIHEITA
•
•
•
•
•
•
•
ESITUMALLISET JA AITOTUMALLISET
ELÄIMET JA KASVIT
YKSISOLUISET JA MONISOLUISET
NÄKÖKYKY
MERESTÄ MAALLE
KÄVELEMINEN KAHDELLA JALALLA
MENTAALINEN 3-D MALLI
48
8
2.10.2015
IHMISEN DNA:N MUUTOKSET
• 75 000 VUOTTA SITTEN IHMISKUNTA LÄHES SUKUPUUTOSSA,
EHKÄ VAIN MUUTAMIA TUHANSIA IHMISYKSILÖITÄ SELVISI
HENGISSÄ, TÄMÄ EVOLUTIIVINEN PULLONKAULA VALIKOI
NYKYIHMISTEN GEENIT
• IHMISEN DNA EI OLE MUUTTUNUT 50 000 VUOTEEN
MERKITTÄVÄSTI (VAIHTELU MAHTUISI NYKYISIN ELÄVIEN
YKSILÖIDEN 0.1% DNA:N ERON SISÄLLE)
• IHMISEN EVOLUUTION ARVELLAAN JÄLLEEN KIIHTYNEEN
VIIM. 20 000 VUODEN AIKANA IHMISPOPULAATION KASVUN
SEURAUKSENA
• KAIKKI NYKYISET IHMISRODUT PYSTYVÄT PARIUTUMAAN
KESKENÄÄN
• YKSILÖIDEN VÄLISET GENEETTISET EROT OVAT SUUREMPIA
KUIN RYHMIEN VÄLISET
49
GENOMIEN SAMANLAISUUS
• DNA-DNA-HYBRIDIN HAJOAMISLÄMPÖTILA
KERTOO SUKULAISUUSASTEEN (KUINKA
TÄYDELLISESTI KAHDEN ERI LAJIN DNAJUOSTEET EMÄSPARIUTUVAT KESKENÄÄN)
• NEANDERTALIN IHMINEN 99,5%
• BONOBO 98,7%
• SIMPANSSI 98%
• GORILLA 97%
• PAVIAANI 94%
• HIIRI 75%
• VIRUKSET 1,3%
51
ELIÖIDEN RAKENNE JA MUOTO
• ERIKOKOISILLE ELÄIMILLE SOPIVAT ERILAISET
RAKENTEET JA MUODOT
• LUIDEN KESTÄVYYS ON VERRANNOLLINEN NIIDEN
POIKKIPINTA-ALAAN
• LIHASTEN VOIMA ON VERRANNOLLINEN NIIDEN
POIKKIPINTA-ALAAN
• ELÄIMEN MASSA ON VERRANNOLLINEN SEN
TILAVUUTEEN
• KARKEASTI ARVIOIDEN ELIÖN MUODOSTAVIEN
ATOMIEN JA MOLEKYYLIEN YHTEENLASKETUN
SIDOSENERGIAN PITÄÄ OLLA REILUSTI SUUREMPI
KUIN ELIÖN KAATUMISESSA VAPAUTUVAN
GRAVITAATIOENERGIAN, JOTTA ELIÖ EI MENISI
HELPOSTI RIKKI
53
VIIMEAIKAISIA TAPAHTUMIA
• 40000 VUOTTA SITTEN PIIRRUSTUKSIA,
KAIVERRUKSIA, PATSAITA, HAUTAESINEITÄ,
ORNAMENTTEJA (LASCAUX LUOLA, CRO-MAGNON
IHMINEN)
• ITSETIETOISUUDEN MAHDOLLISTANEET
MUUTOKSET AIVOJEN RAKENTEESSA, LIITETÄÄN
KIELEN, EHKÄ KIELIOPIN KEKSIMISEEN
(KIRJOITETTU KIELI VASTA MUUTAMA TUHAT
VUOTTA VANHAA)
• KULTTUURIN MYÖTÄ TASAPAINOILU
SYNNYNNÄISTEN JA OPITTUJEN OMINAISUUKSIEN
VÄLILLÄ
• MIELI, AIVOT, KEHO JA YMPÄRISTÖ
VUOROVAIKUTUKSESSA KESKENÄÄN
50
ELIÖIDEN RAKENNE JA MUOTO
• ELIÖIDEN RAKENNE JA MUOTO MUUTTUU EVOLUUTIOSSA
• EVOLUUTIO HAKENUT, KOKEILLUT JA AIKAANSAANNUT
KAIKENKOKOISIA ELIÖITÄ
• JOS ELIÖ AJATELLAAN KUUTION MUOTOISEKSI, NIIN SÄRMÄN
KAKSINKERTAISTUESSA ELIÖN PINTA-ALA NELINKERTAISTUU
JA ELIÖN TILAVUUS KAHDEKSANKERTAISTUU
• ERI OMINAISUUDET OVAT ERILAILLA VERRANNOLLISIA
ELIÖIDEN KOKOON, PINTA-ALAAN JA TILAVUUTEEN
• SUUREN KOON SAAVUTTAMINEN NOPEASTI VAATII PALJON
RAVINTOA (RAKENNUSAINEITA) JA VIE KÄYTETTÄVISSÄ
OLEVAA ENERGIAA LIIKKUMISELTA JA MUILTA
ELINTOIMINNOILTA
• ELIÖT TARVITSEVAT ENERGIAA RAVINNOSTA
(VARASTOITUNUTTA ENERGIAA), KOSKA FOTOSYNTEESI
(ELIÖN PINTA-ALA) EI RIITÄ SUUREEN ENERGIANTARPEESEEN
(VERRATTUNA KASVEIHIN)
52
ELIÖIDEN RAKENNE JA MUOTO
• LÄMMÖNHUKKA JA HIKOILU OVAT VERRANNOLLISIA
ELÄIMEN PINTA-ALAAN, MUTTA
ENERGIANTUOTANTO ON VERRANNOLLINEN
ELÄIMEN TILAVUUTEEN (SOLUJEN MÄÄRÄÄN)
• PIENIKOKOISTEN ELÄINTEN LÄMMÖNHUKKA ON
SUHTEELLISESTI SUUREMPI KUIN ISOKOKOISTEN
ELÄINTEN
• PALLOMAINEN MUOTO ON EDULLINEN
LÄMPÖTALOUDEN KANNALTA (ESIM. VALAAT JOTKA
KELLUVAT VEDESSÄ)
• ERÄIDEN DINOSAURUSLAJIEN VALTAVA
SELKÄPURJE MAHDOLLISTI SEKÄ NOPEAN
LÄMMÖNLUOVUTUKSEN (HAIHDUTUSPINTALA)
ETTÄ LÄMMÖNKERUUN (AURINKOKERÄIN)
• ELIÖIDEN VÄRIN VALIKOITUMISEEN VAIKUTTAA
LÄMPÖTILA JA AURINGONSÄTEILYN MÄÄRÄ,
TOISAALTA VÄRI SUOJAA PETOELÄIMILTÄ TAI TOIMII
SEKSUAALISEN VALINNAN VÄLINEENÄ 54
9
2.10.2015
ELIÖIDEN RAKENNE JA MUOTO
• PIENIKOKOISILLA ELIÖILLÄ ON VÄHÄN ELIMIÄ JA
VERISUONISTOA
• VERISUONTEN TARVE ON VERRANNOLLINEN ELÄIMEN
TILAVUUTEEN
• ELIÖIDEN RAKENNETTA JA MUOTOA VOIDAAN ENNUSTAA
ERILAISISSA YMPÄRISTÖISSÄ (GRAVITAATIO, PAINE,
LÄMPÖTILA, VALOISUUS)
• VÄHÄENERGISISSÄ YMPÄRISTÖISSÄ ELÄMÄÄ EI VOI OLLA
MÄÄRÄLLISESTI PALJON, ELÄMÄ ON VÄISTÄMÄTTÄ
PIENIKOKOISTA JA PROSESSEILTAAN HIDASTA
• ELIÖT VOIVAT OLLA SYMBIOOTTISESTI MUODOSTUNEITA,
JOLLOIN ESIM. ENERGIAN JA RAVINNON SAANTI ON
RATKAISTU MUUTOIN KUIN ORGANISMIN OMINAISUUKSIEN
TASOLLA (SUU PUUTTUU, RUUANSULATUS PUUTTUU JNE.)
55
TULEVAISUUS
• EVOLUUTIOTA TAPAHTUU KOKO AJAN
• IHMISEN TEKNOLOGISEN JA
KULTTUURILLISEN TOIMINNAN
LISÄÄNTYESSÄ MAAPALLOLLA MYÖS
EVOLUUTION NOPEUS VOI KASVAA
• EVOLUUTIO JATKUU MAAPALLOLLA NIIN
KAUAN KUN MAAPALLO ON OLEMASSA
• PÄÄOSA BIOLOGISESTA KEHITYKSESTÄ
TAPAHTUU VASTA KAUKAISESSA
TULEVAISUUDESSA (Fred Adams)
• PIENTEN PUNAISTEN KÄÄPIÖTÄHTIEN
PLANEETOILLA ELÄMÄLLÄ ON AIKAA
KEHITTYÄ TUHANSIA KERTOJA NYKYISEN
57
UNIVERSUMIN IKÄ
MUUT MAAILMAT
• SUURIMASSAISILLA PLANEETOILLA (TAI JÄÄHTYNEILLÄ
KYLMILLÄ TÄHDILLÄ) ELIÖIDEN TÄYTYISI OLLA
RAKENTEELTAAN LUJIA JA TUKEVIA, JOTTA NE KESTÄISIVÄT
GRAVITAATIOTA
• TÄYSIN VEDEN PEITTÄMILLÄ PLANEETOILLA
ELÄMÄNMUODOT OLISIVAT VETEEN TAI ILMAAN
SOPEUTUNEITA (ELLEI SYVÄLLÄ PLANEETAN KUORESSA),
KUUSI-METRINEN VESIKERROS SUODATTAA PUNAISEN
AALLONPITUUDEN POIS JA JÄLJELLÄ SINIHARMAATA VALOA
• MONEN AURINGON SYSTEEMEISSÄ VALOISUUDEN
VAIHTELUUN OLISI PITÄNYT SOPEUTUA
• SYNKRONISESTI KESKUSTÄHTEÄÄN KIERTÄVILLÄ
PLANEETOILLA TOISELLA PLANEETAN-PUOLISKOLLA OLISI
KOKO AJAN PÄIVÄ JA TOISELLA YÖ (RAJAPINTA)
• ELÄMÄLLÄ MUUALLA OLISI SAMANKALTAISUUKSIA
MAAELÄMÄÄN JOKO FYSIIKALTAA, KEMIALTAAN TAI
FUNKTIONAALISUUDELTAA
56
LÄHDEKIRJALLISUUS
• Fred Adams: Elämää multiversumissa, Like, 2004 (2002)
• Susan Aldridge: Elämän lanka, Geenitekniikan tarina, Art House, 1999
(1996)
• Sean B. Carroll: The Making of the Fittest, 2006
• Paul Davies, Viides ihme, elämän syntyä etsimässä, Terra Cognita, 1999
• Lewis Dartnell: Life in the Universe, Oneworld Publications, 2007
• Richard Dawkins: A Pilgrimage to the Dawn of Life, The Ancestor’s Tale,
Weidenfeld & Nicolson, 2004
• Richard Dawkins: The Greatest Show on Earth, The Evidence for Evolution,
Bantam Press, 2009
• Iain Gilmour and Mark A. Sephton (eds.): An Introduction to Astrobiology,
The Open University, 2003
• Ilkka Hanski, … (toim.): Kaikki evoluutiosta, Gaudeamus, 2009
• Erkki Hiltunen, … (toim.): Galenos, ihmiselimistö kohtaa ympäristön, WSOY,
2001
• Steven Rose: The 21st-Century Brain, Vintage, 2006 (2005)
• Jörgen Sjöström: På spaning efter livets ursprung, Om astrobiologi,
människans rötter och evolutionen, Norstedts, 2010
58
• Peter Ward: Tuntematon elämä, Ursa, 2006 (2005)
10