Gabriel García Márquezin romaanin Sadan vuoden yksinäisyys alkupuolella Macondon kylään saapuu nuori orpotyttö, Rebeca. Matkatavaroina tällä resuisella tytöllä on vain vähän vaatteita, keinutuoli – sekä säkki, jossa hänen vanhempiensa luut kalisevat ja jupisevat omia aikojaan. Kyläläisiä kalmojen mellastus häiritsee, ja tarinan edetessä luut muurataan ensin seinään ja sitten haudataan maahan, mutta kalina ei lopu. Rebecan kuolleet, tuntemattomat vanhemmat ovat Buendian suvun menossa mukana läpi koko tarinan.
Science Advances -julkaisusarja ei taida painia samassa maagisen realismin kategoriassa kuin Márquez, mutta niin vain Sadan vuoden yksinäisyys ja Rebecan luusäkki pompahtivat mieleeni lukiessani kesällä Nathan K. Schaeferin, Beth Shapiron ja Richard E. Greenin artikkelia An ancestral recombination graph of human, Neanderthal, and Denisovan genomes (Science Advances 7(29); 2021). Tutkimuksessa nämä tunnetut muinaisDNA-tutkijat vertailivat genomeja 279 nykyihmiseltä, kahdelta neandertalinihmiseltä ja yhdeltä Altain vuoristosta löytyneeltä denisovanihmiseltä. Pyrkimyksenä oli selvittää, mikä osuus perimästämme on omaamme, siis senkaltaista DNA-rimpsua, mitä ei löydy miltään muulta lajilta kuin nykyihmiseltä.
Aiemmin on tiedetty, että neandertalit kummittelevat keskimäärin parissa prosentissa nykyihmisen perimää ja myös joissakin ominaisuuksissamme, esimerkiksi hiusten ja ihon värissä (kts. Danneman & Kelso 2017). Nämä geenit ovat siirtyneet geenipooliimme viitisenkymmentä tuhatta vuotta sitten, kun nykyihmiset Afrikasta lähdettyään kohtasivat intiimisti neandertalin- ja denisovanihmisiä (kts. The Scientist, 2019). Vaikka muiden lajien DNA-pätkiä yksilötasolla on vähän, eri ihmisillä ne ovat eri puolilla perimää ja siten ihmisen koko geenipoolissa ounasteltiin olevan niukasti ”koskemattomia” alueita. Schaeferin ja kumppaneiden kehittämällä bioinformatiikkamenetelmällä pystyttiin edelläkuvattujen “hiljattain” siirtyneiden DNA-jaksojen lisäksi tunnistamaan myös nykyihmisten, neandertalien ja denisovien yhteiseltä kantaäidiltä periytynyt muinainen DNA-muuntelu. Näiden yhteenlaskettu osuus yllätti kaikki: aivan ikiomaa DNA-muuntelua on perimästämme …(rumpujen pärinää)… vain 1,5 %! Jos mukaan luetaan ”ihmismäinen” muuntelu, jota kuitenkin löytyy myös neandertaleilta ja denisovilta, osuus nousee 7 prosenttiin. Muiden lajien kanssa jaetut jaksot muodostavat siis perimästämme vähintään 93 prosenttia.
Tumamme on säkki, jossa esivanhempiemme kromosomit kalisevat.
Ja kuten romaanin Rebeca, mekään emme tunne vanhempiamme, ainakaan kaikkia. Osa muinaisesta DNA-muuntelustamme on nimittäin peräisin todellisilta haamuilta, eli lajeilta, joita ei tunneta eikä ole uskottu olevan olemassakaan. Helmikuussa 2020 toisessa Science Advances -artikkelissa Arun Durvasula ja Sriram Sankararaman osoittivat, että tiettyjen länsiafrikkalaisten väestöjen perimästä jopa 19 % voi olla peräisin “arkaaiselta haamulta” eli joltain tuntemattomalta lajilta, joka on haarautunut omille teilleen selvästi ennen kuin nykyihmisten ja neandertalilaisten linjat erosivat toisistaan 520 000–630 000 vuotta sitten (Science Advances 6(7); 2020). Myös Schaefer ja kumppanit löysivät perimästämme viitteitä näistä haamulajeista.
Ihmisen risteytyminen – maagiselta tuntuvaa realismia
Ihmisen risteytyminen toisen lajin kanssa tuntuu aika villiltä scifi- tai kauhumateriaalilta (Mary Shelley olisi ehkä innostunut ajatuksesta). Siihen on varmaan parikin syytä. Ensinnäkin ajatus on outo, koska mahdollisuudet saada lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä toisen lajin kanssa ovat olleet lievästi sanottuna heikot sen jälkeen kun lähilajimme, myös ne haamut, poistuivat (poistettiin?) näyttämöltä kymmeniätuhansia vuosia sitten. Toisekseen meitä hämmentää yleisesti opetettu määritelmä lajille, ”biologinen lajikäsitys”, jonka mukaan vain samaan lajiin kuuluvat voivat saada lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Laji on meille yksi luonnon perusyksikkö, mutta silti vain ihmisen keksimä tapa luokitella luonnossa esiintyviä jatkumoita. Biologinen lajikäsitys on yksi ainakin 26 esitetystä luokittelutavasta (yksi listaus täällä). Hirvi ja herkkutatti ovat toki eri lajeja vaikka voissa paistaisi, mutta lähisukulaisten välillä erot ovat asteittaisia ja risteytyminen on mahdollista. Biologisen lajikäsityksen muotoili Ernst Mayr vuonna 1942, eikä risteytymisiä tuolloin uskottu juuri tapahtuvan (jos kasveja ei lasketa).
Tosiasiassa risteytyminen ja lajienvälinen geenienvaihto (eli introgressio), ovat luonnossa kuitenkin pikemminkin sääntö kuin poikkeus. Beth Shapiro, yksi Science Advances -artikkelin kirjoittajista, onkin todennut, että jos jotkin lajit vain voivat saada lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä, ne myös niitä tuottavat – jos kohtaavat (Wilcox 2021, kts. alla). Erityisesti meidän nisäkkäiden kohdalla risteytymien yleisyyttä ja evolutiivista merkitystä ei kuitenkaan ole hahmotettu ennen kuin genomidataa on alkanut viimeisen kymmenen vuoden aikana kertyä.
Missä olisimmekaan ilman haamujen perimää?
Introgressiota voidaan pitää yhtenä evoluution yleistyökaluna, hyödyllisenä sellaisena. Nykygeenit, joiden alkuperä voidaan jäljittää toisiin lajeihin, ovat usein kantajalleen edullisia, koska risteytymisissä siirtyneitä huonoja variantteja on luonnonvalinta siivilöinyt pois. Elokuussa The Scientist -julkaisussa ilmestyi Christie Wilcoxin kirjoittama mainio populaariartikkeli The Extinct Species Within, jossa keskitytään juuri adaptiiviseen introgressioon eli hyödyllisten geenivarianttien pomppimiseen lajilta toiselle.
Adaptiivinen introgressio ei varmaankaan ole eliöyksilöillä päällimmäisenä mielessä juuri risteytymisen hetkellä, mutta jälkeläisten sopeutumiselle sille voi olla tärkeä merkitys. Näin on ollut myös ihmisellä.
Wilcox ottaa esimerkiksi tiibetiläiset, Tiibetin ylängölle 30 000–40 000 vuotta sitten siirtyneiden ihmisten jälkeläiset. Esivanhemmilla ei ole ollut helppoa. Tiibetin ylänkö on yli 4 500 metrin korkeudessa, missä happea on ilmassa vain reilu puolet merenpinnan tasoon verrattuna. Happisaturaation ylläpidossa tiibetiläisiä auttaa kuitenkin tehokas versio EPAS1 -geenistä, joka koodaa yhtä heikossa hapessa aktivoituvan HIF-proteiinikompleksin osaa (HIF-kompleksi helpottaa elimistön sopeutumista korkeaan ilmanalaan monin eri tavoin, mm. säätelemällä erytropoietiinin tuotantoa ja verisuonien muodostumista). Nykyihminen ei kuitenkaan tätä EPAS1-varianttia ole luonut eikä Tiibetiin tuonut. Se on denisovanihmiseltä. Tiibetin tienoille edetessään nykyihmiset sattuivat onnekseen törmäämään viehättäviin, tätä varianttia kantaviin denisovayksilöihin. Jälkeläisten oli helpompi hengittää. Mielenkiintoista muuten on, että denisovanihmisten jäänteitä on toistaiseksi löydetty Altain lisäksi vain Tiibetistä.
Eikä tässä vielä kaikki. Samainen EPAS1 on nimittäin Tiibetissä siirtynyt toisenkin kerran – koirille. Siperian alavilla mailla ihmisen seuralaiseksi kesyyntynyt koira tuotiin Tiibetin ylängölle n. 10 000 vuotta sitten. Korkealla koirat olivat ongelmissa yhtä lailla kuin ihmiset aiemmin, ja nekin saivat apuja paikallisesta koira-EPAS1:stä. Se tuli alueella asuneilta tiibetinsusilta, korkeampaan ilmanalaan sopeutuneelta suden alalajilta (Canis lupus chanco). Eikä introgressiotarina pääty tähän: tiibetinsusienkin EPAS1-variantti on ollut siirtotavaraa, alunperin joltain toistaiseksi tuntemattomalta lajilta. Sekä tiibetinsuden että läheisen himalajansuden perimästä n. 39 % on peräisin tältä haamulta (Wang ym. 2020). Hyvää geenipyörää on turha keksiä uudelleen.
Viime vuosina on alkanut paljastua, että EPAS1:n kaltaiset yksittäiset varianttihypyt lajista toiseen ovat vain jäävuoren huippu. Ensinnäkin, merkkejä adaptiivisesta introgressiosta löytyy yhä kasvavalta lajijoukolta: ihminen, monet kasvilajit, kotihiiri, karhu, norsu, perhoslajit, simpanssi, kalat, sika, nauta… (lihatiskiltä on kuitenkin turha etsiä merkkejä introgressiosta). Toiseksi, ihmistutkimukset, kuten Schaeferin ja kumppaneiden artikkeli, ovat osoittaneet kuinka laajasti introgressio on yksittäisen lajin perimää muokannut. Vuonna 2020 Gouy ja Excoffier osoittivat, että introgressio neandertaleilta ja denisovilta on vaikuttanut kokonaisiin nykyihmisen geenijoukkoihin ja siten ainakin 21 erilaiseen biokemialliseen prosessiin (”pathway”). Suomi mainittu! Meiltä löytyy neandertalivaikutusta ainakin ”RhoGTPaasi-välitteisessä aktiini-tukirangan säätelyssä” ja ”P75 NTR-reseptori -välitteisessä signaloinnissa” sekä ”NRAGEn, NRIFn ja NADEn solukuolemasignaloinnissa” – mitä sitten ikinä tarkoittavatkin (käännökset asiaa ymmärtämättömän kirjoittajan). Tuloksista kumpusi mielenkiintoinen johtopäätös: ihmisellä introgression kautta saadut hyödylliset ominaisuudet liittyvät usein immuunijärjestelmään tai metaboliaan.
Juuri näistä ominaisuuksista on hyötyä levittäydyttäessä uusille asuinalueille, missä uusiin taudinaiheuttajiin ja ravintolähteisiin väistämättä törmätään. Ehkä lajeista juuri ihminen onkin hyötynyt risteytymisistä ja geenienvaihdosta poikkeuksellisen paljon. Afrikasta lähtenyt kantapopulaatiomme oli niin pieni, että geenipoolista tuskin löytyi montaakaan vaihtoehtoista ratkaisua eri ympäristöoloihin. Lisäksi ihmisen maailmankiertue eteni laajalle ja semmoista haipakkaa, ettei uusia sopeumia ehtinyt matkalla kehittyä. Onneksi paikallisilla bändäreillä oli perimässään ratkaisuja valmiina.
Ilman risteytymisiä ja introgressiota – esi-isien luiden kalinaa – oma historiamme ja planeettamme eliömaantiede olisi todennäköisesti kehittynyt ihan erilaiseksi kuin nyt.
Uusia näköaloja tutkimukseen…
Introgressiotutkimukset ovat tuoneet aivan uusia mahdollisuuksia evoluutiobiologiaan ja paleontologiaan. DNA-data voi todistaa sukupuuttoon kuolleen lajin olemassaolon ennen ensimmäistäkään luulöytöä tai edes aavistusta lajin olemassaolosta. DNA voi paitsi osoittaa lajien kohdanneen, myös kertoa miten, missä ja milloin näin tapahtui. Kantamamme neandertal-sekvenssit esimerkiksi kertovat, että monia erillisiä risteytymisiä on tapahtunut joka puolella Euraasiaa pian sen jälkeen, kun nykyihminen seuduille on levinnyt. Siirtyneet DNA-jaksot kielivät myös lähtölajeista: monet ihmisen perimässä olevista denisovasekvensseistä eivät ole erityisen samankaltaisia sen yhden Altaivuorilla eläneen denisovayksilön genomin kanssa. Tämä tietysti kertoo siitä, että risteytyminen on tapahtunut toisaalla ja denisovia on ollut useampi, toisistaan pidempään erillään ollut populaatio. Parista luulöydöstä tämä ei ole selvinnyt.
Lajien välillä hyppelehtineiden geenivarianttien tutkimuksella on myös pragmaattinen ulottuvuus: se auttaa etsittäessä neuloja perimän heinäsuovasta. Perimässä säilynyt, toiselta lajilta siirtynyt jakso sisältää, kiitos luonnonvalinnan, hyvin suurella todennäköisyydellä hyödyllisiä ominaisuuksia koodaavia geenejä. Näitähän ihminen on jo vuosituhansia hakenut yrityksen ja erehdyksen kautta jalostaessaan kotieläimiä ja kasveja.
Ja ihmisen kohdalla, palataksemme Schaeferin ja kumppaneiden tutkimukseen, on tietysti myös äärettömän mielenkiintoista tutkia sitä osaa, joka on vain meidän. Tutkimuksen meille ehkä suurin merkitys on siinä, että se rajaa genomistamme pienehkön joukon geenejä, jonka tuella lajimme ponnisti evoluutiossa omille teilleen. Ei ehkä liene yllätys, että tuosta 1,5 %:n fraktiosta löytyy pääosin geenejä, jotka säätelevät aivojen kehitystä ja toimintaa joko vaikuttamalla suoraan esim. hermosolujen yhteyksien muodostukseen (”axon pathfinding”) tai säätelemällä aivoissa aktiivisten geenien toimintaa. Ihmiselle tyypilliset mutaatiot näihin neurogeeneihin ovat syntyneet pääosin kahden sprinttijakson aikana: noin 600 000 vuotta sitten (jolloin teimme pesäeroa neandertaleihin ja denisoviin) ja n. 200 000 vuotta sitten.
…ja maailmankuvaan
Schaeferin, Shapiron ja Greenin tulokset niin risteytymisistä kuin jaetun ja ikioman DNA-muuntelun osuuksista auttavat ymmärtämään paremmin keitä olemme ja miten olemme tänne päätyneet. Ajatus ihmisen risteytymisestä sotii varmasti joidenkin maailmankuvaa vastaan, mutta risteytymisten yleisyyden paljastuminen on ravistellut myös tieteentekijöiden näkemyksiä lajien kehittymisestä. Monen lajin evoluutio on aiemmin nähty melko lineaarisena muutaman lajin ja muutaman miljoonan vuoden ketjumaisena prosessina. Ihmisen kohdalla uudet luulöydöt ovat tuoneet sukupuuhumme lisää haaroja ja monimutkaistaneet kuvaa menneisyydestämme. Ja nyt genetiikka sekoittaa pakkaa lisää osoittaessaan, että geenimme ovat pomppineet haaroista toisiin ja että on haaroja, joista meillä ei ole ollut hajuakaan.
Schaeferin ja kumppaneiden sinänsä hyvin tekninen genomitutkimus kertoo aivan uudella tavalla tarinaa siitä, kuinka verkottunutta koko nykyisen eliökunnan kehitys on ollut. Se, että ravinnonsaanti ja elinolot riippuvat muista lajeista on toki selvää (seuraavalla lounaalla voikin miettiä kuinka montaa lajia lautaselta löytyy). Mutta verkottuneisuus yltää myös menneisyyteen ja molekyylitasolle – harvat lajit olisivat löytäneet paikkaansa ilman muilta lainattuja geenejä. Tätä voisi ehkä visualisoida ajatuksella valtavasta korttitalosta, jonka ylin kerros kuvaa nykyaikaa. Koko rakennelma perustuu korttien, siis lajien, nojailuun toisiinsa kaikissa kerroksissa. Olemme paljosta velkaa muille lajeille – mutta niin ovat kaikki muutkin eliölajit. Esivanhempien luut kalisevat kaikkialla eliökunnassa.
Ennen kaikkea tämän geenien pomppimisen ristiin rastiin eliökunnan sukupuussa pitäisi muistuttaa meitä siitä, että olemme samaa tavaraa kuin lähisukulaisemme ja oikeastaan koko eliökunta. Käynnissä oleva lajien häviäminen, kuudes sukupuuttoaalto, on siis liki kirjaimellisesti oman oksan sahaamista.
Geneetikosta kosmologia tuntuu yhden sortin maagiselta realismilta, joten annetaan lopuksi kosmologi Kari Enqvistin summata Schaefer ym. -jutun herättämät tunnelmat:
”Mutta tieteellisen maailmankuvan silmälasien lävitse suodattuu myös armeliaisuus, sillä ne näkevät kaikki elolliset olennot pohjimmiltaan samanlaisina fysikaalisina systeemeinä. … Herra on tehty samoista atomeista kun narri, köyhä samaa puuta kuin rikas, eikä matka ihmisen ja kärpäsen välillä ole sekään pitkä. … Se opettaa meitä kunnioittamaan ja vaalimaan elämää sen kaikissa muodoissa, sillä vain elämä on kynttilä, joka kykenee valaisemaan kosmoksen pimeyttä.”
(Kari Enqvist, Uskomaton matka uskovien maailmaan, WSOY 2014)
Jukka Palo
oikeusgenetiikan dosentti, HY/THL