Supermallit

29.1.2016
Barentsinmeren, Pulmankijärven ja Karilammen kolmipiikit uivat kilpaa. Mistä voittaja? Ja miksi sitä tutkitaan?

Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehden numerossa Y/01/16.

Jos virveliin tarttuu kolmipiikki, Gasterosteus aculeatus, kalastajalta pääsee harmistunut ähkäisy. Rujosta ja piikikkäästä pikkukalasta puristettiin muinoin öljyä ja loppu käytettiin kananrehuksi, mutta tätä nykyä kala innostaa lähinnä biotieteiden tutkijoita.

— Ei minuakaan kolmipiikin elämän yksityiskohdat sinällään kiinnosta. Sen avulla pääsemme kuitenkin sujuvasti käsiksi geneettisen vaihtelun mekanismeihin, evoluutiobiologian tutkija Tuomas Leinonen Viikin kampukselta selittää. Geneettisen vaihtelukykynsä, helppohoitoisuutensa ja selvästi havaittavien kylkipanssariensa ansiosta kolmipiikistä on tullut evoluutiobiologian supermalli.

— Sen biologia tunnetaan erittäin hyvin ja sen perimää osataan tutkia vastaavalla tarkkuudella kuin banaanikärpäsen ja laboratoriohiiren perimää.

Avomeren kolmipiikeillä on massiiviset kylkikilvet kiduksista liki pyrstöön saakka, mutta järvien kolmipiikkipopulaatiot ovat menettäneet kylkikilpensä muutamaa ylintä lukuun ottamatta. Suositun teorian mukaan suojapaikkojen määrä vaikuttaa kolmipiikkien panssarointiin. Avomerellä kolmipiikit eivät pääse pedoilta suojaan, joten ne kehittävät panssarit. Järvissä suojapaikkoja riittää, joten kulkua hidastavista panssareista on vain harmia ja ne valikoituvat pois. Muutama vuosi sitten Leinonen kollegoineen osoitti ensimmäistä kertaa kokeellisesti, että teoria pitää paikkansa.

HAUEN KITAAN / Viikin Biokeskus 3:n akvaariohuoneissa on viileää ja lievästi leväntuoksuisaa. Siinä niitä supermalleja, hieman tylsännäköisiä kaloja, uiskentelee satamäärin vesikiertoallassysteemissä. Koehuoneessa näyttää siltä kuin jääkaapin vihanneslokeroita olisi pinottu symmetriseksi rykelmäksi.

Kalat eivät ehkä ole erityisen näyttäviä, mutta kalakokeet ovat kerrassaan hurjia. Tutkimusryhmä sommitteli kolmipiikeille parin kuutiometrin kokoisia akvaarioita. Toisten pohjassa oli paljon suojapaikkoja, toisten pohjassa ei lainkaan. Kokeessa akvaarioihin päästettiin nälkäisiä haukia syömään kolmipiikkejä, kunnes noin puolet oli syöty. Sitten katsottiin, mitkä yksilöt jäivät henkiin. Tulos oli odotettu.

Suojapaikattomassa akvaariossa kylkikilvelliset kolmipiikit säilyivät paremmin hengissä. Hauki ei saa kilvellisestä kalasta kunnon otetta eivätkä sen hampaat eivät pääse lihaksiin saakka, joten kolmipiikki voi vielä luikahtaa karkuun pedon suusta. Suojapaikallisessa akvaariossa kilvettömät pärjäsivät paremmin. Kilpi on kuin ritarin haarniska: painaa paljon ja rajoittaa lihastoimintaa. Kilvettömät uivat nopeasti pohjan, suojiin mutta kilvelliset jäivät haukien suuhun.

HARVINAINEN C / Kolmipiikin kylkilevyt ovat mainio oppikirjaesimerkki geneettisestä vaihtelusta. Ektodysplasiini- eli Eda-kasvutekijää säätelevässä geenissä dominoiva alleeli C (geeniparissa siis muodossa CC, Cc tai cC) tuottaa kylkilevyjä koko kalan pituudelta, jolloin kala on hyvin panssaroitu mutta hidasliikkeinen.

Resessiivinen alleeli c (alleeliparissa cc) tuottaa vain muutaman kylkilevyn etuvartaloon, jolloin kala on pitkälti panssaroimaton, mutta vikkeläliikkeinen. Se pystyy taivuttamaan pyrstönsä ruoskamaisesti mutkalle, ja laukaisemaan siitä itsensä nopeaan sprinttiin.

Meripopulaatioissa kuudessa prosentissa Eda-geeneistä on vähintään yksi resessiivinen c-alleeli, mutta kun merikalat kolonisoivat makeita vesiä — esimerkiksi kun jääkauden jälkeisen maannouseman vuoksi muodostuu lampisysteemi, jolla ei ole enää yhteyttä mereen — noin kymmenessä vuodessa kaikki kalat ovat panssaroimattomia ja vikkeläliikkeisiä eli genotyypiltään cc. No, jotta asiat eivät olisi helppoja, tutkijat ovat löytäneet Pohjois-Lapin piskuisesta Karilammesta kolmipiikkejä, joilla on tallella kaikki kylkilevyt — mutta ne ovat hyvin pieniä. Kun kalojen genotyyppia tutkittiin, kävi ilmi, ettei niillä esiinny c:tä lainkaan. Luultavasti maan noustessa pikkulampeen oli sattumalta jäänyt loukkoon populaatio, jossa c puuttuu tai on harvinainen.

— Kun kylkilevyjen määrään ei voi vaikuttaa, pitää vaikuttaa niiden kokoon. Se vaatii luultavasti muutoksia monissa geeneissä, samoin kuin ihmisen pituus muodostuu lukuisten geenien monimutkaisesta yhteispelistä, Leinonen tuumii.

JA VOITTAJA ON… / Väitöskirjantekijä Sergei Morozov on selvittänyt asiaa eteenpäin uintikokeilla. Spurttinopeutta varten kala säikäytettiin tökkäisemällä ja sitten katsottiin videolta, kuinka nopeasti se lähti. Tulokset eivät yllättäneet. Pulmangin notkeaperäiset kolmipiikit ponkaisivat selvällä marginaalilla ykköseksi. Karilammen kevytkilpiset kalat tulivat toiseksi, mutta vain marginaalisella erolla raskaspanssarisiin Barentsinmeren kolmipiikkeihin.

Uintikestävyyttä varten kalat uivat kymmenen minuutin ajan muoviputkessa, jonka läpi virtaa vettä. Virtausnopeutta säädetään aste asteelta kovemmaksi niin että kymmenen minuutin kohdalla kala läkähtyy. Samalla vedestä mitataan, kuinka paljon kala uidessaan kuluttaa happea. Tutkijat olettivat Barentsinmeren kalojen vievän kestävyysuinnissa pisimmän korren — ne kun nousevat lampiin kutemaan ja ovat tottuneita pitkiin matkoihin. Nyt tuli yllätys: Karilammen kevytkilpiset kalat olivatkin parhaita kestävyysuimareita. Tulos on sikäli outo, että mitättömässä lammessa ei riitä kestävyysuimista edes kolmipiikille. Toiseksi kestävyydessä tulivat Barentsin ja kolmanneksi Pulmangin kolmipiikit.

— Karilammen kolmipiikkien voiton taustalla on luultavasti se, että eristäytyneessä lammessaan ne eivät kohtaa petokaloja. Tällöin keskeiseksi evolutiiviseksi valintatekijäksi nousee lajinsisäinen ruokakilpailu. Kestävämmät yksilöt pystyvät uimaan suuhunsa enemmän ruokaa, Morozov sanoo. Meressä valtaosa kolmipiikeistä joutuu petokalojen suihin.

— Merikaloille kilvet ovat elintärkeitä, vaikka ne hidastavatkin ruoanhakua ja jokiin nousua.

LÄHES LUONNOSTA / Niin, se yleistettävyys. Meren ja makeanveden kolmipiikkien eroja on tutkittu viljalti — ja aina on havaittu, että tietyt genomin alueet ovat meri- ja järvikolmipiikeillä erilaisia.

— Tällaisia eroja tarkastelemalla voimme päästä käsiksi siihen logiikkaan, jolla geenit koodaavat meistä sellaisia kuin olemme, Leinonen sanoo.

— Selkärankaiset ovat geneettiseltä perustaltaan varsin samanlaisia. Esimekiksi PITX1-geeni vaikuttaa hiirillä, ihmisillä ja kolmipiikeillä lantion ja alaraajojen luiden kehittymiseen.

Kolmipiikeillä paljon tutkittu Eda puolestaan säätelee ihmisillä alkion ulkopinnasta syntyvien elinten — kuten hampaiden, karvojen, kynsien, piikkien ja useiden rauhasten — kehitystä. Leinosella on suunnitelmissaan monenlaisia jatkokokeita. Hän aikoo mallintaa evoluutiota kokeellisesti sora-altaissa kolmipiikeillä, jonka genomin hän samalla selvittää. Tarkoitus on myös jossain vaiheessa yhtä aikaa tarkkailla kolmipiikin ja äyriäispuolen supermallin vesikirpun evoluutiodynamiikaa.

— Hiiriin ja rottiin verrattuna kolmipiikit ovat luonnonläheinen kanta. Niitä on kasvatettu laboratoriossa vain pakolliset pari sukupolvea, jotta yksilöt eivät ilmentäisi ympäristöään vaan geenejään. Kolmipiikit on helppo päästää takaisin luontoon ja tarkkailla niiden pärjäämistä.

PIENI VAI SUURI? / Tuomas Leinonen on jo laskenut lähellä Lammin biologisen aseman lähettyvillä Evon sora-altaisiin tasamäärin Barentsinmeren, Karilammen ja Pulmangin kolmipiikinpoikasia. Lopuksi on tarkoitus katsoa, miten prosenttiosuus on muuttunut alun tasajaosta. Lammessa poikaset joutuvat parisenttisiksi asti väistelemään sudenkorennontoukkia ja petokaloja, tämän jälkeen vain petokaloja. Asetelma luo kiintoisaan haasteen kolmipiikin kehitykselle.

— Suuret selkä- ja vatsapiikit suojaavat petokaloilta, niiden ansiosta kolmipiikki ei mahdu petojen suusta sisään. Poikasena tilanne on päinvastoin, ja sudenkorennontoukat saavat pitkistä piikeistä helposti otteen, Leinonen sanoo.

— Menestyvän yksilön pitäisi siis ensin pitää piikkinsä pieninä mutta tietyn pisteen jälkeen spurttimaisesti kasvattaa ne suuriksi. Jos tällaisia yksilöitä löytyy, on kiinnostava selvittää, miten tämä on geneettisesti saatu aikaan.

Lue lisää aiheesta: Kestävä kehitys