Ny hypotese om hvordan dyrelivet pludselig opstod på Jorden
Kan kræftsvulster lære os om dyrenes udvikling på Jorden? Ja, mener forskere, der nu præsenterer en ny teori for, hvorfor det pludseligt myldrede frem med nye og avancerede dyrearter på Jorden for ca. en halv milliard år siden. En biologisk innovation kan have været nøglen.
I ca. fire mia. år var mikrober den dominerende livsform på Jorden. Men så skete der pludselig en kraftig udvikling og udbredelse af flercellede livsformer i form af dyr. Årsagen til dette er en videnskabelig gåde, og det er et emne, der til stadighed udløser hede debatter. For hvorfor skete det så sent og så dramatisk?
.jpg?la=da&hash=3178B9BCE36D472B61413637EB47A06D)
Fossiler af trilobitter, som var nogle af de første dyr på Jorden. Foto: Colourbox.
Den pludselige diversificering blandt dyr skete over en geologisk set kort periode, kendt som den kambriske eksplosion.
Mange geologer har antaget, at den kambriske eksplosion blev udløst, fordi atmosfærens indhold af ilt steg.
Historisk fokus på høje iltkoncentrationer
Faktisk var det måske lige modsat: I de senere år er teorien om en sammenhæng mellem den kambriske eksplosion og øget iltindhold i atmosfæren nemlig blevet svækket. For eksempel ved vi i dag, at der skete dramatiske ændringer i atmosfærens iltindhold både før og efter den kambriske eksplosion - men ikke, da den pludselige diversificering blandt dyr startede.
Sådan så Jordens kontinenter og hav ud i den kambriske periode. Illustration: Christopher Scotese.
Vi kender også til dyr i dag, der kan leve med overraskende lave ilt-niveauer, hvilket var en betingelse, som de kunne have fået opfyldt længe før den kambriske eksplosion.
- Der foregår stadig en jagt på det endelige geokemiske bevis for, at atmosfærens iltindhold steg samtidig med, at flercellede dyr udviklede sig. Men nu har vi diskuteret det i årtier, og måske er det nu umagen værd at overveje eksplosionen af dyr fra en anden vinkel, siger geobiolog Emma Hammarlund, ph.d. og forsker ved afdelingen for translationel cancerforskning ved Lunds Universitet og gæsteforsker ved Nordisk Center for Jordens Udvikling, SDU.
Kræftsvulster vokser gerne ved lavt iltindhold
Hvirveldyr-væv med iltholdigt blod, der grænser op til celler med stamcelle-egenskaber. Foto Sofie Mohlin.
For bedre at forstå betingelserne for, at flercellet liv kan eksistere, kontaktede Emma Hammarlund en tumor-biolog; professor Sven Påhlman fra det medicinske fakultet ved Lunds Universitet.& Han har i næsten to årtier studeret betydningen af lave iltkoncentrationer eller såkaldt hypoxi i kræftsvulsters omgivelser.
- Jeg ville lære noget om det, som svulstforskere observerer hver eneste dag: hvordan væv vokser, og hvordan det forholder sig til ilt. Svulster er jo – desværre – en succesfuld form for flercellethed, forklarer Emma Hammarlund.
Teamet, der også inkluderede tumorbiolog Kristoffer von Stedingk fra Lunds Universitets Institut for Pædiatri, tog fat på det store spørgsmål om, hvorfor dyr udviklede sig så sent og dramatisk ved at inddrage ny viden fra tumorbiologiområdet.
Resultatet er offentliggjort i tidsskriftet Nature Ecology and Evolution.
Liv og klippe på samme billede. Foto: Emma Hammarlund.
Stamceller er følsomme over for ilt
Helt specifikt testede de, om de samme molekylære værktøjer, der bruges af mange tumorer for at bevare stamcellens egenskaber, også kunne være relevante for dyrenes succes under den kambriske eksplosion.
Celler med stamcelleegenskaber er afgørende for, at flercellede livsformer kan regenerere væv. For eksempel sørger deling af stamceller for, at celler i tyndtarmen bliver udskiftet med 2-4 dages mellemrum.
- Hypoxi opfattes generelt som en trussel, men vi glemmer, at iltmangel på bestemte tidspunkter og under bestemte omstændigheder også er en forudsætning for, at flercellet liv kan eksistere. Det er vores stamceller, der danner nyt væv, og de er yderst følsomme over for ilt. Stamceller har derfor forskellige måder, hvorpå de kan håndtere at blive udsat for både ilt og iltmangel, hvilket man ser tydeligt i svulster, forklarer Sven Påhlman.
Svulstceller i iltrigt miljø
Emma Hammarlund er specialist i geobiologi. Foto: Michael Yde Katballe.
Ved at studere svulstcellernes evne til at efterligne stamcellernes egenskaber har Sven Påhlmans team observeret, hvordan svulstceller kan udnytte specifikke mekanismer og dermed undgå ilts negative indvirken. Som følge heraf er svulstcellerne i stand til at bevare stamcelle-egenskaberne på trods af, at de er omgivet af de høje iltkoncentrationer, som er til stede i kroppen.
Den samme evne er ifølge forfatterne en af årsagerne til, at de første dyr på Jorden kunne trives.
- Evnen til at konstruere stamcelleegenskaber på trods af høje iltniveauer, såkaldt 'pseudohypoxi', er observeret i svulsters væv. Men vi mener, at den også må findes i vores normale hvirveldyrvæv. Vi vender simpelthen perspektivet på de oxiske omgivelser. Mens lave iltkoncentrationer generelt er uproblematisk for dyreceller, så udgør de oxiske omgivelser en grundlæggende udfordring for stamceller. Og derfor også for avanceret flercellethed. Uden ekstra værktøjer får de oxiske omgivelser vævsspecifikke stamceller til at modne for tidligt, siger Sven Påhlman.
En biologisk revolution
Den nye hypotese fastslår, at den dramatiske diversificering af dyr må skyldes en revolution i dyrenes egen biologi - snarere end i den omgivende kemi på Jorden.
Det er en hypotese, der passer ind i en række andre geobiologiske observationer, som tyder på, at Jorden har haft miljøer med "nok" ilt længe før den kambriske eksplosion.
Hypotesen har også konsekvenser for, hvordan dyr kan have varierende evne til at leve i iltrige omgivelser, og måske endda for hvordan vi ser kræft som en evolutionær konsekvens af vores evne til at leve i iltrige niche-miljøer.
Bringer geobiologi og kræftforskning sammen
Takket være et usædvanligt samarbejde mellem geobiologi og tumorbiologi kan forskere nu fremsætte nye hypotese om dyrenes udbredelse på Jorden. Illustration: Emma Hammarlund.
At anskue kræftsvulster ud fra en evolutionsbiologisk vinkel er usædvanlig for kræftforskere, selvom udviklingen af tumorer generelt ses som en evolutionær proces.
Tilsvarende anvender geobiologisk forskning sjældent det cellulære perspektiv. Men efter at have kombineret deres ekspertise er både Emma Hammarlund og Sven Påhlman overrasket over, at vi ikke tidligere har tænkt på vores paradoksale evne til at forny væv i iltrige omgivelser.
- Der er sikkert mange mennesker, der intuitivt vil være uenige i at lav-iltede forhold er normale. Men når du vender perspektivet på den oxiske niche og begynder at betragte det som udfordrende for stamcelleegenskaber og vævsfornyelse, så passer de uhyggelige observationer fra fjerne felter lige pludselig sammen. Og du kan ikke vende tilbage, konkluderer Sven Påhlman.
Om den kambriske eksplosion
Den kambriske eksplosion var en skelsættende begivenhed i Jordens historie, hvor de første dyreater begyndte at udvikle sig. Det er fra denne tid, vi har de første dyrefossiler og æraen for synligt liv på Jorden (Phanerozoic) begyndte.
Den kampriske periode begyndte for 543 millioner år side, og strakte sig over en længere periode. Under den kambriske eksplosion udviklede de fleste dyregrupper (phyla) sig, og arternes mangfoldighed steg dramatisk over et par millioner år - hvilket geologisk set er en meget kort periode.
Mød forskeren
Emma Hammarlund er geobiolog på Biologisk Institut.
Liv på Jorden
Nordisk Center for Jordens Udvikling beskæftiger sig med en bred palette af emner, der relaterer sig til samspillet mellem organismer og miljøet. Vi har særlig fokus på, hvordan organismer påvirker havenes biogeokemiske kredsløb.