Fossiler avdekker evolusjonens hemmeligheter

Mens forskere tidligere stort sett beskrev enkeltfossiler, er Øyvind Hammer og hans kolleger opptatt av å samle mye materiale for å se hva fossilene forteller i en utviklings- og evolusjonsbiologisk sammenheng. Selv om Darwins evolusjonslære forklarer mye, kan den si lite om hvordan livløse atomer organiseres i det velfungerende og vakre systemet som en levende enkeltorganisme er. Moderne cellebiologi fokuserer mye på lokale enkeltfenomener, mens utviklingsbiologien er opptatt av de overordnede prinsipper for samvirke i hele systemet. Ifølge paleontolog Hammer utgjør den evolusjonære utviklingsbiologien et ambisiøst forskningsprogram som er i ferd med å avdekke grunnleggende kunnskap om livets natur.

Endring i mønstre

– Utvikling er helt sentralt i biologi. Vi må forstå dannelsen av organisk form hos en enkeltorganisme, det vil si utviklingen fra befruktet egg til voksent individ, for å forstå evolusjon. Det er viktige vekselvirkninger mellom evolusjon og utviklingsbiologi. Vi kan ikke forstå det ene uten det andre, sier Hammer.

Han understreker at fossilene først og fremst forteller noe om endringer i vekstmønstre. Vekst og form hos fossile organismer er gjenstand for evolusjon.

– Funn forteller oss blant annet at furutreet har vært nesten uforandret i 100 millioner år. Noen skjell har forandret seg lite på 500 millioner år. Mennesket har alltid hatt fem fingre. Pattedyr, amfibier og krypdyr har også fem ”fingre”. På den annen side har vi mange gode fossiler som viser utviklingen fra fisk til amfibier. I denne fasen i evolusjonen, for rundt 370 millioner år siden, ser vi store svingninger. Vi vet ikke hvorfor noen organismer gjennomgår hurtig evolusjon mens andre ikke gjør det, sier forskeren, som tok doktorgraden på såkalt mønsterdannelse hos fossile organismer.

Tverrfaglig

Øyvind Hammer arbeider tverrfaglig. Som de fleste innen feltet teoretisk biologi har han bakgrunn i matematikk og fysikk. Han har hovedfag i matematisk modellering og har i tillegg fusket i fag som fysikk, astronomi og geologi.

LIVETS MYSTERIUM: – Hvordan dannes en hånd med fem fingre? Dette er et av spørsmålene Øyvind Hammer søker svar på.  Foto: Ståle Skogstad (©)

– Jeg har jobbet mye med teoretiske modeller, blant annet for å komme fram til noen grunnleggende prinsipper for hvordan form vokser fram. Gjennom hypotetiske og idealiserte modeller prøver jeg å forstå utviklingsbiologi. Vårt fag har ikke alltid veldefinerte mekanismer som for eksempel gravitasjonen i fysikk. Gjennom matematiske modeller kan vi lage teorier om blant annet avstandsmønstre hos organismer. Dessuten åpner de hypotetiske modellene hele tiden for nye ideer, forklarer han.

Med avstandsmønstre mener Hammer mønstre der et stort antall like elementer er organisert slik at de kommer med noenlunde jevn avstand til hverandre, men uten at disse posisjonene er forutbestemte. Overalt i naturen skjer denne og andre former for mønsterdannende prosesser. Forgreining på en plante, for eksempel, skjer i et mønster hvor et viktig prinsipp er at de nye greinene vokser med en viss avstand til hverandre og til tidligere skudd. Hårsekker har på sin side en ”lukt” som gjør at ett hår holder en viss avstand til sine nabohår. Og brølapene i Costa Ricas jungel bruker lyder for å holde nødvendig avstand.

– Vi har å gjøre med en negativ feedback. En regulering som sier stopp, ikke kom nærmere, ikke voks tettere eller ikke voks mer. Fortsatt er det mye vi ikke vet. Hvordan dannes en hånd hos det enkelte menneske, og hvordan styres denne prosessen slik at vi ender opp med ti fingre? Utviklingsbiologer er grunnleggende opptatt av hvordan organiske mønstre og strukturer dannes, forklarer han.

Fossiler og miljø

På Paleontologisk museum er han nå i gang med et postdoc-prosjekt som sammenlikner fossilfunn og miljøendringer. I ordovicium , for 490-445 millioner år siden, fantes det et mikrokontinent som het Baltica. Norge var en del av dette kontinentet som lå som en øy ute i havet. Kontinentet har vist seg å være en interessant biogeografisk region.

– Miljø og evolusjon henger sammen. Vi vet at det skjedde en stor masseutryddelse på slutten av ordovicium, en av de tre-fire store masseutryddelsene i jordas historie. Kanskje dette henger sammen med en omfattende istid, spør 33-åringen.

– Hva undrer deg mest i forskningen din?

– At en tørr DNA-sekvens kan bli til et menneske, er for meg fortsatt et stort mysterium. Jeg slutter heller ikke å undre meg over at en bakterie kan bli til et menneske gjennom milliarder av år.

For Øyvind Hammer er det ikke noe religiøst over undringen. For 400 millioner år siden var våre ”forfedre” fisker i vann. Så skjedde en rekke mutasjoner som ga fisken ben, og evolusjonen gjorde et hopp. De aller fleste mutasjoner er skadelige, men like fullt er det nye kombinasjoner av gener fra to foreldre pluss mutasjoner som driver evolusjonen framover.

– De aller fleste mutasjoner ender i abort. Det er den sterkeste seleksjonsprosessen vi kjenner, kommenterer han.

Øyvind Hammer savner et bedre samarbeid mellom teoretiske og eksperimentelle biologer. Han kunne godt tenke seg en kollega som prøvde ut hans modeller på labben. I dag vet det ene miljøet lite om hva det andre driver med, og vice versa. Ny teknologi gjør at biologisk forskning raskere vil gjøre framskritt, men fortsatt er Øyvind Hammer mest opptatt av alt vi ikke vet.

Hammer mener Norge bør satse mer på utviklingsbiologisk forskning. Nå som det menneskelige DNA er kartlagt, er han opptatt av å intensivere jakten på generelle prinsipper for hvordan det hele fungerer og henger sammen.

– Moderne medisinsk forskning har som et av sine mest ambisiøse mål å dyrke fram nye menneskelige organer enten i eller utenfor kroppen. Det kan ikke forskerne få til uten en virkelig storsatsing på utviklingsbiologien, tror Øyvind Hammer.

– Det kan gå 50-100 år før vi skjønner hvordan en tann vokser fram. At vi nå har klart å kartlegge DNA, vil gjøre det lettere, men grunnleggende spørsmål gjenstår: Hvilke gener er skrudd på hvor, til hvilket tidspunkt, og hvorfor. Vi vet mye om molekylærbiologi, men lite om samspillet på høyere nivåer, sier Øyvind Hammer.