Miksi aavikkohiiri on vaalea?

Aavikolla kipittää vaaleanruskea taskuhiiri kuunvalon valkoiseksi värjäämällä hiekalla. Kun preeriapöllön siipien tumma varjo peittää kuun, hiiri jähmettyy paikoilleen ja toivoo, että hiekanvaalea turkki riittää suojaamaan sitä pedon silmiltä. Pöllö jatkaa matkaa, ja hiiri palaa ruokailupuuhiinsa. Vähän myöhemmin preeriapöllön siivet vievät sen pois hiekkamailta tumman laavakiven peittämälle rinteelle, jolta taskuhiirten pitäisi erottua selvästi. Sen tarkat silmät pyyhkäisevät yli maanpinnan, mutta mitään elollista ei näy. Pettynyt lintu jatkaa yöllistä kierrostaan, ja tumman kallionkoloon painautunut tummanharmaa hiiri huokaisisi helpotuksesta, jos osaisi (kuva: R. B. Forbes, American Society of Mammalogists, täältä).

Eläinten värejä tutkiva tiede ja etenkin sen popularisointi ovat täynnä tällaisia adaptiivisia tarinoita siitä, kuinka kunkin eläimen väritys on sen selviytymiselle edullinen. Niiden todenperäisyyden varmistaminen onkin jo paljon vaikeampaa kuin uskottavien tarinoiden keksiminen. Se vaatii usein vuosien puurtamisen, ja onpa yhden ainoan eläinlajin värityksen etujen tutkimiseen käytetty kokonaisia tutkijanuria.

Likimain kaikkien eläinten väritys todennäköisesti on tavalla tai toisella adaptiivinen – siis luonnonvalinnan suosima – mutta millä tavalla ja kuinka voimakkaasti onkin sitten aivan eri asia. Suojavärin lisäksi väritys voi toimia esimerkiksi mimeettisenä eli toista lajia matkivana värinä (vaikkapa kukkakärpästen ampiaisraidat), aposemaattisena eli vaarallisuudesta varoittavana merkkinä (haisunäädän tai ampiaisen raidat) tai vastakkaisen sukupuolen houkuttimena (riikinkukon tai vaikka ukkometson värit). Lisäksi on vielä joukko odottamattomampia syitä, kuten jääkarhun lämpötalous tai flamingon pinkki väri, joka ei itse asiassa ole lainkaan väri: tosiasiassa flamingot ovat valkoisia, mutta niiden syömien pieneliöiden sisältämä valtava karotenoidipitoisuus värjää ne pinkeiksi. Laiskiaiset taas ovat vihertäviä, koska niiden paikoillaan pysyttelevä elämäntapa mahdollistaa levän kasvamisen karvojen pinnalla.

Värityksen tiedetään olevan hyvin nopeasti kehittyvä ominaisuus, jossa on muuntelua lajin kuin lajin sisällä. Kun muuntelu on vielä helppo nähdä päälle päin, ei ole ihme että värityksestä on tullut evoluutiotutkimuksen ja genetiikan suosituimpia kohteita. Hiirten ja rottien turkin värin periytyvyyttä tutkittiin jo ennen kuin dna:sta – saatikka värityksen synnyn anatomiasta ja biokemiasta – tiedettiin mitään. Värityksen yksilölle antamien hyötyjen tutkimus on suunnilleen yhtä vanhaa. Vasta viime aikoina geneettisten menetelmien kehitys on kuitenkin antanut mahdollisuuden paljon syvällisempään tutkimukseen. Meneillään on projekteja esimerkiksi sen testaamiseksi, onko evoluutio loppujen lopuksi tasaisen asteittaista vai jaksottain kiihtyvää, ja muuntelun takana olevan genetiikan jäljittämistä luonnossa.

Mallilajeiksi tällä kukoistavalla alalla ovat valikoituneet Pohjois-Amerikan pikkujyrsijät, erityisesti kesantopeurahiiri (Peromyscus polionotus) ja arizonantaskuhiiri (Chaetodipus intermedius). Molempien jyrsijöiden väritys vaihtelee näyttävästi elinalueen eri osissa. Hyötyä on ollut myös siitä, että jyrsijöinä niiden genomi on pitkälti samanlainen kuin laboratoriohiirten ja -rottien, joten värityksen takana olevien geenien jäljittäminen on verraten helppoa.

Kesantopeurahiiri – tai nimistöehdotuksen mukaan peurahiiru – kuuluu peurahiirien laajaan sukuun, joka Pohjois-Amerikassa vastaa meikäläisiä hiiriä ja myyriä. Ne ovat saaneet nimensä ulkonäkönsä tietyistä peuramaisista piirteistä: niillä on pitkät raajat, joiden avulla ne hyppivät ja juoksevat taitavammin kuin meikäläiset hiiret, ja hyvin suuret silmät. Niiden siron ulkonäön valossa onkin vähän yllättävää, että ne tuoreimman tiedon perusteella ovat läheistä sukua kömpelöille hamstereille ja myyrille.

Kesantopeurahiirestä tunnetaan huimat 16 alalajia levinneenä laajalti USA:n kaakkoisosiin. Niistä osa elää sisämaassa pelloilla ja niityillä, mutta evoluutiobiologien mielenkiinnon herättivät rannikon hiekkarannoille ja saarille levittäytyneet populaatiot, jotka ovat aivan eri värisiä kuin tummanruskeat peltoserkkunsa. Näiden rantahiirien väri vaihtelee vain hieman vaaleammasta ruskean sävystä lähes valkoiseen (kuvan peurahiiret a) sisämaasta ja b) Santa Rosa -saarelta, Hoekstra ym. 2006 / Science). Harvardin yliopiston Hopi Hoekstran johtama tutkimusryhmä on todennut, että pienetkin värin poikkeamat alla olevasta maasta lisäävät peurahiirten riskiä joutua saaliiksi. Koe tehtiin vahamalleilla, jotka maalattiin muistuttamaan mahdollisimman tarkkaan eri alueiden hiiriä. Pöllöt, ja hieman yllättäen myös yleensä hajuaistiinsa luottavat nisäkkäät, menivät lankaan ja kävivät vahamallien kimppuun siinä missä oikeidenkin jyrsijöiden. Aivan vääränväriset hiiret olivat luonnollisesti ensimmäisinä tulilinjalla, mutta myös vain aavistuksen verran alustastaan poikkeavat otukset jäivät todennäköisemmin saaliiksi kuin täysin alustan väriset.

Kuulostaako itsestäänselvyydeltä? Niinhän se tekee, mutta tällaisen adaptiivisen tarinan todistaminen luonnossa ei ole aivan pieni saavutus.

Arizonantaskuhiiren tarina on samansuuntainen, mutta taskuhiiri elää USA:n lounaisosien aavikoilla ja on sukua Amerikan mannerten kahdella jalalla hyppiville kengururotille ja kenguruhiirille. Lounais-USA:n aavikkomaisema jakautuu vaaleisiin, paikoin lähes vitivalkoisiin hiekka- ja kivikkoalueisiin ja tummaan basalttiseen laavakiveen (kuva: J. N. Stuart, täältä). Täälläkin jo maailmanlaajuisen maineen saavuttanut The Hoekstra Lab on kuljeskellut loukkuineen ja koeputkineen. Kummallakin alustalla elävät hiiret sulautuvat täydellisesti taustaansa, ja väritys suojaa niitä samaan tapaan pöllöiltä ja muilta saalistajilta.

Taskuhiirten kohdalla tutkimusryhmä alkoi jäljittää värivaihtelun taustalla olevia geenejä. Koska kotihiireltä tunnetaan jo laboratoriokokeiden perusteella arviolta 80 väritykseen vaikuttavaa geeniä, tutkimusta ei tarvinnut aloittaa aivan tyhjästä. Yksi ehdokas oli ”agouti”-geeni, joka hiiriharrastajien keskuudessa tunnetaan yksinkertaisesti A-lokuksena, mutta se osoittautui vesiperäksi. Sen sijaan taskuhiiren värityksen määrää MC1R-geeni, joka tunnetaan hiirien yhteydessä lempinimellä Sombre. Se on hiirijalostuksen parissa melko tuntematon, mutta vaikuttaa turkin tummuutta säätelevissä melanosyyttisoluissa. Mielenkiintoista kyllä, myös peurahiirien värivaihtelun takana havaittiin olevan sama geeni.

Kummassakin tapauksessa erivärisiä hiiripopulaatioita vertaitaessa huomattiin, että samanväriset hiiret eivät ole toisilleen läheistä sukua yhtään sen todennäköisemmin kuin erivärisetkään. Vaaleat peurahiiret ja tummat taskuhiiret eivät siis muodosta omaa haaraansa lajin sukupuussa, vaan alustaan sopiva väri on kehittynyt itsenäisesti lukuisia kertoja. Värin voisi siis sanoa olevan nopeasti kehittyvä ominaisuus, joka muokkautuu elintapojen mukaan. Toisaalta jotkin muut eliöiden ominaisuudet ehkä kehittyvät niin hitaasti, että elintavat muokkautuvat niiden mukaan. Hiiri ei hetkessä muutu vaihtolämpöiseksi, opi lentämään tai muuntaudu hevosen suolistoloiseksi, vaikka moisella olisi kuinka suuri valintaetu.

Sen sijaan musta hiiri voi kyllä muuttua valkoiseksi ja valkoinen mustaksi hyvinkin lyhyessä ajassa: Sean B. Carrollin laskelmien mukaan yksittäisen hiiriyksilön todennäköisyys saada mustan värin aiheuttava mutaatio MC1R-geeniin on noin yksi 25 miljoonasta. Samaisten laskelmien mukaan 10 000 vaalean hiiren populaatiossa siis syntyy musta hiiri kerran tuhannessa vuodessa. Ei ihme, että miljoonien ja taas miljoonien taskuhiirien ympäröimät laavakivet on asutettu tehokkaasti.

Muistoja vihreästä Saharasta -artikkelin tapaan tämäkin teksti liittyy graduaiheeseeni ja sen kirjoittamisen tarkoitus on auttaa hahmottamaan ja jäsentämään aiheeseen liittyvää tietoa. Populaarikirjoittaminen on niin paljon helpompaa ja luontevampaa kuin jäykän muodollisen tieteellisen tekstin tuottaminen, että tästä on helppo aloittaa.

Lähteitä ja lisätietoa:

Sean B. Carroll 2006: The Making of the Fittest (suom. Kelpoisimman valmistus). Kappale 2.

John C. Avise 2007: Evolutionary Pathways in Nature. Kappale 3.

Vignieri ym. 2010: The selective advantage of crypsis in mice. Evolution.

Mullen ym. 2009: Adaptive basis of geographical variation: genetic, phenotypic and environmental variation among beach mouse populations. Proceedings of Royal Society B.

Hoekstra ym. 2006: A single amino acid mutation contributes to adaptive beach mouse color pattern. Science.

Hopi Hoekstra 2006: Genetics, development and evolution of adaptive pigmentation in vertebrates. Heredity.

Harvardin yliopisto: The Hoekstra Lab

8 vastausta artikkeliin “Miksi aavikkohiiri on vaalea?”

  1. Siis jos ymmärsin oikein Sombre vaikuttaa värin intensiteettiin? Löytyyköhän tätä muilta eläimiltä? Ihan alkajaisiksi mieleen tulevat taistelukalat, koirat ja hevoset.

    1. Juu, MC1R-geeni (eli melanokortiini-1-reseptori) vaikuttaa siihen, kumpaa melaniinipigmentin tyyppiä solut tuottavat: kelta-punasävyistä feomelaniinia vai ruskeaa/mustaa eumelaniinia. Kaikilta selkärankaisilta löytyvät lähestulkoon samat geenit, ja myös MC1R on yhteinen koko porukalle. Sen mutaatio aiheuttaa muun muassa ihmisen punapäisyyden. Sama muutos on löydetty muinaisesta neandertalilaisten ja mammuttien dna:sta, mikä viittaa siihen, että molemmissa lajeissa oli punapäitä. Samalla geenillä eri alleeleina on näppinsä pelissä myös esimerkiksi kermanväristen koirien (esim. puli ja akita) ja ruunikkohevosten värityksessä.

      Vaihtolämpöisillä eläimillä – siis esimerkiksi kaloilla – MC1R toimii eri tavalla: se vaikuttaa melaniinin levittäytymiseen pigmenttisolujen sisällä. On varmaankin tuttua tietoa, että kalojen ja muiden väriä vaihtavien selkärankaisten värinvaihdon mahdollistaa nimenomaan yksittäisten pigmenttijyvästen liike ihon solujen sisällä. MC1R:n aktivaatio saa kaloilla pigmenttijyväset leviämään ja värityksen tummumaan: sen mutaatiot varmaankin siis muuttavat kalan kykyä vaihtaa väriä mielialan mukaan.

      Vähän lisälukemista:
      http://en.wikipedia.org/wiki/MC1R
      http://www.sciencemag.org/content/313/5783/62.full (mammuteista)
      http://www.springerlink.com/content/kr1bj48lv4t2ywdx/ (koirista)

  2. Napaseutujen eläimistä lukeminen muistutti mieleen, mitä sanoit täällä jääkarhujen värityksen liittymisestä lämpötalouteen. Tarkoititko jääkarhun mustaa ihoa, joka ilmeisesti auttaa sitomaan auringosta tulevaa lämpöä?

    1. Kappas, jäikös tuonne vielä lause jääkarhuista. Artikkelin aiemmassa luonnoksessa viittasin siihen hypoteesiin, että jääkarhun ontot karvat toimisivat ”valokuituina”, jotka vievät auringon säteilyn tummalle iholle, joka sitten imee sen.
      Sitten asiaa tarkemmin selvittäessäni totesin, että hypoteesi on ilmeisesti nyttemmin hylätty. Poistin jääkarhua käsittelevän kappaleen, mutta tuo myöhempi viittaus siihen näköjään unohtui.

  3. Moi Maija.

    Onkos seeprojen värin evoluutiosta mitään tutkimusta? Niissä on jotain hämmentävää. Väritys vaikuttaa maallikon silmiin sellaiselta, että siitä ei juurikaan ole seepralle hyötyä esim. piiloutumisesta pedoilta.

    1. Moi! Hyvä kysymys.

      Aiheesta on nahisteltu 1800-luvulta saakka, ja todisteita on kertynyt useammankin hypoteesin puolesta. Seepran värityksellä voikin olla yllättävän monta tarkoitusta.

      Yksi ehdotus on, että tietyissä oloissa seepran väritys voi kuin voikin toimia suojavärinä. Korkeassa ruohossa tai kuolleiden oksien seassa seepra voi olla yllättävän näkymätön, vähän samaan tapaan kuin räikeänvärisetkin kalat katoavat koralliriutalla. Etenkin hämärässä seeprojen kerrotaan olevan vaikeimmin löydettävien riistaeläinten joukossa. Asiaa voi vielä auttaa se, että niiden tärkeimmät saalistajat, leijonat, näkevät värejä rajoitetummin kuin ihmiset. Esimerkiksi Wikipediasta löytyy tämä hämmentävä kuva, jossa seeprat sulautuvat tiheikköön: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Zebra_camouflage.jpg

      Toisaalta raidoituksen on ajateltu sulauttavan seeprat taustansa sijaan toisiinsa. Pakeneva seepralauma muuttuu psykedeeliseksi raitamassaksi, joka hämmentää petoa ja vaikeuttaa yhden seepran valitsemista joukosta. Samalla seeprojen on helpompi paetessaan seurata lajitovereitaan, eivätkä ne eksy toisistaan: seeprathan pakenevat tiiviinä laumana silloinkin, kun ne ovat ruokailleet sekaisin muiden lajien kanssa. Sikäli kuin olen käsittänyt, tästä ei ole kuitenkaan saatu kokeellisia todisteita.

      Kolmas ehdotus on, että seeprat käyttävät yksilöllistä raidoitusta toistensa tunnistamiseen. Kuviointihan on yhtä ainutlaatuinen kuin sormenjäljet, joten selitys kuulostaa äkkiseltään uskottavalta. En löytänyt kuitenkaan tietoa siitä, että tätäkään hypoteesia olisi koskaan varsinaisesto testattu. Sitä olisi kyllä helppo testata vaikkapa valokuvien avulla. Siinäpä jollekulle tutkimusaihe.

      Kokeellisia todisteita on sen sijaan saatu sille, että mustavalkoinen raitakuvio hämää tsetsekärpästä, ja suojaa siis seeproja paremmin verenimijöiltä ja kärpästen levittämältä unitaudilta.

      Vaikuttaa kaiken kukkuraksi siltä, että raidoilla on jotakin tekemistä lämmönsäätelyn kanssa. Mustien raitojen alla on paksumpi ihonalainen rasvakerros kuin vaaleiden, ja lämpöä eri tavoin keräävät raidat saattavat tuottaa seepran kyljille jatkuvan, viilentävän ilmavirran.

      Tietenkään mikään selityksistä ei sulje toisiaan pois, joten vallan hyvin useampikin näistä voi pitää paikkansa. Tai vaikka kaikki.

      Tärkeimpänä lähteenäni oli tämä artikkeli, mutta pelkäänpä, että sen lukeakseen täytyy olla yliopistoverkossa:
      http://www.springerlink.com/content/f2aprfnt4hgy8djh/

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggaajaa tykkää tästä: