Hoppa till huvudinnehåll

Vetenskap

Den sexuella fortplantningen: Livets sätt att skydda vårt DNA från syret som vi andas

Bokstäverna S, E och X med en blå himmel i bakgrunden.

“Jag måste nog gå ut och få lite syre nu”. Vi människor är ju syreandande organismer, syre är livets gas här på jorden. Men visste du att myntet har en mörk baksida? Vårt beroende av syre tar livet av oss till slut. Och det är orsaken till att vi har sex.

Alla levande ting på jorden är mer eller mindre beroende av syre för sin överlevnad. Utom anaeroberna, de där konstiga sakerna som lever i sjöarnas bottengyttja och våra tarmar. Bland annat.

Men så här har det inte alltid varit. Tidigare, i vårvintras, berättade jag om hur det gick till när jordens atmosfär fick sitt syre. Det här skedde för ungefär två och en halv miljarder år sedan, när små, encelliga varelser kallade cyanobakterier började pumpa ut stora mängder syre genom processen som kallas fotosyntes.

Det här ledde sedan till den kanske värsta ekokatastrofen någonsin i jordens historia. 99% av allt liv på jorden utplånades. Syre var ju ett dödligt gift för allt levande på den här tiden.

I veckans Kvanthopp tittar vi på det som hände sedan, hur livet lärde sig använda sig av syret. För det är ju ett effektivt bränsle för livet. Men ett bränsle som kommer med ett högt pris. Att andas syre är väldigt slitsamt för kroppen. Faktum är att det tar livet av oss till slut.

Det här insåg också de tidiga syreandande livsformerna när det begav sig. De insåg att de var tvungna att hitta på ett knep för att skydda sin arvsmassa mot syrets korroderande verkan. Det knepet tillämpar vi än i denna dag. Knepet kallas sex. Och det är ett knep som livet har ärvt ned genom två årmiljarder. Vi tar storyn från början.

Livet efter apokalypsen

Det är en dag för 2 400 miljoner år sedan. Cyanobakterierna, eller de blågröna algerna har nyss gasat ihjäl nästan allt liv på jorden. Men de slutar inte där. De råddar till klimatet också. Den som gapar efter mycket, och så vidare.

Vad som händer är att syret som de pumpar ut i atmosfären reagerar med metanet som det finns stora mängder av i luften på den tiden. Så metanet bryts ned till koldioxid och vatten.

Metan är en väldigt effektiv växthusgas, mer än tjugo gånger starkare än koldioxid. Och då en stor del av atmosfärens metan omvandlas till den svagare växthusgasen koldioxid, då blir det kallare. Mycket kallare.

I och med det här inleds det som brukar kallas för Huronistiden, den första kända istiden i vår planets historia, och en av de längsta och kallaste.

Konstnärens vision av den så kallade snöbollsjorden.
Bildtext Snöbollsjorden var precis vad den låter som.

Perioden har också kallats Snöbollsjorden. Namnet förklarar sig självt, liksom. Det hela pågår för mellan 2,4 och 2,1 miljarder år sedan, i omkring trehundra miljoner år med andra ord. Hela jorden är vid den här tiden täckt av kilometertjock is. Till och med vid ekvatorn kan det ha varit kallt som på vår tids Antarktis.

Men också den här mega-vintern tar slut förr eller senare. Och tacka vulkanerna för det. Vulkaner spottar nämligen koldioxid ur sig. Med tiden uppstår en växthuseffekt som tinar upp snöbollsjorden på så lite som tusen år. En otroligt kort tid mätt enligt den geologiska tidsskalan.

Uppvärmningen går ännu raskare på grund av att det knappt förekommer någon nederbörd alls på snöbollsjorden. Det här betyder att regnen inte sköljer någon koldioxid ur luften, som därför kommer åt att mättas med koldioxid. Vilket i sin tur förstärker uppvärmningen.

Men om jorden verkligen var infrusen från pol till pol i trehundra miljoner år, hur överlevde livet? Eventuellt tog det sin tillflykt till det eviga mörkret på fyra kilometers djup under havet, till de heta vulkaniska källorna som fortfarande existerar där i vår tid. Forskarna utgår också ifrån att det sannolikt fanns spridda pölar av smält vatten också på ytan, uppvärmt av vulkanism, där de ljusälskande cyanobakterierna låg och inväntade bättre tider.

Början på ett långt förhållande

Och de bättre tiderna infann sig ju som sagt till slut, omkring år 2 1000 000 000 före vår tideräkning svallade havet fritt igen. Ett mer eller mindre tomt, soldränkt hav som formligen inbjöd till att koloniseras av driftiga små livsformer.

Nere i det proterozoiska urhavets dunkla djup hände det att syreälskande prokaryota aeroba bakterier från de övre skikten, från ljusets domäner, irrade bort sig och blev slukade med hull och hår av de anaeroba bakterierna. I de allra flesta fall blev de slukade aeroberna bara lunch för anaeroberna som smälte dem och tog hand om de dyrbara organiska molekylerna i sina kusiners kroppar.

Men i mycket sällsynta fall hände det sig att “matsmältningen” inte blev riktigt komplett. Bytet överlevde inuti den anaeroba bakterien, den blev kvar där, fångad i en levande bur. Och hur det nu råkade sig så upptäckte värdbakterien att den kan dra nytta av jobbet som offret utför, av energin som den producerar i och med att den kan utnyttja syre. Den var kapabel till respiration.

Schematisk bild av en djurcell.

Faktum är att själva bytet, den slukade bakterien, inte går lottlös ur mötet den heller. Livet inuti varelsen som slukade den är de facto tryggt och bekvämt, rena rama lyxtillvaron. De två gamla fienderna har ingått vad som kallas ett endosymbiotiskt förhållande, ett där den resulterande kroppen är bättre och starkare än summan av sina beståndsdelar.

Med tiden lär de sig till och med att samköra sina förökningscykler. De är nu i praktiken en och samma individ. Det som har sett dagens ljus är med andra ord de första eukaryoterna. Bakterier med ett inre som är indelat i olika avdelningar med olika funktioner. En separat cellkärna finns också, vilket de primitivare prokaryoterna saknar. Vi människor är flercelliga eukaryota varelser.

Med andra ord är vi en fortsättning på det där ömsesidiga beroendeförhållandet som började då, för länge sedan, när en anaerob bakterie käkade en aerob och matsmältningen blev lite på hälft. Arbetsrelationen som då uppstod har fortgått över årmiljarderna och pågår medan du läser det här, inuti våra egna kroppar. Vi är ju i praktiken enorma, vandrande cellkollektiv, levande skyskrapor med otaliga miljarder bostäder. Och i var och en av de bostäderna, i våra celler, bor den slukade bakteriens ättlingar. Vi kallar dem mitokondrier.

May the force be with you

Mitokondrierna är så kallade organeller, en sorts maskiner inuti maskinen. De är våra cellers små kraftverk som tar upp näringen vi får i oss med maten och omvandlar den till bränsle åt våra celler, i form av adenosintrifosfat (ATP). Mitokondrierna är bokstavligen bärare av Kraften, för att tala i Stjärnornas krig-termer. Faktum är att George Lucas i filmerna beskriver det hela som att kraften skapas av mystiska små organismer kallade “midichlorianer”. George Lucas var helt tydligt vaken på biologilektionerna i skolan.

Verklighetens mitkokondrier är för övrigt nästan häftigare än sagoversionerna från Star Wars. Jag menar, tänk på det, de är ättlingar till en slukad bakterie från urtidshavets djup. Och fortfarande, efter två miljarder år, fortsätter de att bibehålla ett visst mått av sin ursprungliga personlighet. Mitokondrierna har kvar sitt eget DNA, till exempel, det är alltså åtskilt från vårt. Mitkokondriellt DNA (mtDNA) kallas det. Det ärvs ned på mödernet, det följer med äggcellen från mamman till dottern.

Hur som helst, det nya släktet av endosymbionter, alltså hybridorganismen bestående av den anaerobiska bakterien som slukade en aerobisk bakterie, visar sig vara ett supereffektivt kraftpaket. Den nya hybriden sitter som handen i handsken i den tämligen tomma postapokalyptiska världen som öppnar sig efter den globala istiden.

En mitokondrie, cellens lilla kraftverk.
Bildtext Mitokondrierna bor i våra celler och fungerar som cellens små kraftverk. Mitkokondrien var en gång en självständig bakterie som blev slukad av en annan bakterie. Samarbetet som då inleddes kallas endosymbios.

De nya endosymbionterna tål inte bara syre, de kan utnyttja det till att bryta ned organisk materia och livnära sig på det sättet. Så de dominerar snart oceanerna.

Men vänta! Det kommer mera! Endosymbiosen som ägde rum i urhavet visade sig vara ett så nyttigt knep att evolutionen utnyttjar sig av det en andra gång. En av de tidiga eukaryoterna slukar i sin tur en intet ont anande cyanobakterie. Och de kan ju bevisligen det här med fotosyntes, konsten att skapa sin egna organiska materia med hjälp av solens strålar. Onekligen ett synnerligen nyttigt trick. Och än en gång blir en slukad cell, cyanobakterien, fånge inuti en levande värdcell.

Hybriden som skapas då eukaryoten absorberar en cyanobakterie blir till en riktig liten supervarelse. En treenighet med i praktiken obegränsade möjligheter. Den kan överleva överallt och livnära sig på vad som helst den råkar komma över, till och med på rent solljus om så krävs.

Vi känner idag till de slukade cyanobakterierna som kloroplaster. De är de fotosyntetiserande små motorerna som bland annat ger växternas blad och algerna sin gröna färg. Och som en biprodukt av det hela ger de oss syret som vi behöver för att andas.

Hur som helst, i och med den här andra hybridens fullbordande var vägen till dagens växter nu utstakad.

En lek med elden, bokstavligen

Men livet lärde ju sig inte bara att leva med syret som cyanobakterierna förpestade jorden med, det utvecklade ett regelrätt beroende av det syret. Och beroenden kommer ju ofta med en prislapp, som vi vet.

Visserligen hade en stor del av de överlevande bakteriestammarna, för att inte tala om de nya eukaryoterna, utvecklat en tolerans mot syre. Som sagt, de sistnämnda hade till och med lärt sig utnyttja syre för sina egna syften.

Men de var inte på det torra ännu. Den som någon gång har lekt med tändstickor vet att syre kan vara farligt att handskas med. Syre bränner dig, bokstavligen (eller oxiderar, snarare). Både utifrån och på insidan. Syret inom oss angriper sakta men säkert våra cellers biokemiska maskinerier och får dem att degradera. Stora, komplexa molekyler som DNA börjar sakta brytas ned.

Ha tålamod, förresten, ni som väntar på att jag ska komma till biten med sex som jag utlovade i början, jag bygger upp till det hela tiden här, vi kommer till det.

En flaska med syrgas och en andningsmask.

Men först måste vi etablera varför sex är nödvändigt. Och det har alltså med vår andning att göra. Varje dag tar vi bortåt 22 000 andetag. Varenda gång vi andas tar vårt blod syre från våra lungor och transporterar det till alla våra celler. De använder det syret för att hålla igång vår metabolism och hålla oss vid liv. Men det här löpande bandet funkar inte felfritt. Cirka två gånger av hundra går processen lite snett och så kallade fria radikaler uppstår.

De här små radikala bråkstakarna är syreatomer med en elektron som saknar par, vilket gör dem rejält instabila och får dem att para sig med vilken lämplig atom som helst för att stabilisera sig själva.

Det här inkluderar atomer från våra proteiner, cellmembran eller till och med vårt DNA! De små, radikala syreatomerna bidrar på det här sättet till att vi åldras – våra kroppar bryts bokstavligen ned inifrån. Dessutom leder det till sjukdomar som cancer. Fenomenet kallas oxidation, och det är oundvikligt och oåterkalleligt. Rökning och dåliga matvanor kan sedan ytterligare snabba på processen.

Nå, lyckligtvis finns det ett motgift mot fria radikaler i form av antioxidanter. Nyttiga molekyler som kan donera en elektron för att stabilisera de fria radikalerna innan de ställer till med större skada. Våra kroppar producerar en del av antioxidanterna själva, medan vi får resten via maten vi äter. Till exempel bär, pekannötter och mörk choklad är bra på att bekämpa fria radikaler.

Operation "Rädda arvsmassan"

Men trots antioxidanternas hjälp är vi förutbestämda att förlora kampen mot syrets långsamt brinnande eld inom oss. Andetaget du nyss tog håller dig visserligen vid liv för stunden, men på längre sikt dödar det dig. Dina celler åsamkas sakta men säkert så stor skada av syret som när dem, att de slutligen upphör att fungera helt och hållet.

För våra avlägsna, pyttesmå förfäder nere i den proterozoiska eonens ur-ocean var det här ett ännu större, och mycket mer överhängande hot. De såg kanske med längtan tillbaka på tiden före den stora syresättningen, på den nostalgiska tillvaron som anaerober, utan det toxiska syrets tidsinställda bomb tickande i bröstet.

Skämt åsido, de var bakterier, inte såg de på någonting överhuvudtaget. Men syret innebar hur som helst ett problem för dem. De var simpla varelser, de förökade sig genom att klona sitt DNA och dela sig själva itu. Celldelning, med andra ord.

Och eftersom dottercellens DNA då blir en exakt kopia av modercellens motsvarande molekyl, är den nya bakterien också det. En replikant. Och det här är ju helt okej så länge som originalet är i gott skick. Men – som vi nyss hörde så är syret ständigt där och oxiderar de delikata DNA-strängarna. Och när modercellens DNA blir anfrätt och koden skadas, då ärver dottercellen en exakt kopia av mammans trasiga DNA-kod.

Konstnärens vision av en DNA-molekyl som skadas.
Bildtext Syrets fria radikaler hotar vårt DNA.

Felen som syret orsakar är ofta små, och kanske drunknar i den stora ramsan, så dottercellen kanske kan hanka sig fram ändå. Men medan generationerna rullar vidare så ackumuleras skadorna i DNA-koden sakta men säkert, tills cellen inte längre kan fungera som den ska. Klonernas kontinuitet är hotad.

Det var det här ödet som drabbade en av världens berömdaste kloner någonsin, fåret Dolly. Dolly var det första däggdjur som föddes efter att ha klonats från en cell av ett vuxet djur. Året var 1996. Cellen i fråga togs från donatordjurets juver. Sitt namn fick Dolly efter countrysångerskan Dolly Parton.

Poängen här är hur som helst den att fåret Dolly levde ett anmärkningsvärt kort liv. Dolly dog av åldersrelaterade sjukdomar vid bara dryga sex års ålder, trots att får av Dollys sort hade en förväntad livslängd på cirka tolv år. Men som det skulle visa sig så var Dolly i praktiken betydligt äldre än de dryga sex år som hon hann leva.

Dolly hade nämligen inte bara ärvt sin fluffiga, vita ull och sin fåraktiga uppsyn av sin mamma/syster, hon hade också ärvt sin mammas/systers genetiska ålder. Dollys DNA-historia fick inte börja från sida ett, den började från sida sex (Dollys mamma var sex år gammal då cellen som blev till Dolly togs från henne). Dolly var alltså sex år gammal redan då hon föddes.

Sensmoral: ska du låta klona dig, då hoppas jag innerligt att du lät skörda de behövliga cellerna redan då du var en liten baby.

Livet uppfinner sex

Hur som helst, för de tidiga, simpla små livsformerna i ur-oceanen för två miljarder år sedan, var det här ett ännu större problem. Ta nu våra tidiga förfäder till exempel, de där som svalde förfadern till våra mitokondrier, kraftverken i våra celler. Mitokondrier behöver syre för att utvinna energi från maten som vi äter. Så det finns inget sätt att kringgå syret för den som vill leva med en eller flera mitokondrier. Pröva att hålla andan så får du se.

Växterna har ett ännu större dilemma. Kloroplasterna, ättlingarna till cyanobakterien som deras encelliga förfäder svalde, de producerar syre när de utför sin fotosyntes. De pumpar alltså ut syret direkt i växternas celler.

Så de tidiga eukaryoterna hade inte bara syret i havet och luften omkring dem att ta i beaktande. De tvingades uthärda den toxiska substansen inuti sig själva. Med andra ord, de hade själva öppnat dörren för bringaren av deras egen undergång.

Men naturen är ju bra på det här med anpassning. Ge små, föga uppseendeväckande varelser en smula tid och massvis med individer att experimentera på, och förr eller senare tenderar lösningen att presentera sig.

Och som det skulle visa sig, så var den lösningen sex.

Två flugor som parar sig.

Då talar jag inte om den invecklade parningsritual som dagens flercelliga livsformer sysslar med. Det var ingen som behövde visa upp en prålig fjäderskrud eller bjuda någon annan på en dyr middag på den tiden.

Sex på bakterienivå är allt annat än laddat med erotik. Bakteriesex skiljer sig de facto inte särskilt mycket från kloningsbestyret som de hade haft för sig innan. Men med en viss, avgörande skillnad. Istället för att dela hela cellen i två prydliga halvor, kom ur-bakterierna på att de kan kopiera bara hälften av sitt DNA och knoppa av det som pyttesmå könsceller. Och de här könscellerna kunde ju inte överleva för sig själva, så de var tvungna att slå sig samman med någon annan könscell för att än en gång bli hela, kompletta varelser.

Och det är här som vi kommer till det fina i kråksången. Den resulterande, nya individen är inte en exakt karbonkopia av sin mamma, den är en helt ny och unik individ. Dess DNA-uppsättning är en cocktail av två olika invididers arvsmassa.

Genom att introducera ett extra steg i processen och involvera två DNA-donatorer istället för bara en, skapade ur-eukaryoterna en sorts skyddsmekanism mot syrets frätande angrepp på deras arvsmassa. Genom att låta slumpen avgöra vilka bitar av de två föräldrarnas DNA som får plats i barnets genom, skapades genetisk variation. Och det här ökar på sannolikheten för att den nya individen ska få friska gener i bagaget. Det naturliga urvalet bättrar sedan ytterligare på oddsen för att bara så prima vara som möjligt får cirkulera i genpoolen.

Med andra ord, för den nya individen kan räkneverket i den tickande syrebomben börja igen från noll.

Erasmus Darwins vegetabiliska erotik

Syrets korroderande inverkan på livets kod är så överhängande att forskarna numera är tämligen eniga om att det lilla eukaryota livet på lång sikt inte hade haft en chans att avancera utan skyddet från tidens tand som den sexuella fortplantningen erbjuder till arvsmassan.

Och världens samlade kår av kärleksdiktare, låtskrivare och författare av kioskromaner kan ju bara instämma och höja en skål till kärlekens och alla dess fysiska uttrycksformers lov.

Apropå det så kan vi kanske inte kan avsluta det här avsnittet utan att ägna en tanke åt en viss brittisk läkare, botanist och naturfilosof vid namn Erasmus Darwin. Hur det nu råkar sig så var han Charles Darwins farfar. Farfar Erasmus blev berömd hos sin samtid genom att popularisera vetenskap, och han gjorde det i form av episka dikter. År 1789 kittlade Erasmus Darwin den läsande allmänhetens fantasi med en smått vågad skildring av växternas liv och kärlek i explicita sexuella termer i diktverket The Loves of the Plants.

Illustration från boken The Loves of the Plants av Erasmus Darwin. Kopparstick med keruber.
Bildtext Illustration från Erasmus Darwins diktverk The Loves of the Plants.

Växternas passion, hävdade Darwin, tog sig i uttryck i en mängd olika erotiska beteenden, från det kyska sexuella umgänget mellan ett “gift” växtpar, till vissa växters kvinnliga könsdelar som öppet idkar gruppsex med alla manliga friare i sikte, till ännu vildare växtorgier. Erasmus Darwin var inte bara en av de första som skrev erotisk poesi om växternas fortplantning. Han var också en av de första som utgick från att allt levande på jorden har ett gemensamt ursprung i form av primitiva organismer som levde i havet.

Charles Darwin var för övrigt väl bekant med sin farfars uppfattning, och inspirerades av den till sin moderna evolutionslära, som presenterades för publiken 1859.

Men varken Erasmus eller sonsonen Charles Darwin kunde ana att allting började med kanske den värsta ekokatastrofen någonsin. Fast inte en som orsakades av människor, utan av pyttesmå bakterier med en förkärlek för solsken, mer än två miljarder år tidigare. En katastrof som först hade livet av nästan allt liv på jorden med en dödligt giftig substans, och därefter gjorde det beroende av samma gift för all framtid.

Ett beroende som vi fortsätter att lida av, och som i slutänden blir vår död, utan undantag.

Men lyckligtvis kan vårt släkte undvika den totala undergången med hjälp av det där ena motgiftet som evolutionen försåg oss syreknarkare med. Sex.

Nästa gång du har lust men inte din partner, upplys hen om det här. Nej, det funkar aldrig för mig heller, men det är en bra story.

Mer om ämnet på Yle Arenan