På skattejagt i livets træ

Sceneriet på Crozetøerne var fantastisk: Enorme, larmende kolonier af ranke kongepingviner på de sorte sandstrande. Svævende albatrosser omkring isklædte bjergtoppe og langstrakte mosgrønne dale med søelefantunger, der gør sig klar til at svømme forbi de ventende spækhuggere ud i det mørkeblå ocean.

Men det eneste, som havbiolog og forsker Katrine Worsaae rigtig havde øje for på den ekspedition, var fundet af et mikroskopisk kæbedyr ved navn Micrognathozoa, der senest var blevet set af en belgisk forsker 22 år forinden. Gennembrud!

Katrine Worsaae sætter scenen fra Antarktis med humor på sit kontor på Københavns Universitet, Institut for Biologi. Men alvoren i interessen er helt tydelig.

For de bittesmå orme- og krebsdyr-lignende organismer som det eftertragtede kæbedyr kan deres lidenhed til trods bidrage med at kaste lys over nogle meget store historier om livet og evolutionen. Det er disse manglende kapitler i dyrenes og dermed vores egen evolutionshistorie, som hun er optaget af at få frem i sin forskning. 

Dyrene er under ét kendt som meiofauna: Dyr, der er mindre end én millimeter i længden. Med en stor bevilling fra Carlsbergfondet er hun og hendes internationale forskerhold på Katrine Worsaae Lab i gang med at kortlægge meiofaunaens genetik i projektet ’Meiofauna genomics: The new Frontier in Animal Evolution’.

Håbet er blandt andet at få karakteriseret 34 arters fulde genomer. En opgave, der for eksempel byder på en stædig skattejagt på selve arterne og spørgsmålstegn ved gængs evolutionsforståelse. 

“Vi har i meget lang tid ignoreret størstedelen af det dyreliv, der faktisk skaber vores klode. De mikroskopiske dyr udgør både den største diversitet og produktivitet i vores akvatiske miljøer. Det vil sige, at de spiser alger og bakterier og selv er vigtig føde for en lang række andre dyr i havet som mellemled i fødekæden. De findes overalt fra dybhav til bjergsøer i de vandige miljøer, der dækker tre fjerdedele af kloden,” forklarer Katrine Worsaae. 

Dyrerigets uudforskede grene

Med den manglende viden er der store huller, der venter på at blive udfyldt, når det gælder organismernes tidlige udvikling og mulige indbyrdes forbundethed. På computerskærmen har hun som illustration en model af dyrerigets træ, som viser dyrenes udvikling på jorden. Her er arterne fordelt på 30 større udviklingslinjer kaldet dyrerækker.

“Vi har nogle hypoteser om, hvordan de er beslægtede, og hvordan livet har udviklet sig på jorden. Men det er stadig meget usikkert, hvordan de her mange slægtskaber egentlig er. Der har været et meget stærkt forskningsfokus på de makroskopiske dyr, som er større end én millimeter, såsom rejer, muslinger, søstjerner og vandmænd.

Hele 10 ud af de 30 dyrerækker indeholder kun eller mestendels mikroskopiske dyr. Her er tale om ældgamle udviklingslinjer, der er mindst 300 millioner år gamle, såsom mudderdrager, bjørnedyr, hjuldyr og penisorme. Og dem ved vi nær ved ingenting om, når det drejer sig om deres geners funktioner,” forklarer Katrine Worsaae.

99 procent af al forskning på området er i dag koncentreret om kun to dyrerækker, nemlig leddyrene (for eksempel insekter, hvor især bananfluer benyttes) og så de såkaldte chordater, der blandt andre inkluderer hvirveldyr som os mennesker. Mens der er kortlagt fulde genomer af for eksempel abe- og fårearter og andre større dyr, findes der ikke fulde genomer for de 10 mikroskopiske dyrerækker. 

Ved at få fremstillet de manglende fulde genomer fra 34 arter fordelt på de ti mikroskopiske dyrerækker bidrager projektet med vigtige brikker til det store evolutionære puslespil. Hendes og holdets vision er, at meiofaunadyrene simpelthen er nøglen til at forstå dyrerigets evolution og al den genetiske og fenotypiske diversitet på jorden. Denne viden skal på sigt omsættes i et nyt dyrenes træ, som kan være klar til skolebøgerne om fem-ti år. 

Tekniske udfordringer med mikroskopiske dyrs DNA

Det er ikke uvilje eller lav forskningsinteresse, der alene kan forklare det manglende fokus på meiofauna. Teknisk set har det indtil nu været særdeles vanskeligt at få nok DNA ud af de små dyr, som ikke engang kan ses med det blotte øje. 

“Nogle af de dyr, vi arbejder med, er én tiendedel af en millimeter lange. Det vil sige, at et helt dyr er mindre end en enkelt musecelle. I mål taler man om, at man skal bruge mikrogram eller nanogram af DNA for at kunne sekvensere meget lange fragmenter af DNA’et. Men dét, vi har fra et enkelt dyr, er nede i picogram. Altså fraktioner mindre end det, man normalt skal bruge,” forklarer Katrine Worsaae. 

Så gennem de seneste par år har forskerholdet brugt meget tid på at optimere metoder. Efter mange forsøg og justeringer har de netop haft et gennembrud. Nu ser det faktisk ud til, at det er lykkedes at nå frem til en metode, som virker på de allermindste meiofauna-dyr. 

“Det er meget lovende. Vi er lige på vippen til at få lavet det første fulde genom fra en kæbeorm. Et dyr, der findes i mudderbunde over hele kloden, og som glider afsted ved hjælp af fimrehår. Nu fortsætter vi med flere repræsentanter for hver gruppe, så vi også kommer til at kunne sammenligne genomerne fra de forskellige arter. Vi skal for eksempel lede efter signaturer for at være lille og signaturer for de gamle udviklingslinjer,” uddyber hun. 

Skattejagten på de bittesmå dyr

De rette tekniske metoder er selvsagt afgørende, men centralt for projektet står indsamlingen af et bredt udvalg af meiofauna fra marine miljøer og enkelte fra ferskvand. Det er lettere sagt end gjort, når dyrene ikke ses med det blotte øje.

Det er den del af processen, som Katrine Worsaae kalder den spændende skattejagt. Nogle arter er heldigvis ret almindelige som kæbeorme, men andre sjældne arter kan kun findes i specifikke miljøer på bestemte tider af året, såsom det lille kæbedyr fra Crozetøerne mellem Madagascar og Antarktis.

Ud over et par indsamlingsture til henholdsvis Curacao i Caribien og til Grønland bliver der ikke tale om en stor eksotisk jordomrejse. For det er vigtigt at få nok af den type arter, som nemt kan findes igen og igen. Ud for Sjælland findes der rigtig gode steder, for eksempel Nivåbugten med sin mudrede og snaskede bund og sandbunden ud for Hornbæk Plantage.

“For de dyrerækker, hvor vi kan vælge en almindelig art, gør vi faktisk det. Vi vil rigtig gerne holde arterne i vores akvarier, så de udgør en kultur, der kan formere sig, så vi nemt kan gentage og udbygge vores eksperimenter. Men det er desværre sværere at holde dyr i live i akvarier, end man skulle tro. For manges vedkommende aner vi ikke, hvad de spiser, eller hvordan deres optimale miljø er sammensat, så det er udfordrende,” fortæller Katrine Worsaae.

Ude i felten vælger forskerne ofte at tage et stykke mudderbund med hjem til laboratoriet og for de tropiske arters vedkommende en spand med koralsand, så hele miljøet følger med.

“Det er først, når vi kommer tilbage til laboratoriet og kigger under mikroskopet, at vi finder ud af, om dyrene er der. Så spændingen bliver fastholdt meget længe. Når vi har fundet det første dyr, er der stor jubel. Så vil man gerne have nogle flere individer, så man kan undersøge tingene ordentligt. Det er en sjov skattejagt, der også kræver vedholdenhed.” 

Miniaturisering - når evolutionen går den modsatte vej

En meget vigtig del af projektet er også at forsøge at finde svar på, hvorfor nogle arter over tid er blevet mindre. Kigger man på de makroskopiske dyrerækker i dyreriget, de større dyrearter, er der eksempler på dyr, som over tid er blevet mindre i størrelse og mindre komplekse. En miniaturisering, som her er sekundær sammenlignet med de dyr, der i udgangspunktet var små. 

Fænomenet miniaturisering er et forskningsområde, som Katrine Worsaae har arbejdet med i hele sit forskningsliv. En fascinerende udvikling, der går stik imod den grundlæggende evolutionstankegang: at alt liv bevæger sig mod at blive større og med en højere grad af kompleksitet. 

“Vi vil gerne opnå en større forståelse af, hvorfor og hvordan miniaturisering kan finde sted, og hvad det er for nogle ændringer, der sker rent genetisk, når dyr bliver mindre. Så vi vil for eksempel sammenligne genomer fra kendte store, smukke nøgensnegle og hummere med mikroskopiske snegle og krebsdyr, som er blevet små sekundært. Hvis vi kan finde genetiske signaturer fra det at være blevet lille sekundært, altså finde nogle fællestræk i den måde det sker på, kan det hjælpe os til at forstå processen,” uddyber Katrine Worsaae. 

De vil også lede efter signaturer i de 10 mikroskopiske udviklingslinjer, som kun har små dyr, og på den måde forstå, om de har været små altid gennem evolutionen og måske stadig kan afsløre genetiske egenskaber fra vores tidligste forfædre.

Hun og forskerholdet vil selvfølgelig også gerne forstå, hvorfor nogle dyr bliver mindre over tid. Hvad er det i den naturlige selektion, der gør, at det kan blive en fordel at være lille? Måske en tilpasning til perioder, hvor der pludselig er både mindre ilt og mad i havmiljøet? 

“Med miniaturisering får man adgang til en helt ny verden. Hvis man har været en stor snegl, og pludselig er en lillebitte mikroskopisk snegl, kan man gemme sig nede mellem sandkornene i stedet for at kravle rundt oven på havbunden og risikere at blive spist af fisk.

Ens madbehov er også mindre. Så det kunne være en drivkraft til at blive lille. Og en forklaring på, hvorfor vi ser det ske så mange steder i løbet af evolutionen.”

På et teoretisk niveau arbejder hun med tanken om, at miniaturisering af arvematerialet – altså genomet - måske er en drivkraft for evolutionen og en del af dens motor. En slags parallel til idéen om at vores univers udvider sig voldsomt for derefter at trække sig sammen igen. 

“Den her pumpende eller bølgende bevægelse med at udvide sig i størrelse og blive mindre igen er måske en urdrivkraft for alt liv. Noget, som kunne gælde også for dyrs genetiske og fysiske størrelse,” filosoferer hun.

Men foreløbig handler det om at indsamle nok arter til genkortlægningen. Så må forskerne se, om de senere får svar på de store evolutionsmæssige spørgsmål. For eksempel på hvordan vores tidligste forfædre så ud. Lignede de kæbedyret på Crozetøerne eller nogle af de mikroskopiske dyr, som Katrine Worsaae har illustrationer af på sit kontor? Masser af spændende spørgsmål og mulige svar venter forude.

Videnskabshistorier er produceret af Videnskab.dk for Carlsbergfondet.