14. Evoluution tutkiminen

Luvun sisältö

  • 14. Johdanto
  • 14.1 Evoluutioteoriat
  • 14.2 Fossiilit
  • 14.3 Taksonomia evoluution tutkimisessa
  • 14.4 Surkastumat
  • 14.5 Eliöiden levinneisyys
  • 14.6 Anatomian ja alkioiden kehityksen vertaileminen
  • 14.7 Geneettiset menetelmät

14. Johdanto

Darwin esitti jo yli 150 vuotta sitten teoriansa eliöiden vähittäisestä kehityksestä, jossa luonnonvalinta on merkittävässä roolissa. Vielä tänäkin päivänä Darwinin päätelmät evoluutiosta ovat tiedeyhteisön yleisesti hyväksymiä.

Kaikki elävän luonnon ilmiöt ja biologian tieteen alat ovat sopusoinnussa evoluutioteorian kanssa. Tämä tosiasia kiteytyy hyvin evoluutiobiologi Theodosius Dobzhanskyn 1973 kirjoittamassa lauseessa: "In biology nothing makes sense except in the light of evolution". Esimerkiksi eliöiden anatomiaa ja fysiologiaa eli rakennetta ja toimintaa on vaikeaa ymmärtää ilman evoluutioteoriaa.

14.1 Evoluutioteoriat

Lamarckin evoluutioteoria

Ranskalainen Jean-Baptiste de Lamarck esitti käsityksensä evoluutiosta vuonna 1809. Hän oli ensimmäisiä biologeja, jotka esittivät, että eliölajit eivät ole pysyviä vaan muuttuvat jatkuvasti. Lamarckin evoluutioajatuksen mukaan yksilöt sopeutuvat ympäristöönsä elämänsä aikana ja periyttävät hankkimansa ominaisuudet ja taidot jälkeläisille. Hän esitti, että ympäristöön sopeutumisen keinona yksilöt pystyvät parantamaan tiettyjä ominaisuuksiaan tai elimiään harjoittamalla niitä. Vastaavasti ominaisuudet ja elimet, joita eliö ei käytä, häviäisivät. Näin eliöiden sopeutuneisuus paranisi sukupolvi sukupolvelta.

Nykyään hankittujen ominaisuuksien periytymisen teoriaa kutsutaan lamarckismiksi. ”Lamarckismi” todettiin virheelliseksi, sillä hankitut ominaisuudet eivät periydy jälkeläisille. Esimerkiksi sellaiset hiiret, joilta on leikattu häntä, saavat aina jälkeläisiksi hiiriä, joilla on normaalisti kasvava häntä.

Vaikka Lamarckin selitys evoluution mekanismista voi vaikuttaa nykyihmisestä huvittavalta, hän oli kuitenkin ensimmäinen tutkija, joka selitti eliölajeissa tapahtuvan muutoksen, vaikka selittikin sen virheellisesti.


Lamarck oletti, että kirahvin pitkä kaula kehittyy kurkottelemisen seurauksena.

Darwinin evoluutioteoria

Charles Darwin (1809–1882) oli englantilainen luonnontieteilijä, jota pidetään evoluutioteorian isänä. Darwin oli ensimmäinen tutkija, joka esitti evoluutiolle uskottavan syyn, luonnonvalinnan kirjassaan “Lajien synty”. Darwinin mukaan elämällä on yhteinen alkuperä, ja maapallolla nykyään elävät eliöt ovat kehittyneet aikaisemmin eläneistä, erilaisista eliöistä.

Darwinin evoluutioteoria hahmottui, kun hän oli viisi vuotta kestävällä tutkimusmatkalla maailman ympäri purjelaiva Beaglella. Matkan aikana hän teki uusia havaintoja ja muistiinpanoja, keräsi näytteitä, näki uusia ja outoja kasveja sekä sukupuuttoon kuolleiden eliöiden luita. Darwin keräsi matkoillaan monipuolisen todistusaineiston evoluutionäkemyksiensä tueksi. Hän kiinnitti huomiota muun muassa Galapagossaarilla elävien sirkkujen nokkien vaihtelevaan muotoon.

Galapagossaarilla Darwinille selvisi, että jokaisella saarella kilpikonnat olivat hieman erilaisia. Pelkästään kilpikonnan kilvestä pystyi päättelemään, miltä saarelta kyseinen kilpikonna oli peräisin. Hän huomasi myös, että eri saarilla elävillä sirkuilla oli hieman erilaiset nokan muodot. Muun muassa näillä havainnoilla oli merkitystä myöhemmin hänen tullessaan siihen johtopäätökseen, että lajit eivät ole muuttumattomia. Darwin esitti evoluution syyksi luonnonvalinnan mekanismin.


Darwinin evoluutioteorian (darwinismi) keskeiset kohdat

  • Eliöt tuottavat enemmän jälkeläisiä kuin ympäristö pystyy elättämään. Esimerkiksi ravintoa ja elintilaa ei riitä kaikille. Tästä seuraa ns. olemassaolon kamppailu, joten osa jälkeläisistä kuolee ennen lisääntymisikää.
  • Saman lajin yksilöiden välillä on pieniä perinnöllisiä eroja eli muuntelua.
  • Parhaiten ympäristöön sopeutuvat yksilöt säilyvät hengissä ja saavat siten eniten jälkeläisiä. Heikoimmat yksilöt kuolevat pois tai saavat vähemmän jälkeläisiä. Näin luonnonvalinta karsii heikoimmat valikoiden parhaat yksilöt jatkamaan sukua.
  • Lajit kehittyvät luonnonvalinnan seurauksena.


Darwin teki tärkeimmät evoluutioteorian päätelmät Galapagossaarilla.

Synteettinen evoluutioteoria

Darwin ei tiennyt mitään geeneistä ja mutaatioista kehittäessään evoluutioteoriaansa, vaikka samaan aikaan 1800-luvulla elänyt Gregor Mendel havaitsi tekemiensä perinnöllisyyskokeiden avulla, että ominaisuudet periytyvät vanhemmilta jälkeläisille. Darwinin evoluutioteoria hyväksyttiin melko yksimielisesti biologien keskuudessa jo 1800-luvun loppuun mennessä. Evoluution syistä oltiin tosin eri mieltä. Vastakkain oli darwinismin esittämä kehitys ja mendelismin korostama perintötekijöiden pysyvyys.

Perinnöllisyystieteen kehittyessä 1900-luvun alussa oivallettiin, miten suvullinen lisääntyminen ja mutaatiot yhdessä tuottavat perinnöllistä muuntelua. DNA:n rakenteen selvittäminen vuonna 1953 täydensi evoluutioteoriaa. Nyt ymmärrettiin mistä Darwinin aikanaan havaitsema muuntelu on peräisin. DNA:n rakenteen perusteella voidaan ymmärtää, kuinka mutaatiot tapahtuvat ja miten ne periytyvät jälkeläisille.

Nykyinen synteettinen evoluutioteoria eli neodarwinismi koostuu Darwinin luonnonvalinnan teorian ja perinnöllisyystieteen perusperiaatteiden yhdistelmästä, synteesistä. Evoluutioteorian tukena ovat monenlaiset havainnot ja todisteet, kuten fossiilit.


Lamarck, Darwin ja Mendel.


Synteettisen evoluutioteorian keskeiset kohdat

  • Saman lajin yksilöt muuntelevat. Suvullinen lisääntyminen ja mutaatiot tuottavat perinnöllistä muuntelua populaation yksilöiden välille. Mutaatioiden takia geenistä muodostuu uusia muotoja eli alleeleja populaation yksilöihin. Nämä muuttuneet geenit (alleelit) vaikuttavat samaan ominaisuuteen hieman eri tavoin.
  • Yksilön kelpoisuudella (fitness) tarkoitetaan yksilön kykyä selvitä hengissä lisääntymisikään saakka ja tuottaa lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Parhaan sopeutuman omaavilla yksilöillä on parempi lisääntymiskyky, ja siten näiden yksilöiden geenimuodot eli alleelit runsastuvat populaatiossa. Tämän takia populaation keskimääräinen kelpoisuus kasvaa ja sen geenikoostumus muuttuu.
  • Populaatiot voivat jakautua osapopulaatioiksi. Tämä voi johtaa uusien lajien syntyyn populaatioiden kehittyessä omiin suuntiinsa. Evoluution yksikkö eli kohde on populaatio.


Haarapääskyn emon kelpoisuus mitataan menestyvien poikasten määrällä.

14.2 Fossiilit

Evoluution todisteena ja tukena on monia tieteellisiä havaintoja. Yhtenä keskeisempänä todisteena ovat fossiilit. Fossiili on maa- ja kallioperässä säilynyt muinaisen eliön jäänne (latinaksi fossilis = maasta kaivettava).

Muinoin eläneiden eliöiden kivettyneitä jäänteitä tutkittaessa on havaittu, että mitä vanhemmista kerroksista fossiilit löytyvät, sitä yksinkertaisempia ne ovat.


Paleontologeja työssään.

Muinaista eliömaailmaa fossiilien avulla tutkiva tieteenala on paleontologia. Siinä yhdistyy biologia ja geologia.

Yleensä kuolleet eliöt hajoavat, mutta joskus harvoin niistä voi muodostua fossiili. Eliön kudokset korvautuvat siten epäorgaanisilla aineilla, jolloin muodostuu kivettymä. Fossiileja voi muodostua vain, jos eliö peittyy nopeasti heti kuoltuaan hiekkaan, merenpohjan liejuun tai suohon jääden hapettomiin olosuhteisiin. Tällaisissa anaerobisissa olosuhteissa ei ole hajotustoimintaa.

Fossiileja on löydetty myös ikiroudasta, kerrostuneista kivilajeista ja poimuvuoristoista. Koska fossiilien muodostuminen vaatii erityiset olosuhteet, niitä on syntynyt vain harvoista maapallolla aikanaan eläneistä eliöistä.

Lisäksi fossiileja on tuhoutunut vuorenpoimutuksissa ja eroosion takia. Fossiileina löydetyt lajit ovat pääosin jo kuolleet sukupuuttoon. Vain harvoin on löydetty fossiileja, joissa eliö on säilynyt kokonaisena. Siksi fossiilien avulla ei ole voinut saada täysin aukotonta käsitystä eliöiden kehityksestä.

​Kivilajien mineraalit voivat täyttää eliön hajotessa muodostuvan tilan.

Eliön kudokset korvautuvat siten epäorgaanisilla aineilla, jolloin muodostuu kivettymä. ​Fossiili voi syntyä niin, että savi tai liete täyttää kuorellisen eliön (esimerkiksi kotilo) sisäosat eliön pehmeiden osien hajottua ensin. Savi tai liete kovettuu kuoren sisällä ja vähitellen kuorikin hajoaa. Kuori toimii ikään kuin muottina ja eliöstä jää jäljelle valos (valelma).





Fossiileja: Vasemmalla kivettymä (ammoniitti, muinainen nilviäinen). Keskellä ​sudenkorennon fossiili ja oilkealla dinosauruksen jalanjälki.

Lisää fossiilityypeistä: ks. tehtävä C1.

14.3 Taksonomia evoluution tutkimisessa

​Eliöt voidaan luokitella lajeiksi, lajit suvuiksi, suvut heimoiksi ja niin edelleen päättyen lopuksi pääjaksojen (eläimet) ja kaarien (kasvit ja sienet) kautta ylimpiin luokittelutasoihin, kuntiin. Tämä eliöiden sukupuu kuvaa myös eliöiden sukulaisuus- ja polveutumissuhteita, vaikka onkin ihmisen laatima.

Lajien välinen geneettinen sukulaisuussuhde voidaan varmistaa nykymenetelmillä vertailemalla eliöiden DNA:n rakennetta ja proteiinien aminohappojärjestystä.

Perimän perusteella voidaan rakentaa eliöiden fylogeneettisiä sukupuita. Fylogeneettinen taksonomia on taksonomian tutkimussuunta, jossa ryhmittely perustuu yhteisestä kantamuodosta erkanemisen ajankohtaan.



14.4 Surkastumat

​Surkastuma on tehtävänsä menettänyt elin tai sen osa. Surkastumat ovat tavallaan merkkejä lajin aikaisemmasta evolutiivisesta kehitysvaiheesta. Surkastumaa edeltävät elimet tai osat olivat lajin kantamuodoille hyödyllisiä.

Esimerkkejä surkastumista ovat ihmisen häntäluu, ihmisen korvan liikuttajalihakset, käärmeet lantioluut, valaiden lantioluuston osat ja nisäkkäiden vilkkuluomi.

14.5 Eliöiden levinneisyys

​Pohjois-Amerikan ja Euraasian lajeista monet muistuttavat hyvin paljon toisiaan ulkonäöltään ja rakenteeltaan. Visentti (euroopanbiisoni, kuvassavasemmalla) ja amerikkalainen biisoni (kuvassa oikealla) ovat esimerkki tällaisesta lajiparista. Tämä johtuu siitä, että niillä on sama kantamuoto (alkuperä). Mannerliikuntojen erottaessa aikanaan yhteydessä olleet mantereet toisistaan, alkoi biisonien lajinkehitys omiin suuntiinsa eri lajeiksi. Toinen vastaava esimerkki on euroopanmajava ja kanadanmajava.

Nämä esimerkit kertovat myös isolaation vaikutuksesta evoluutioon. Verrattaessa valtamerten eristyneiden saarien ja lähimantereen eliöstöä keskenään on niiden välillä huomattu yhtäläisyyttä. Tämä johtuu siitä, että saarten eliöt ovat polveutuneet läheisten mantereiden eliöstöstä. Osa valtamerten saarten eliöstöstä on kuitenkin kotoperäistä eli endeemistä.

14.6 Anatomian ja alkioiden kehityksen vertaileminen

Vertaileva anatomia

Vertailevan anatomian avulla vertaillaan eri lajien rakennetta toisiinsa. Esimerkiksi eri selkärankaislajien raajojen luuston rakenne on hyvin samanlainen, oli sitten kyseessä esimerkiksi lintu, sammakko, valas, kissa tai ihminen. Luuston rakenteen samankaltaisuus kertoo selkärankaisten lajien yhteisestä kantamuodosta (alkuperä).



Selkärankaisten luuston rakenne on hyvin samankaltainen. Eri selkärankaisten eturaajan toisiaan vastaavat luut on esitelty samoilla väreillä. Eri selkärankaisten raajat ovat sopeutuneet erillaisiin käyttötarkoituksiin, minkä vuoksi niistä on kehittynyt hieman erillaisia. Kuvassa eturaajan rakenne: A ihminen, B yhteinen kantamuoto, C valas, D lintu, E sammakko. Luiden värit: olkaluu = keltainen, kyynär- ja värttinäluu = sininen, ranneluut = punainen, sormiluut = keltainen.

Alkioiden kehityksen vertaaminen

Vertailtaessa eri selkärankaisryhmien varhaisia alkioita toisiinsa huomataan, että ne muistuttavat paljon toisiaan. Yksilönkehityksen alussa kehittyy ensin yhteiset piirteet ja yksilönkehityksen edetessä vasta kullekin lajille ominaiset piirteet.

Esimerkiksi ihmisellä on yksilönkehityksen varhaisvaiheissa kidusraot. Alkioiden kehitystä vertaamalla on saatu lisää todisteita eliöiden yhteisestä evolutiivisesta alkuperästä, sillä perimä ohjaa myös alkionkehitystä.



Alkionkehityksen vertailua: Kalan, kilpikonnan, linnun ja ihmisen alkiokehitys. Varhaiset muodot muistuttavat sitä enemmän toisiaan, mitä läheisempää sukua eliöt ovat toisilleen.

14.7 Geneettiset menetelmät

Koska kaikki eliöt ovat sukua toisilleen, lajien välisten ja saman lajin yksilöiden perimän vertailu voi paljastaa monenlaista tietoa. Käytännössä perimästä vertaillaan kromosomien lukumäärää ja DNA:n emäsjärjestystä lähisukulaislajien kesken. Lajien välisten erojen määrästä ja erojen kertymisen nopeudesta voidaan muun muassa päätellä, koska kaksi lajia ovat eriytyneet omiksi kehityslinjoikseen. Lajin sisäisestä geneettisestä muuntelusta voidaan päätellä, minkä geenien alueella on tapahtunut viime aikoina valintaa – käytännössä siis koska hyödylliset tai haitalliset mutaatiot ovat ilmaantuneet.

Lisäksi vertailemalla eroja perimässä eri alueilla pystytään tekemään päätelmiä lajien maantieteellisestä historiasta. Esimerkiksi ihmisellä on kaikkein suurin geneettinen monimuotoisuus Afrikan alueelta ja lähes kaikki monimuotoisuus muualla maailmassa on osa tätä afrikkalaista monimuotoisuutta. Tämän takia on päätelty, että ihminen lajina syntyi aikanaan Afrikassa ja että sieltä lähtenyt pieni osajoukko valloitti muun maailman.


Geneettisten menetelmien avulla voidaan selvittää ihmisen leviämishistoriaa. Kuvassa on esitetty eurooppalaisten kansojen Y-kromosomityypit (haplotyypit) alueittain. Lisäksi on kuvattu eri haplotyyppien evoluutiohistoria.

Tiesitkö? Radiohiili tuo tärkeää tietoa fossiilin iästä.

Selvitettäessä fossiilien tarkka absoluuttinen ikä käytetään apuna tietoa radioaktiivisten aineiden hajoamisnopeudesta. Radioaktiivisten aineiden perusteella tehtävä iänmääritys perustuu kullekin radioaktiiviselle aineelle tyypilliseen puoliintumisaikaan. Kun lisäksi tiedetään, kuinka paljon radioaktiivista ainetta on alun perin ollut näytteessä, voidaan laskea näytteen ikä.

Aikaa, jonka kuluessa radioaktiivinen aine on vähentynyt puoleen, kutsutaan puoliintumisajaksi. Fossiilista määritetään tietyn alkuperäisen aineen ja sen hajoamistuotteen välinen suhde. Näin saadaan selville milloin alkuperäisen aineen hajoaminen on alkanut. Vanhojen fossiilien iänmäärityksessä käytettyjä radioaktiivisia iänmääritysmenetelmiä ovat muun muassa kalium-argon -menetelmä ja uraani-lyijy -menetelmä.

Alle 50 000 vuotta vanhojen fossiilien iänmääritys tehdään radiohiilimenetelmän avulla. Luonnossa tunnetaan kolme hiilen isotooppia: hiili-12, hiili-13 ja hiili-14 (radiohiili). Radiohiiltä muodostuu kosmisen säteilyn ilmakehän typpiatomeista. Syntynyt radiohiili (hiili-14) yhdistyy muun muassa ilmakehän hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia. Kasvien yhteyttämisen kautta hiilidioksidin sisältämä hiili siirtyy kasveihin ja kasveista eläimiin. Osa tästä hiilestä on radiohiiltä.

Radiohiilen suhteellinen osuus kahteen ensimmäiseen pysyvään isotooppiin (hiili-12 ja hiili-13) verrattuna on erittäin pieni, joten eliöiden sisältämästä hiilestä on vain hyvin pieni osuus hiili-14 -isotooppia. Eliön kuollessa sen hiilen saanti loppuu ja sen sisältämä hiili-14 hajoaa typeksi ja samalla radiohiilen pitoisuus eliössä alkaa vähentyä.

Hiili-14 -isotoopin puoliintumisaika on noin 5700 vuotta. Tämä tarkoittaa sitä, että eliön kuoltua puolet siinä olleesta radiohiilestä hajoaa 5700 vuodessa, jäljellä olevasta puolet taas seuraavien 5700 vuoden aikana ja niin edelleen. Kuolleen eliön radiohiilipitoisuutta mittaamalla ja tunnettua puoliintumisaikaa apuna käyttäen voidaan siis määrittää fossiilin kuolinaika eli eliön kuolemasta kulunut aika.