Ihmisen ulkomuoto on symmetrinen: vasen ja oikea puoli ovat toistensa peilikuvia. Sen sijaan sisäelimissä on paljon epäsymmetrisyyttä.


Sen sijaan sisäelimissä on paljon epäsymmetrisyyttä.




Onkohan Jumala vasen- tai oikeakätinen? Se olisi helppo selitys elämän johdonmukaiselle epäsymmetrisyydelle.

Esimerkiksi ihmisen sydän on hieman vasemmalla, maksa puolestaan selvästi oikealla. Vasen keuhko on pienempi kuin oikea. Oikea munuainen on pienempi kuin vasen. Miesten oikea kives on suurempi ja sijaitsee ylempänä kuin vasen. Evoluutio ei näytä kyenneen rakentamaan sisuskalujamme tekemättä niistä jollain tavoin toispuolisia.

Tutkijat ovat yrittäneet ratkaista elämän epäsymmetrian arvoitusta jo puolitoista vuosisataa. Erityisesti on pähkäilty, kuinka kehittyvä alkio voi tietää, missä päin on vasen ja missä oikea.


Käänteinen mies antoi ensi vihjeen

Se, millainen epäsymmetrian rakennusohje voisi olla, alkoi pikkuhiljaa hahmottua 1970-luvulla.

Ratkaisulle antoi ääriviivat ruotsalaislääkäri Björn Afzeliuksen vastaanotolle tullut 48-vuotias lontoolaismies. Hänellä oli omituinen kokoelma oireita, jotka viittasivat Kartagenerin syndroomaan: krooninen keuhkoputkentulehdus, liikkumattomat siittiöt ja peilikuvaksi kääntyneet sisäelimet eli situs inversus.

Afzelius arveli, että Kartagenerin syndrooma johtuu solun värekarvojen häiriöistä. Keuhkojen ja hengitysteiden sisäpinnat ovat täynnä pieniä värekarvoja, jotka liikuttavat suojaavaa limaa ulospäin ja häätävät näin epäpuhtauksia. Jos keuhkojen värekarvat eivät toimi, hengitystieinfektiot kroonistuvat herkästi. Värekarvojen toimintahäiriö estäisi myös siittiöiden liikkumisen, sillä niiden häntä on eräänlainen värekarva (joskin pitkiä värekarvoja sanotaan uintisiimoiksi).

Mutta miten värekarvat vaikuttaisivat siihen, kehittyykö sydän vasemmalle vai oikealle puolelle?
Kukaan ei tiennyt vastausta, joten värekarvojen mahdollinen osuus unohtui pariksikymmeneksi vuodeksi.


Lisävinkkiä saatiin kanan alkioista

Sillä välin tutkijat kuitenkin lähestyivät epäsymmetrian arvoitusta muista näkökulmista.




Miksi värekarva pyörii myötäpäivään


Värekarvojen pyöriminen myötäpäivään viestii ainakin hiiren alkiolle, mikä on vasen ja mikä oikea puoli. Mutta miksi karvat pyörivät juuri myötäpäivään? Miksei yhtä hyvin vastapäivään?

Vastaus on, että elämän epäsymmetria ulottuu molekyyleihin asti. Esimerkiksi dna kiertyy oikealle, eli se on oikeakätistä. Värekarvat koostuvat proteiineista, jotka puolestaan rakentuvat aminohapoista, ja kaikki nisäkkäiden elimistön tuottamat aminohapot ovat vasenkätisiä. Tällaisista epäsymmetrisistä osista koostuva värekarva pyörii luontevasti vain yhteen suuntaan.


Mike Levininsonic hedgehog

sonic hedgehogsonichedgehog

sonic hedgehog


Värekarvat työntävät vasemmalle

Ratkaiseva löytö tehtiin 1990-luvun lopulla Tokion yliopistossa professori Nobutaka Hirokawan johdolla.
Hirokawan ryhmä tutki kinesiinejä, eräänlaisia molekulaarisia moottoreita, jotka kuljettavat molekyylejä solun sisällä mikrotubuliinisäikeitä pitkin. Kinesiinejä esiintyy erityisen runsaasti juuri värekarvoissa, jotka koostuvat 9-11 mikrotubuliinisäikeestä.

Ymmärtääkseen paremmin kinesiinien toimintaa Hirokawan ryhmä tuotti poistogeenisen hiiren, jolta puuttui eräs kinesiinien toiminnalle välttämätön proteiini. Kinesiini osoittautui elintärkeäksi, sillä kaikki hiiret kuolivat varhain sikiövaiheessa. Puolella sikiöistä oli sydän väärällä puolella.

Poistogeenisten hiirten oireet viittasivat värekarvojen toimintahäiriöön. Siksi Hirokawa tutkaili alkion solmuketta, alkion keskiviivalle ilmestyvää pientä painannetta, jossa on tiheälti värekarvoja. Hän havaitsi, että poistogeenisiltä hiiriltä puuttuivat värekarvat kokonaan.

Seuraavaksi Hirokawa katsoi valomikroskoopilla normaalin hiirenalkion solmuketta. Sen värekarvat vispasivat nopeasti myötäpäivään. Koska solmuke sijaitsi täsmälleen keskiviivalla ja sen karvat liikkuivat vain yhteen suuntaan, se saattoi todella olla tienviitta, josta alkio tunnisti oikean ja vasemman. Mutta miten?

Mekanismi selvisi yksinkertaisella kokeella. Kun Hirokawa pudotti värillisiä lateksipisaroita keskelle solmuketta, ne tempautuivat hetkessä keskiviivan vasemmalle puolelle. Värekarvojen liike aiheutti sinne - ja vain sinne - suuntautuvan pyörteen. Se tarkoitti, että mikä tahansa signaalimolekyyli, kuten sonic hedgehog, joutuisi vääjäämättä vasemmalle puolelle.

Jos värekarvoja ei olisi, kuten Hirokawan poistogeenisillä hiirillä, signaalimolekyylit jakautuisivat tasaisesti kummallekin puolelle. Myöhemmin on havaittu, että myös Kartagenerin oireyhtymä seuraa tätä mallia: puolella potilaista sydän on oikealla ja puolella vasemmalla.


Kaikki hiiret eivät sopineet teoriaan

Hirokawan löytö oli yksi kehitysbiologian suurista läpimurroista. Se näytti selittävän, millä tavoin alkio - pelkkä solumöykky - erottaa oikean vasemmasta.

Selitystä kuitenkin uhkasi pitkä varjo takavasemmalta. Hirokawan malli ennustaa, että värekarvahäiriöstä kärsivän sydän muodostuu kummalle puolelle tahansa. Baylor College of Medicinen kehitysbiologi Paul Overbeek oli kuitenkin tuottanut vuonna 1992 siirtogeenisiä hiiriä, joiden kaikkien sydän oli oikealla. Sen ei pitänyt olla mahdollista. Tutkijat alkoivat kiireesti selvittää Overbeekin inv-hiirten mysteeriä.

Yksinkertaisin vastaus olisi ollut se, että inv-hiirten värekarvat pyörivät vastakkaiseen suuntaan kuin muiden. Valitettavasti ne pyörivät aivan normaalisti. Sikiöiden solmukkeen muoto oli kuitenkin epätavallinen, mikä vaikutti värekarvojen aiheuttamaan virtaukseen. Kokeissa lateksipisarat liikkuivat tavallista hitaammin ja jäivät usein pyörimään keskelle solmuketta.


Tätä nykyä kaksi selitystä kilpailee

Nyt tutkijat ovat esittäneet kaksi kilpailevaa mallia, jotka selittävät ristiriitaisia havaintoja vasen-oikea-epäsymmetrian muodostumisessa.

Hirokawan mallin mukaan alkion solmukkeen molemmilla puolilla on signaalimolekyylejä erittäviä soluja.

Signaalimolekyylit tulevat esiin epäaktiivisina ja aktivoituvat vasta jouduttuaan solmukkeeseen. Ne säilyvät aktiivisina vain muutaman sekunnin, minkä jälkeen ne tuhoutuvat. Normaalisti solmukkeen pyörre ehtii tätä ennen temmata ne vasemmalle, missä ne käynnistävät sydämen kehityksen. Inv-hiirillä virtaus on niin hidas, että aktivoituneet signaalimolekyylit tuhoutuvat ennen ehtimistään keskiviivan vasemmalle puolelle. Siksi kaikkien inv-hiirten sydän syntyy oikealle.

Toisen mallin mukaan pelkät värekarvat eivät selitä epäsymmetriaa, vaan asia on mutkikkaampi. Erityisesti Mike Levin on korostanut, että epäsymmetrian idut alkavat muodostua jo ennen alkion solmukkeen ilmaantumista.

Värekarvat saattavat olla vain yksi melko myöhäinen lenkki tapahtumaketjussa. Levinin mukaan epäsymmetrian rakentumisessa on myös huomattavia eroja eri lajien, kuten sammakoiden, kalojen ja hiirten, välillä, eikä solmukkeella välttämättä ole samaa merkitystä niille kaikille. Siksi on liian varhaista yleistää jyrsijähavaintoja ihmiseen tai muihin lajeihin.

Vaikka mysteerin ääriviivat ovat siis hahmottuneet, lopullisesta ratkaisusta puuttuu suuria paloja.


Jani Kaaro on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Artikkeli perustuu Chris McManusin kirjaan Right hand, left hand: The origins of asymmetry in brains, bodies, atoms and cultures (Harvard University Press 2004). McManus on Lontoon University Collegen psykologian professori, joka tutkii kätisyyttä, aivopuoliskojen työnjakoa ja käyttäytymisen genetiikkaa.