Miten ihmisten ja kalojen verisuonijärjestelmät eroavat toisistaan?
Kaloja pidetään usein yksinkertaisina eläiminä, mutta ne ovat itse asiassa selkärankaisten joukossa kaikkein monipuolisin ryhmä. Tutkijat kehittivät mallin, jonka perusteella kalojen ja ihmisen verisuonijärjestelmän kehitys alkaa hyvin samankaltaisesti, mutta kalojen on täytynyt kehittää erikoisia mekanismeja sopeutuakseen elämään vedessä.
Johdanto
Kaikilla ihmisillä on sydän- ja verisuonijärjestelmän lisäksi myös imusuonet. Verenkierto kuljettaa happea ja ravinteita, mutta mitä imusuonijärjestelmä tekee? Verisuonet ovat läpäiseviä pienille molekyyleille, enimmäkseen vedelle. Koska veremme on sydämen pumppauspaineen ja painovoiman aiheuttaman hydrostaattisen paineen alla, nestettä karkaa jatkuvasti verisuonista, erityisesti pienimmistä verisuonista eli hiussuonista. Tätä ilmiötä kutsutaan hiussuonisuodatukseksi. Suurin osa nesteestä palaa välittömästi takaisin verenkiertoon hiussuoniston laskimopäässä, mutta ei kaikki. Imusuonijärjestelmä kerää ylijäämän ja palauttaa sen takaisin verenkiertoon. Lisäksi imusuonet ovat valtateitä ja partioreittejä immuunisoluille. Imusuonia kutsutaan usein myös lymfaattisiksi suoniksi.
1900-luvun alkuun mennessä ihmisen sydän- ja verisuonijärjestelmän toimintaperiaate oli selvitetty perusteellisesti, ja tutkijat olettivat, että muut selkärankaiset eläimet, myös kalat, muistuttavat ihmistä veri- ja imusuonten toiminnan suhteen. Kuitenkin, kun vuonna 1981 saksalainen tutkija Walter Vogel yritti tutkia tarkemmin kalojen imusuonistoa, hän ei löytänyt sitä.1 Sen sijaan Vogel havaitsi, että kaloilla on kaksi rinnakkaista verenkiertojärjestelmää. Kalojen fysiologian oppikirjoja oli muutettava: kaloilla ei ole imusuonistoa! Toista verisuonijärjestelmää alettiin kutsua sekundaariseksi verisuonijärjestelmäksi. Vuonna 2006 tutkittiin seeprakalojen alkioita paremmalla tekniikalla, ja näillä pikkuruisilla kaloilla oli sittenkin imusuonet.2 Siitä lähtien tutkijat ovat kiistelleet siitä, onko kaloilla imusuonistoa.
Tutkimuksessamme tarkastelimme, kuinka kalojen verisuonistoa koskevat monet erilaiset ja usein kiistanalaiset kokeelliset kuvaukset voisivat sopia yhteen yhtenäiseksi kokonaisuudeksi.
Miten tutkimus tehtiin?
Kokosimme katsausartikkeliin (review article) kaikki kalojen veri- ja imusuonistoon liittyvät aiemmat tutkimukset. Katsaus eroaa siten kokeellisesta tutkimuksesta, jossa tehdään yksityiskohtaisia mutta laajuudeltaan rajallisia ja kuvailevia kokeita. Katsauksessa esitimme myös kehittämämme kalojen verisuonistoa kuvaavan mallin, joka kuvaa sekundaarista verisuonijärjestelmää, alkionkehitystä ja evoluutiota sekä järjestelmän toimintaa.
Mallimme on yhdenmukainen kokeellisten tutkimusten kanssa. Vanhin löytämämme tutkimus, jossa kuvattiin sekundaaristen verisuonten ja lymfaattisten verisuonten eroja, on yli 145 vuotta vanha. Eniten tietoa on saatu kokeellisista tutkimuksista, jotka on tehty viimeisten 20 vuoden aikana käyttäen kehittyneitä kuvantamistekniikoita, geneettistä analyysia ja havaintoja kalojen kehityksestä ja fysiologiasta. Erittäin valaisevia tutkimuksia on tehty Tukholman Karoliinisessa instituutissa, jossa tutkijat käyttivät läpinäkyviä lasimonneja verisuonten suoraan havainnointiin3, sekä Israelin Weizmann-instituutissa, jossa tutkijat tarkastelivat verisuonten kehitystä seeprakalojen evissä.4 Mallimme selittää suurimman osan niistä kokeellisista tuloksista, joita sadat tutkijat ovat tuottaneet viimeisten 250 vuoden aikana.
Mitä tutkimuksessa löydettiin?
Katsauksen pohjalta kehittämämme mallin perusteella kalojen ja ihmisen verisuonijärjestelmän kehitys alkaa hyvin samankaltaisesti. Ensin muodostuu sydän- ja verisuonijärjestelmä. Myöhemmin imusuonisto lähtee liikkeelle keskeisistä alkion laskimoista kasvavana ulokkeena, joka yhdistyy muiden solujen kanssa muodostaen imusuoniston. Ihmisillä kehitys pysähtyy tähän, mutta useimmilla kalalajeilla jotkut imusuonet alkavat muuttua takaisin verisuoniksi. Tätä kutsutaan transdifferentiaatioksi, joka tapahtuu ennen kalan aikuistumista. Nämä ”uudet” verisuonet muodostavat rinnakkaisen sekundaarisen verisuonijärjestelmän. Koska kaikki imusuonet eivät muutu takaisin verisuoniksi, ja koska eri kalalajit eroavat toisistaan transdifferentioitumisen laajuudessa, aikuisilla kaloilla tavataan vaihtelevissa suhteissa imusuonia ja sekundaarisia verisuonia (ks. Kuva 1). Jotkin suuremmat verisuonet ovat jopa yhteisiä imu- ja verisuonijärjestelmän kesken.
Hapenottokyky vedestä on kalojen elämää eniten rajoittava tekijä. Vesi sisältää vähemmän happea kuin ilma, ja sen happipitoisuus vaihtelee myös suuresti. Siksi kalojen on täytynyt kehittää mekanismeja, jotka maksimoivat hapenoton ja minimoivat hapen menetyksen. Kalan iho on niin läpäisevä, että verisuonet voivat imeä happea ihon läpi. Kalat voivat kuitenkin myös menettää happea ihon kautta, jos ne uivat vähähappisessa vedessä. Siksi ne ovat kehittäneet sekundaarisen verisuoniston. Sekundaarinen verisuonisto sijaitsee pääasiassa kehon pinnalla. Liitoskohdissa, joissa verta kulkee primaarisesta verisuonistosta sekundaariseen, on sekundaarisella verisuonistolla ainutlaatuinen kyky säätää punasolujen sisäänpääsyä. Happirikkaissa vesissä sekundaarisen verenkierron punasolut voivat täyttyä ympäröivän veden hapella ihon kautta, mutta kalojen uidessa happiköyhissä vesissä punasolut eivät voi menettää happea veteen, koska ne eivät pääse kehon pinnalle.
Mallimme auttaa selittämään, kuinka kalat ovat onnistuneet kehittämään näin tehokkaita menetelmiä estääkseen punasolujen hapen menetyksen uidessaan happiköyhissä vesissä. Kaloja pidetään usein yksinkertaisina eläiminä, mutta itse asiassa ne ovat selkärankaisten joukossa kaikkein monipuolisin ryhmä. Kaloilla on sopeutumismahdollisuuksia, joista muut eläimet voivat vain uneksia. Useimmilla kalalajeilla on yksi sydän, mutta joillakin on pyrstöevän tyvessä toinen sydän. Joillakin lajeilla on kidusten lisäksi keuhkot. Toiset voivat elää yli 400 vuotta, kun taas osa pystyy kävelemään maalla ja jopa kiipeämään vesiputouksia ylös. Joillakin on kyky tuottaa korkeajännitesähköä, toisilla taas on kyky vaihtaa sukupuoltaan. Muutamien lajien verestä puuttuu kokonaan hemoglobiini, mutta se sisältää jäätymisenestoaineita, joiden ansiosta ne selviävät pakkasessa. Eräillä lajeilla koiras jopa sulautuu pysyvästi naaraaseen ja jää elämään vain siittiöitä tuottavana loisena.
Monet tutkijat ovat ehdottaneet selityksiä tälle hämmästyttävälle kalojen monimuotoisuudelle. Yksi mahdollinen selitys on se, että noin 96 prosenttia kaikista kaloista kuuluu niin sanottuun teleostiryhmään. Tämän ryhmän genomit ovat monistuneet täydellisesti noin 335 miljoonaa vuotta sitten. Genomin monistumisen ansiosta evoluutio pystyi kokeilemaan vapaammin erilaisia muunnoksia, esimerkiksi kehittämällä vanhoille geeneille uusia toimintoja. Elämän kannalta olennaisten geenien toiminnan menettämisen vaara oli pieni, koska genomista oli aina olemassa varakopio. Tämä saattaa selittää monet kaloissa havaitut erikoisuudet, kuten sekundaarisen verisuoniston.
Lopuksi
Evoluution aikana veri- ja imusuonijärjestelmä on sopeutunut muuttuvaan ympäristöön. Sen oli ensin sopeuduttava yhä vuotavampiin suonistoihin, kun elämä siirtyi vedestä maalle ja uudelleen, kun evoluutio keksi kaksijalkaiset. Myös vedessä pysyneiden kalojen suonisto kehittyi edelleen. Objektiivisen biologisen systematiikan (”kladistiikan”) näkökulmasta olemme kaikki kaloja. Ihmiset kuuluvat kalojen alaryhmään, jota kutsutaan nimellä ”lihaseväiset”. Jotkut tämän ryhmän kalat ovat sopeutuneet kävelemään maalla. Kutsumme näitä kaloja tetrapodeiksi eli nelijalkaisiksi. Jotkut tetrapodit ovat kehittäneet kovakuorisia munia hyytelömäisten munien sijaan, jotka ovat elinkelpoisia vain vedessä. Kutsumme näitä kaloja nimellä vesikalvolliset. Joillekin vesikalvollisille kaloille kehittyi istukka, jonka ansiosta ne pystyvät synnyttämään elävänä. Kutsumme näitä kaloja istukkanisäkkäiksi. Joillekin istukkanisäkkäille kehittyivät suuret aivot, abstrakti ajattelu, kulttuuri ja kieli. Kutsumme näitä kaloja ihmisiksi. Monien muiden kalaryhmien joukossa tetrapodit ovat siis vain yksi ”pieni” kalaryhmä, jonka monimuotoisuus on rajallinen.
Nykyisten vedessä elävien kalojen verisuoniston kehitys on kestänyt yhtä kauan kuin meidän ihmisten verisuoniston, eikä se ole sen alkeellisempi kuin meidänkään. Se on vain sopeutunut erilaisiin evoluutiopaineisiin. Kalojen evoluutio on meidän evoluutiotamme, sillä ihminen on vain hyvin erikoistunut kalatyyppi. Sekundaarisen verisuoniston ymmärtäminen kaloissa antaa tutkijoille lisätietoa verenkiertojärjestelmien kehittymisestä, ja se voi myös tuottaa uutta tietoa ihmisen sairauksista. Jos tutkijat pystyvät selvittämään, miten kalojen verisuonet muuttuvat imusuoniksi, se saattaa avata uusia mahdollisuuksia verisuonisairauksien hoitoon, jotka ovat edelleen yleisin kuolinsyy ihmisillä. Muita tutkijoita on kiehtonut se, miten kalat voivat hengittää ihon kautta, ja pystyvätkö muut eläimet samaan. He havaitsivat, että jotkut kilpikonnat nukkuvat talviunia veden alla ilman keuhkohengitystä ja luottavat hapenottoon takapuolensa kautta, jossa on runsaasti verisuonia.5 Japanilaiset tutkijat ovat menneet vielä pidemmälle ja osoittaneet, että jopa siat voidaan pitää hengissä ainoastaan hapettamalla peräsuolen kautta. He ehdottavat, että tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää myös henkeä uhkaavasta keuhkojen vajaatoiminnasta kärsivien ihmispotilaiden elossapitoon.6