Loisinfektiot vaikuttavat evoluutioon

Loisesta tulee mieleen vapaamatkustaja, joka yksinkertaisesti siipeilee haitallisesti isäntänsä kustannuksella. Vaikutukset ovat kuitenkin kauaskantoisemmat. Akatemiatutkija Anssi Karvonen selvittää, miten samanaikaiset loisinfektiot vaikuttavat niin loisten, tautien kuin isäntienkin evoluutioon.

Minkä pienenä oppii, sen isona taitaa!

"Lapsena kahlasin järvenrantoja, keräsin ämpäriin kaikenlaista kiinnostavaa ja tarkkailin vesieliöiden käyttäytymistä", Karvonen kertoo. "Aika hauskaa, että teen nykyään vähän samaa, kun kerään järvien rantamatalasta tutkimusnäytteitä!"

Luonnossa liikkuminen ja altistuminen Pohjois-Savon suurille järville antavat vinkkiä siitä, miksi Karvonen lähti lukemaan biologiaa. Tutkijanuraa hän ei muista tavoitelleensa vielä opiskeluvuosinaan, mutta taaksepäin katsellessa kuvio näyttää selvältä. Professori herätti kipinän vesieliöiden loisten ja isäntien välisiin vuorovaikutuksiin. Kiinnostuksesta versoi gradun ja väitöskirjan jälkeen tutkimushankkeita.

Loiset kuuluvat luontoon

Luonnossa eliö kantaa elimistössään kokonaisia loisyhteisöjä, joihin voi kuulua kymmeniä loislajeja ja satoja loisyksilöitä. Isännän matkassa voi olla myös erilaisia geneettisiä kantoja yhdestä lajista. Tilanne on enemmän sääntö kuin poikkeus, joten yhteisinfektioissa loiset ovat väistämättä vuorovaikutuksessa keskenään.

Karvonen selvittää akatemiatutkimuksessaan, miten loisten väliset suorat ja isännän vasteiden kautta välittyvät epäsuorat vuorovaikutukset muokkaavat infektioiden dynamiikkaa ja evoluutiota.

Kolmen isännän kautta kiertävä Diplostomum-loinen on lähes jokaisen luonnossa elävän makeanvedenkalan silmässä toukkana. Se aiheuttaa linssin samentumisena näkyvää kaihia. Karvonen määrittää luonnosta kerätyistä kotiloista vapautuvien loisten genotyypit mikrosatelliiteilla. Kaloja altistetaan toukille luonnonaltistuksen verran, ja kalojen saama loismäärä määritetään. Muuttujina käytetään mm. loisgenotyyppien määrää, altistusannosta sekä eri kalalajeja ja -kantoja. (Kuva: Anssi Karvonen)

Loiset lainehilla

Hahmotetaan lajien välistä vuorovaikutusta yksinkertaisesti. Kuvitellaan laineilla kulkeva vene (isäntä), jota keikuttavat kyytiin kiipeävät matkustajat (loiset) ja laineet (ympäristötekijät). Isäntäkin pystyy vaikuttamaan tilanteeseensa hakeutumalla seesteisille tai myrskyisille vesille. Ajan myötä havaitaan muutoksia (evoluutio) – tilanteissa, matkustajissa, veneessäkin.

Keskeistä on, että jos vene keikkuu liian rajusti, kaikille käy huonosti. Se ei palvele kenenkään selviytymistä.

Matkustajat voivat avittaa toisiaan veneen kyytiin. Ellei vene sitten ole antanut häiriköksi jo aiemmin todetulle matkustajalle porttikieltoa. "Havaintojemme mukaan samanaikainen iskeytyminen isäntään antaa loislajin kahdelle genotyypille paremman tartuntamenestyksen kuin yksin yrittäminen." Ehkä isännän puolustusjärjestelmä  väsyy niin paljon, ettei se jaksa pitää molempia kurissa. "Mutta jos isäntä on altistunut samoille loisille aiemmin, vastaavaa tartuntamenestyksen nousua ei havaita." Loisten pitäisi selviytyäkseen "harkita", millaisia isäntiä kannattaa infektoida – aiemmin altistumattomia tai jo altistuneita.

Veneeseen samanaikaisesti kiipeävät matkustajat keikuttavat venettä enemmän kuin yksinään. "Kaksi lajia tai saman loislajin geneettisesti erilaiset kannat aiheuttavat isäntään samanaikaisesti pesiytyessään yleensä haitallisemman taudin kuin infektoidessaan isännän yksinään." Mikäli kuormitus on liian kova, loisten elämän jatkuminen ei ole taattua. Evoluution pitäisi sekä isännän että loisten selviytymisen edistämiseksi lyödä kapuloita rattaisiin. Nämä valintapaineet pitävät tilannetta sopivasti kurissa.

Kolmipiikkejä käytetään useissa loistutkimuksissa. Kolmipiikkikoiraan kutuasu on värikäs, jolla se voi mahdollisesti viestittää naaraalle vastustuskyvystään loisia vastaan. Kuva on Karvosen postimerkkikokoelmista. (Kuva: Anssi Karvonen)

Evoluutiobiologi on kokonaisuutta pohtiva ketjuajattelija

Isäntien ja loisten väliset suhteet ovat yksi osa-alue lajien välisistä vuorovaikutuksista. Niitä tutkitaan evoluutioekologiassa, joka on ekologian ja evoluutiobiologian rajapinnassa. Karvonen antaa esimerkin siitä, millaista ketjuajattelua vuorovaikutussuhteiden ratkominen on:

"Lähdetään siitä, millaisia vaikutuksia, positiivisia tai negatiivisia, genotyypiltään erilaisilla loisilla on toisiinsa. Samalla muistetaan, että isäntien vasteet vaikuttavat loisyhteisön rakenteeseen. Mutta ei unohdeta, että esimerkiksi korkea tai matala loisinnan taso voi aiheuttaa erilaisia puolustus- tai käyttäytymisvasteita eri isäntäpopulaatioissa eri ympäristöissä. Se voi tarkoittaa esimerkiksi evolutiivisia muutoksia siinä, miten isännät puolustautuvat loisia vastaan."

Ekosysteemi antaa Karvoselle eteen äkkiseltään laskettuna äärettömän määrän muuttujia. Miten hän saa puristettua tutkimusasetelmat ja muuttujat esiin elämän kokoisesta sekamelskasta?

"Biologisessa tutkimuksessa olosuhteiden vakiointi on haastavaa. Se luo vaihtelua, vaikka tutkimusmenetelmät olisivat samat. Mutta vaihtelu on luonnossa se mielenkiintoinen seikka. Miksi toinen eliö, vaikkapa lajin genotyyppi, käyttäytyy eri tavalla kuin toinen? En näe toistettavuutta ongelmana, vaan on tärkeää suunnitella hyviä kokeita, jotka vastaavat kyseessä olevaan kysymykseen. Sen jälkeen yleistettävyyttä voidaan testata eri ympäristöissä eri olosuhteissa."

Kenttätutkija kahlaa rantamatalikossa

Kerrankin tutkijan työnkuvaus vastaa maallikon mielikuvia! Ison datan maailmassa kuulostaa raikkaalta, että touko-syyskuun ajan biologimme saa kahlata rantamatalikoissa keräämässä tutkimusaineistoa. Yltiöromanttista ei kenttätutkijankaan arki ole, ja kesän töissä on kääntöpuolensa. Loma lykkääntyy usein syksyyn.

Toinen puoli vuodesta vierähtää toimistossa analysoimassa kenttäkauden aineistoja ja kirjoittamassa julkaisuja. Karvonen toteaa, että tulosten julkaisu ja tiedon saattaminen muiden tutkijoiden ja yhteiskunnan saataville on tärkeä osa tutkijan työtä. "Tervettä kunnianhimoa kehiin: tuloksille kannattaa tavoitella julkisuutta hyvissä julkaisusarjoissa, jotta saa laajasti huomiota."

"Tutkijan aikaa kuluu aina myös kirjallisuuden seuraamiseen, rahoituksen hakemiseen, opetukseen, opinnäytetöiden ohjaamiseen ja kongressiosallistumisiin."

Tutkijat arvostavat lähes poikkeuksetta sitä, että ammatissa saa keskittyä itseään kiinnostaviin asioihin. Mutta! "Tutkijantyö on hiukan epävarma ammatti, koska rahoituksista kilpaillaan ankarasti. Pitää osata perustella tutkimusaihe hyvin, jotta menestyy rahoitushauissa. Vasta sitten pääsee tekemään niitä asioita, joita pitää tärkeinä ja kiinnostavina."

Hyödyllistä tietoa loisia vastaan

Siinä missä moni loistutkimus perustuu laboratoriokantoihin, Karvosen syynissä ovat luonnonloiskannat ja luonnolliset kalaisännät. Projektissa on tutkittu aivan ensimmäistä kertaa myös täysin erilaisten loislajien – loismatojen ja bakteerien – geneettisiä vuorovaikutuksia.

Karvonen kerää arvokasta tietoa. Miten vuorovaikutussuhteet vaikuttavat loisten tartuntamenestykseen, tarttumisstrategioihin ja niiden kykyyn aiheuttaa tauteja erilaisissa tilanteissa? Miten isännän puolustusvasteet – esimerkiksi immunologinen vaste – kehittyy eri loisinfektioiden myötä? Miten vasteet vaikuttavat tuleviin tartuntoihin ja loisten kehittymiseen?

Tietoja hyödynnetään taistelussa loishaittoja vastaan. Koska tutkimuskohteena on kala, sovelluksia tehtäneen nopeimmin kalanviljelyssä, mutta toivottavasti myös laajemmin. Suora vaikutuslinja on myös ihmisten ja tuotantoeläinten terveyteen. "Tuloksemme täysin erilaisten loislajien kyvystä vaikuttaa toistensa haitallisuuteen tarkoittaa, että vastaavia vuorovaikutuksia voi olla myös muissa systeemeissä. Sillä voi olla vaikkapa lääketieteellistä merkitystä."

Jatko on Karvoselle selvä: "Seuraavaksi haluaisin ymmärtää paremmin, miten loisen ja isännän ulkoinen ympäristö vaikuttaa näihin vuorovaikutuksiin. Tätä kautta saisin laajemman käsityksen lois- ja isäntägenotyyppien sekä ympäristön välisistä vuorovaikutuksista niin luonnossa kuin tuotantoympäristöissä."

Kolmipiikkejä pyytämässä Pohjois-Islannissa. Nykyisen akatemiaprojektin lisäksi Karvonen on tutkinut erilaisissa ympäristöissä elävien kolmipiikkimorfien loisia mm. Sveitsissä ja Islannissa. (Kuva: Christian Rellstab)

Teksti: Nina Mäki-Kihniä