JACOPIN / BSIP / AFP
Tudomány

Ez az evolúció kétmilliárd éves rejtélye

Az evolúció egyik legmeghatározóbb mérföldköve, amikor egyszerű „zsákocskákból” létrejöttek a minden mai, magasabb rendű szervezetet alkotó eukarióta sejtek. Látjuk a kiindulópontot és a végeredményt, a folyamatot azonban nem ismerjük: olyan, mintha egy egyszerű léggömb hirtelen bonyolult, soktornyos ugrálóvárrá válna. Magyar kutatók világszinten is jelentős, elismert munkát végeznek a „nagy ugrás” felderítése érdekében, ami úgy is történhetett, hogy az egyik sejt bekapott egy másikat, csak nem emésztette meg.

Az evolúció az élőlények állandó változása az élő és élettelen környezet jelentette kihívásokra. Ha úgy tetszik, egy évmilliárdok óta szüntelenül futó verseny tele zsákutcákkal, „tragédiákkal”, ahol a győztes jutalma a túlélés, a vesztes pedig eltűnik a Föld színéről. Emberi léptékkel rendkívül lassú folyamatról van szó, földtörténeti időskálán viszont egy lassú kezdet után igencsak felpörögtek az események.

Ahogy az élet keletkezése, úgy ez a „lassú kezdet” is meglehetősen homályos, a tudomány jobbára közvetett bizonyítékok alapján próbálja megérteni az élet őstörténetét. Nagyjából 3,8–3,6 milliárd éve jelentek meg az első, még egysejtű élőlények, az úgynevezett prokarióta szervezetek, azaz baktériumok, majd eltelt kétmilliárd év, mire felbukkannak a következő nagy lépés képviselői, az eukarióta egysejtűek.

Kétmilliárd évvel ezelőtti ugrás

A „lépés” valójában egy hatalmas ugrás volt, az egyik legjelentősebb evolúciós mérföldkő: az eukarióták a baktériumokhoz képest már rendkívül összetett lények, belőlük épül fel aztán minden magasabb rendű életforma, minden növény, állat és gomba. Az az élővilág, amit ma is ismerünk.

A prokariótából eukariótába való átmenethez (több szakszó nem lesz, és ezeket is rövidesen elmagyarázzuk) két külön prokarióta sejt egyesülésére, összeolvadására volt szükség. Hogyan történt ez az ősi, még külön élő sejtek esetében? Milyenek voltak ezek az ősök? Milyen átmeneti formák léteztek, és hol vannak a nyomaik? Mi ugyanis csak a végeredményt ismerjük, vagyis a teljesen kész, összetett eukarióta sejtet, amely számtalan hasznos evolúciós újítással bír egy baktériumhoz képest.

Laikus példával élve, mintha egy léggömbből szobákkal, tornyokkal rendelkező ugrálóvár fejlődne, de nem ismerjük a folyamatot, már csak a lufit és a kész várat látjuk. A közbülső, mintegy kétmilliárd év evolúciója egy olyan kutatási terület, ahol – ősmaradványok és egyéb korabeli nyomok híján – a biológia kiegészül az elméleti, matematikai modellezéssel.

Az evolúció eme mérföldkövének vizsgálatában magyar kutatók világszinten is elismert, jelentős munkát végeznek, a lehetséges „forgatókönyvekről” Dr. Zachar István evolúcióbiológussal, az Ökológiai Kutatóközpont Evolúciótudományi Intézetének tudományos főmunkatársával beszélgettünk.

Legalább 3,8 milliárd éves az élet

Földünk nagyjából 4,3 milliárd éve került olyan állapotba, hogy felszíne kihűlt, megszilárdult, és megjelent rajta a folyékony halmazállapotú víz, az első óceánok. Ezt követően gyorsan, legalábbis geológiai időskálán mérve gyorsan, már 4 milliárd éve megjelentek olyan biogeokémiai folyamatok, amelyek nyomait ma is őrzik a korabeli kőzetek, és amelyeket az élet kezdeti jeleinek tekintünk. Az ezekért felelős legősibb életformáktól nem maradtak fenn fosszíliák, nincsenek kézzel fogható bizonyítékok, de közvetett módon mégis nyomot hagytak maguk után.

A biogeokémiai ciklusok úgy módosították például a szén-, a kén- és az egyéb izotóparányokat a Földön, amiről biztosan állíthatjuk, hogy biogén hatásra, azaz biológiai életfolyamatok eredményeképp jöttek létre

– mondja a 24.hu-nak Zachar István. Ezeket az izotóparányokat pusztán geológiai folyamatokkal nehéz lenne megmagyarázni, biológiai folyamatokkal ugyanakkor nagyon könnyű.

Nem tudjuk, milyen volt a kezdeti élet. Vajon léteztek már sejtek, vagy csak valamilyen elosztott metabolikus (a szó anyagcserét jelent) ciklusok működtek az ősóceánban?

Az első, egyértelműen sejtes szervezethez köthető maradványokat még pár százmillió évvel későbbről, körülbelül 3,8–3,5 milliárd évvel ezelőttről ismerünk: ezek a viszonylag közismert sztromatolitok. Már korábban kialakulhattak, de az első, ma ismert maradványaik az említett időszakból származnak, 1–200 millió évvel azután, hogy megjelentek az első biogén eredetű jelek. Innentől kezdve már egyértelműen életről beszélünk, bár a fogalom definiálása nehézkes, hiszen csupán egyetlen mintánk van a meghatározásra, mégpedig a földi élet.

A Zachar István által is követett kritériumrendszer szerint:

  • legyen olyan anyagcseréje, ami az egyensúlytól távoli állapotban tartja;
  • energia és anyag szempontjából nyitott legyen a külvilág felé;
  • tudjon növekedni és szaporodni;
  • el legyen határolva a környezetétől (sejthártya, az ember esetén a bőr stb.);
  • stabilan legyen képes a felépítéséhez szükséges információt örökíteni.

Ha ezek megvannak, az „illetőt” élőlénynek tekinthetjük.

Egyszerű kis zsákocskák

A sejtek megjelenésétől, azaz körülbelül 3,8 milliárd évvel jelenkorunk előtt kezdődően pedig már van, ami nyomot hagyjon. Az első ilyet a már említett sztromatolitok formájában ismerjük – fontos, hogy maga a sztromatolit nem egy sejtlenyomat vagy sok sejt lenyomata, hanem üledékes rétegek sora, ami egyértelműen sejtek eredménye –, úgy gondoljuk, kék moszatok voltak felelősek a létrejöttükért. Sekély, meleg vízű tengeröblökben éltek, vékony, „élő” bevonatot képeztek a különböző szilárd felületeken. Szén-dioxidból, vízből állítottak elő energiát a napfény segítségével, magyarán fotoszintetizáltak, ahogy minden mai növény. Ezen felül ezek az algák ragasztóval rögzítették magukat, a ragasztó által megkötött homokszemcsék, törmelék pedig évszázadok alatt rétegekben rakódott le, létrehozva a sztromatolitok kőgombáit.

Ezek voltak a prokarióták: sejtmag nélküli egysejtűek. Olyan apró kis »zsákocskák«, amelyben anyagcsere folyik, és van egy DNS-molekula, amely nem olyan kromoszómákban van feltekerve, mint a mi sejtjeinkben, hanem egy egyszerű lánc, ami körbeér

– fogalmaz a kutató.

Jean-Philippe Delobelle / Biosphoto / AFP Sztromatolitok.

Nincsenek komplex sejtszervecskéik és bonyolult belső struktúráik, nem képesek bekapni más sejteket (fagocitálni), nagyon sok olyan tulajdonságuk hiányzik, ami később, az eukariótáknál megjelenik. A sztromatolitokat képző sejtek mellett bizonyára más prokarióták is léteztek, csak éppen nem voltak annyira helyhez kötve, ezért ennyire jól meghatározható fosszíliáik sem maradtak fenn e korai időkből.

Unalmas kétmilliárd

Így jutunk el szűkebben vett témánkhoz, az eukarióták létrejöttéhez. Maga a megnevezés a struktúrájából fakad, görögül azt jelenti, valódi mag. Az eukarióták tehát már rendelkeznek sejtmaggal, olyan elkülönülő „zsákkal a zsákon belül”, amiben az örökítőanyag csoportosul. Evolúciósan előnyös, ha a sejtfolyamatok egymástól elkülönülve, egyfajta munkamegosztással zajlanak: esetünkben (és minden eukarióta sejt esetében) az anyagcsere a sejtplazmában van, miközben az örökítőanyag, mint a fennmaradás záloga biztonságosan őrződik a sejtmagban.

Ez azonban csak egyetlen aspektus, amiben az eukarióták különböznek a prokariótáktól, van még számos ilyen, de megdöbbentő módon egyetlen esetben sem látjuk a kialakulásának a folyamatát.

Nincsenek olyan átmeneti formák, amikben a tulajdonságok egy része már megjelent, de a sejt még nem igazi eukarióta.

Ez jelenti a hatalmas űrt, talán több százmillió évet is, aminek az elején ott a prokarióta, a végén pedig az eukarióta: semmi több, mint egy zsák, amiben úszik a DNS-lánc, illetve egy összetett rendszer sejtmaggal, sejtszervecskékkel, bonyolult belső membránrendszerrel, mitokondriummal, adott esetben zöld színtesttel, és még hosszan sorolhatnánk. Közöttük pedig nem tudjuk mi volt.

Az első eukarióták körülbelül 2 milliárd éve, nagyjából a földi élet felénél jöttek létre, és ha a prokarióták megjelenésére elfogadjuk a 3,8 milliárd évvel ezelőtti dátumot, akkor alig kevesebb, mint kétmilliárd évnyi fehér foltról van szó.

Az első, „unalmas” kétmilliárd évben a prokarióták uralták a földet, minden létező élőhelyet belaktak a tengerektől a szárazföldekig, ma is ott vannak mindenütt, a földi biomassza legtekintélyesebb részét alkotják. Aztán valami történt a földi élet felénél, ami oda vezetett, hogy létrejöttek az eukarióták.

A kritikus pont az, hogy jelenlegi ismereteink szerint a minden ma élő eukarióta utolsó közös őse látszólag a »semmiből érkezett«,  viszont szinte már minden olyan tulajdonsággal rendelkezett, mint a mai, magasabb rendű szervezeteket (minket, embereket is) alkotó eukarióta sejtek

– emeli ki Zachar István.

Beköltözött a másik testébe

Mit tehet az evolúciótudomány, hogy a gigantikus, üres vásznon megjelenítse a színeket és a formákat? Segítségül hívja az elméleti matematikát, amely például a csoportszelekciós elméletek alapján képes modellezni a lehetséges evolúciós folyamatokat, forgatókönyveket a betáplált „kezdőkörülményekből” kiindulva.

Ez az elméleti evolúcióbiológia, Zachar István kutatási területe. A laikus számára már maga az elnevezés is bonyolult, felesleges lenne belemenni a módszertan részleteibe, a szakembert inkább csak az eredményekről kérdezzük: hogyan jöhetett létre ez a hatalmas, az evolúció menetét alapjaiban meghatározó változás?

JACOPIN / BSIP / AFP Illusztráció az eukarióták kialakulásáról.

A folyamatot elindító lépés előzményeként tudni kell, hogy a prokarióták két nagy csoportra oszlanak, úgynevezett igazi baktériumokra és ősbaktériumokra. Tudjuk, hogy sokszor szoros kapcsolatban álltak egymással, amiből kölcsönös előnyük származott. A jelenlegi legelfogadottabb nézet szerint volt egy ősbaktérium, a „gazda”, amely talált egy baktérium partnert magának, és olyan szoros kapcsolatba került vele, hogy a „partner” beköltözött az ősbaktériumba.

Ennek mikéntjéről több elmélet is létezik.

  • Az egyik szerint az ősbaktérium bekebelezte a másikat, de nem emésztette meg, talán szűkösebb időkre tartogatta, de végül mégsem volt rá szüksége, így életben maradhatott a gazdasejten belül.
  • A másik úgy véli, a baktérium fertőzte meg a gazdát, élősködött benne.
  • Esetleg mindkettő számára előnyös csereviszonyban éltek, és ezt fűzték idővel szorosabbra.

De valójában mindegy is, hogyan antropomorfizáljuk őket, ki a cselekvő és ki a szenvedő, a végeredmény és a lényeg mindegyik elmélet esetében ugyanaz:

a gazda saját sejtszervecskéjévé alakította a baktériumot, belőle lett a mitokondrium, a gazdából pedig az eukarióta sejt.

Zachar István ismét remek példával segít. Képzeljük el, hogy lenyelünk egy parazitát, amely tanyát ver bennünk. Idővel kiderül, hogy nem is olyan kártékony ez a parazita, mert ugyan szívogatja a gyomrunkban az általunk megemésztett tápanyagokat, de cserébe ad is valamit, mondjuk egy vírus elleni rezisztenciát. Csakhogy 2 milliárd éve nem egy többsejtű szervezet nyelt le egy kórokozót, hanem két egysejtű lépett frigyre.

Energiaellátó egység került a sejtbe

A két prokarióta faj minden bizonnyal az összeolvadásuk előtt is egymás mellett élt, amiből kölcsönös előnyük származott, sikeresek voltak együtt. Kapcsolatuk azonban nem lehetett stabil: lemosódhattak egymásról, elsodródhattak, lecserélődhettek, bármi megtörténhetett. Ám ha az egyik beköltözött a másikba, bárhova is került az új sejt, a partnerei mindig vele voltak.

A csoport megbonthatatlan együttlétének olyan haszonnal kellett járnia, ami nemcsak az egyes résztvevők, de a csoport egésze számára is előnyt biztosított az amúgy csak egymás mellett élő partnerekhez képest. Ez a csoportelőny garantálta azt, hogy az együttműködő páros tartósan is együtt maradhasson és például túlszaporodhassa a szabadon élő versenytársakat.

Az együttélés ilyen „bensőséges” formája pedig az egysejtűek szintjén összeolvadást jelent. A baktérium a gazdasejtben élt, szaporodott, de valamiféle kontroll is kialakult, hogy a gazda ne eméssze meg, illetve ne is „robbanjon szét” a benne szaporodó tömegtől. Majd amikor osztódott, a partner másolataiból is jutott az újabb utódsejtekbe.

Az egyesülés egyben munkamegosztással is járt, ahol az egyes szereplők specializálódhattak bizonyos feladatokra, amiket így hatékonyabban tudtak elvégezni

– magyarázza Zachar István.

A beköltöző baktériumból lett tehát a mitokondrium. Ez a sejtszervecske felel minden mai eukarióta sejt – az emberi test összes sejtjében is jelen van – energiatermeléséért: nagyon hatékonyan alakítják a szerves molekulákat belélegzett oxigén segítségével energiává.

A terület egyik nagy kérdése, hogy az összeolvadás idején hogyan nézett ki a gazda, például volt-e már sejtmagja, vagy sem. Két nagy iskola létezik egymás mellett, a korai és késői mitokondrium-elméleteké. Előbbiek szerint a mitokondrium őse volt az első lépés az eukariótává válás során, jelenléte okán vált a gazdasejt alkalmassá a további eukarióta vívmányok elérésére. Utóbbiak szerint pont fordítva történt: előbb volt a sejtmag, kialakultak már az eukarióta sejt alapjai, ez tette lehetővé, hogy a gazdasejt felvegye a mitokondrium ősét.

Farmoló hipotézis: raktár a sejten belül

Visszatérve pár szóval az elméleti matematikai modellekhez, ez is egy borzasztó nagy kutatási terület. Nagyon leegyszerűsítve a kutatóknak van egy alap elképzelése az összeolvadási folyamatról, a farmoló hipotézis például arra a feltételezésre épít, hogy a gazda elég fejlett volt már egy másik sejt bekebelezéséhez. Ebből kiindulva arra keresik a választ, hogy ekkor milyen körülmények mellett érte meg neki a bekebelezett zsákmányt elraktározni (farmként tartani, ahogy például az ember tartja a sertést) ahelyett, hogy azonnal megemésztené.

A megoldás úgy szól, hogy a gazda elteszi a farmolt baktériumokat „rosszabb időkre”, mint egy sejten belüli raktárba, ám ez esetben életben is kell tartania őket. Ugyanis később, amikor a körülmények kedvezőtlenné válnak, az ilyen ragadozó előnyt élvez azokhoz képest, akik még szabadon úszó zsákmányra vadásznak. Hiszen neki „házon belül” van a táplálék.

A mitokondrium ősének is előnyös volt a fogság. Ha ugyanis nem túl hosszú a rossz időszak, és a gazda nem falja fel a kamra teljes tartalmát, akkor a farmolt sejt nagyobb eséllyel élhetett túl a védett közegben. A későbbiekben vagy kiszabadult, hogy újból a környezetben éljen, vagy akár tovább maradt a másik sejtben. Az utóbbi eset vezethetett el a zsákmány partnerré, mitokondriummá válásához – legalábbis a farmoló hipotézis szerint.

Wikipedia Két mitokondrium elektronmikroszkópos képe.

Mindez azonban csak egy elmélet a sok közül, amit Zachar István és kollégái 2018-ban modelleredményekkel támasztottak alá, és publikáltak:

Az egy a sok közül azt jelenti, hogy ezen a módon végbemehetett az összeolvadás, de egyelőre nem bizonyítható, hogy valóban így is történt, van még számos más elméleti lehetőség

– emeli ki, majd hozzáteszi: „és ez még mindig csak az első lépés, még mindig nem fixáltuk, hogyan állandósult a kapcsolat.

A történettel visszakanyarodtunk a tyúk vagy a tojás elsőségének dilemmájához, vagyis a már említett korai és késői mitokondrium-elméletek szembenállásához. Ha a gazda képes volt ragadozni, nem lehetett már tisztán prokarióta, eddigre jelentős változáson kellett átmennie. Ha pedig nem volt még alkalmas más sejtek bekebelezésére, hogyan került bele a mitokondrium őse? A tudomány számára ez is az eukarióták eredetének egyik nyitott kérdése.

Mint ahogy a következő nagy evolúciós lépés is az, miszerint hogyan kapcsolódtak egymáshoz, és alkottak egyre összetettebb szervezeteket az eukarióta sejtek? Érdekes belegondolni, hogy a földi élet hajnalán mondhatni ugyanaz játszódott le a mikrovilágban, ami sokkal később az emberi civilizációk alapját adta: az egyén lemond szabadsága egy részéről azért, hogy specializálódhasson, és egy közösség tagjaként sikeresebb legyen. De ez már egy másik cikk témája lesz.

Ajánlott videó