1. oldal

Első pillantásra nem sok hasonlóságot lehet felfedeznia fa, az annak leveleit rágcsáló hernyó, a gyökerein élő gomba, a törzse mellett növő fű, és az árnyékában elheverő ember között. A látszat azonban csal: ha elég közelről vizsgáljuk meg mindezen élőlényeket, hamar rádöbbenünk, hogy mikroszkopikus szinten meglepően egyformának mutatkoznak, hiszen megegyező szerkezetű sejtekből épülnek fel. Ezen alapegységek központjában a genetikai állományt tartalmazó sejtmag található, amelyet egy membrán választ el a sejt többi részétől. Az ezt körülvevő citoplazmában sokkal kisebb egységek, apró sejtszervecskék vannak, amelyek specifikus feladatokat látnak el, például molekulákat tárolnak, vagy fehérjéket építenek. A sejtszervecskék közt találjuk a mitokondriumokat is: ezek a bab alakú struktúrák a sejt erőműveiként szolgálnak, vagyis energiát termelnek és azt makromolekulák formájában raktározzák.

Minden eukarióta sejt hasonlóan néz ki, létezik azonban a sejteknek egy másik típusa, amely ettől eltérő felépítést mutat, és legalább egymilliárd évvel ősibb eredetű az eukariótáknál. A prokarióták csoportjába tartozó élőlények minden esetben egysejtűek, és jóval kisebbek, mint egy tipikus eukarióta sejt. A két csoport közti legfontosabb eltérés, hogy a prokariótáknak nincs elkülönült sejtmagjuk, és egyéb membránnal körülhatárolt sejtalkotókkal sem rendelkeznek. A prokarióta mikroorganizmusok, az ősbaktériumok és a baktériumok egyszerű felépítésük és egysejtűség voltuk ellenére nagyon is szívós teremtmények. A Föld minden zugában képesek megélni a legmagasabb hegycsúcstól a legmélyebb tengerig (és még ezeken túl is).

Felépítésük azonban korlátozza komplexitásuk mértékét. Bárhova nézünk, mindenütt léteznek prokarióták, de a Földet beborító erdőket és mezőket eukarióta szervezetek építik fel, ezek vándorolnak keresztül-kasul a bolygón táplálék és pár után kutatva, és ők építették azokat a rakétákat és űrhajókat, amelyekkel végül a Holdra is eljutottak. A prokarióta sejt eukariótává alakulása valószínűsíthetően a földi evolúció legfontosabb lépése volt. Ami azonban igazán meglepő a dologban, hogy 3 milliárd év alatt csak egyetlen egyszer történt meg, és mindannyian ehhez az eseményhez vezethetjük vissza létezésünket.

Az élet tele van komplex struktúrákkal, amelyek újra és újra kifejlődtek. Az egysejtűekből több tucatszor jöttek létre többsejtű életformák. A látószervtől az ultrahangos tájékozódóképességig számtalan olyan része van az élőlényeknek, amelyek egymástól függetlenül többször is kialakultak a fejlődés során. Az első eukarióta sejt létrejötte azonban a jelek szerint egyszeri és megismételhetetlen esemény volt.

A baktériumok sokféle módon próbáltak meg összetettebbekké válni. Akadnak köztük mikrobiális léptékben óriási nagyra nőttek, és vannak olyanok is, amelyek szorosan együttműködő kolóniákban élnek, mintha egyetlen organizmus tagjai lennének. Egyikükben sincs meg azonban minden olyan elem, ami az eukarióta sejteket olyan sikeressé tette: a nagy méret, az elkülönült sejtmag, a belső terekre tagolt citoplazma és a sejtszervecskék.

A bolygón rengeteg nagyon gyorsan adaptálódni képes baktériumfaj létezik, a többsejtűségnek azonban mégis csak egyetlen módja alakult ki a földi evolúció során, és erre is jó sokáig kellett várni. A fosszilis bizonyítékok alapján a legkorábbi egysejtűek 3−3,5 milliárd évvel ezelőtt jelentek meg a planétán, az első eukarióták felbukkanására azonban csak 2,1 milliárd évvel ezelőtt került sor. A szakértők régóta kutatják a választ arra a kérdésre, hogy miért tartott ennyi ideig, és pontosan hogyan zajlott az eukarióták kialakulása.

Erre számos lehetséges magyarázat létezik, a legszélesebb körben elfogadott elmélet azonban az, miszerint egy prokarióta sejt valahogyan egy másik sejt belsejébe került, és megtalálta a módját, hogy túléljen odabent. A belső sejt lassan feladta önállóságát, és egyre több dologban támaszkodott a gazdasejtre, míg lassan kialakult belőle az első mitokondrium. Mivel az újdonsült sejtszervecske rengeteg energiával volt képes ellátni a sejtet, egészen újfajta fejlődési utak nyíltak meg a mikroorganizmus előtt. Ha ez a történet igaz, akkor minden eukarióta élőlény, minden növény, gomba, pók, papagáj és ember ennek a két mikrobának az egyesüléséből jött létre. Ha a hihetetlen találkozás nem történt volt meg, a bolygót valószínűleg ma is kizárólag baktériumok laknák.

Egy orosz biológus, Dimitrij Szergejevics Mereskovszkij volt az első, aki 1905-ben felvetette annak lehetőségét, hogy az eukarióta sejtek egyes részei egykor önálló mikrobák voltak, amelyek később szimbiotikus kapcsolatot alakítottak ki gazdasejtjükkel. A szakértő úgy gondolta, hogy mind a sejtmag, mind a kloroplasztisz ilyen eredetű. A mitokondrium hasonló fejlődésének lehetőségéről Ivan Wallin amerikai anatómus értekezett először 1923-ban.

Az elméleteknek nem sok visszhangjuk volt egészen 1967-ig, amikor Lynn Margulis amerikai biológus úttörő tanulmányábanszámba vette mindazon bizonyítékokat, amelyek azt támasztják alá, hogy a mitokondrium és a kloroplasztisz egykor önállóan élő baktériumok voltak, amelyeket azonban bekebelezett egy ősi mikroba. Ez lehet a magyarázat arra, hogy a sejtszervecskék saját genetikai állománnyal rendelkeznek, és külsőre is hasonlítanak a baktériumokra, érvelt Margulis. A tanulmány óriási port kavart tudományos körökben, mivel az úgynevezett endoszimbionta-elméletet egészen addig megalapozatlan őrültségnek tartották. A szakértők többsége meg volt győződve róla, hogy a mitokondrium a sejt belsejében, annak eleve meglévő részeiből alakult ki, Mereskovszkij teóriája pedig olyan tabunak számított, amellyel az ember művelt társaságban egyszerűen nem hozakodott elő.

2. oldal

Margulis munkáját ennek megfelelően rengetegen kritizálták, ő azonban hasonló elszántsággal védte elméletét, és ebben egyre több új eredmény is segítette. A genetika fejlődésének köszönhetően kiderült például, hogy a mitokondriális DNS sok szempontból hasonlít az önállóan élő baktériumok örökítőanyagára. Napjainkban már nagyon kevesen vannak, akik kételkednek abban, hogy valóban egy bekebelezett egysejtűből alakult ki a sejtszervecske, amely lehetővé tette a növények és az állatok kifejlődését.

Arról azonban továbbra is megoszlanak a vélemények, hogy a nagy találkozásra és egyesülésre pontosan mikor és milyen résztvevőkkel került sor. Az ezzel kapcsolatos elméletek két nagyobb csoportba sorolhatók. Az egyikbe azon teóriák tartoznak, amelyek szerint a prokarióták úgy váltak eukariótákká, hogy méretük megnövekedett, kialakult bennük az elhatárolt sejtmag, és elkezdtek egész sejteket bekebelezni. Ezen elméletek hívei szerint a mitokondrium beszerezése csak az egyik lépése volt ennek a hosszú, fokozatos fejlődési folyamatnak.

A másik elméleti irányvonal szerint nem egy hosszadalmas darwini folyamat vezetett az eukarióták létrejöttéhez, hanem két mikroba (egy baktérium és egy ősbaktérium) véletlenek sora által lehetővé tett egyesülésével, egyetlen lépésben született meg az újfajta sejttípus első képviselője. Ennek a feltevésnek a legkorábbi változatát, az úgynevezett hidrogén-hipotézist Bill Martin és Müller Miklós fogalmazták meg 1998-ban. Elképzelésük lényege az volt, hogy egy ősbaktérium, amely sok más társához hasonlóan hidrogént és szén-dioxidot kötött meg, hogy metánt állítson elő, partnerségbe kezdett egy baktériummal, amely hidrogént és szén-dioxidot termelt. Idővel elválaszthatatlanokká váltak, és a baktériumból létrejött a mitokondrium.

Bár ezen a vonalon is számtalan elméletváltozat létezik, egy dologban egyezik a kutatók véleménye: a másik sejtet bekebelező gazdasejt egy „mezei” prokarióta volt, egy közönséges ősbaktérium. Vagyis nem volt nagyobb társainál, nem rendelkezett különálló sejtmaggal, és nem volt félúton az eukariótává válás útján. A változások csak azt követően indultak be, hogy egyesült a baktériummal, egészen addig csak egy volt a Föld többi hasonló egysejtűje közül. A mitokondrium kialakulása tehát ezen felfogás szerint nem egyszerűen az eukariótává válás egyik állomása volt, hanem annak legfontosabb lépése: az egyesüléssel egy egészen újfajta élőlény jött létre, minden eukarióta teremtmény közös őse.

Ennek hangsúlyozása azért fontos, mert ha ez utóbbi feltevés támogatóinak igazuk van, akkor az eukarióták nem úgy jöttek létre, mint ahogy a látószerv, a fotoszintézis vagy a szárazföldi élet kialakult, vagyis nem adaptálódások és kudarcok sora eredményezte az újfajta életet, hanem egy végtelenül valószínűtlen, egyszeri esemény, amelyre a bolygón mindössze egyetlen egyszer került sor.

1977-ben Car Woese mikrobiológus felvetette, hogy a különböző élőlényeket genetikai állományuk alapján is össze lehetne hasonlítani. Napjainkban ez az eljárás már mindennaposnak számít, akkoriban azonban még elsősorban a külső fizikai jegyekből igyekeztek levezetni a fajok közti evolúciós kapcsolatokat. A gének összevetése merész, és nagyon újszerű ötletnek tűnt. Woese vizsgálódásai során a 16S rRNS-re koncentrált, egy olyan génre, amely fontos szerepet játszik a fehérjeszintézisben, és minden élőlényben megtalálható. A szakértő úgy érvelt, hogy amikor két faj fejlődése különválik, génjeik az idő múlásával egyre jobban el fognak térni egymástól. Egy gén hasonlóságai és különbözőségei alapján tehát felvázolható az élővilág családfája.

A Woese-féle családfa mindenkit meglepetésként ért, ugyanis három főágra oszlott: a baktériumokon és az eukariótákon kívül az említett gén alapján kirajzolódott egy harmadik csoport is, ez néhány furcsa prokariótából tevődött össze, amelyek nagyon forró, barátságtalan környezetben élnek. Woese archeáknak, avagy ősbaktériumoknak nevezte el ezeket, és kijelentette, hogy ezek alkotják az élővilág harmadik birodalmát vagy doménját. Olyan volt, mintha egészen addig mindenki évek óta ugyanazt a térképet bámulta volna, Woese pedig egyszer csak az asztalhoz lépve udvariasan rámutatott volna, hogy a lepedőnyi lap nincs teljesen kihajtogatva.

Woese kutatásai alapján úgy tűnt, hogy az ősbaktériumok az eukarióták rokonai, és együtt váltak le a baktériumok fejlődési vonaláról, mielőtt evolúciójuk kettéágazott volna. A kilencvenes években aztán ez az elmélet kezdett megkérdőjeleződni, mivel ahogy egyre több eukarióta gént szekvenáltak a szakértők kiderült, hogy akadnak köztük olyanok is, amelyek a baktériumok génjeihez állnak közelebb, az ősbaktériumokban találhatókra pedig kevésbé hasonlítanak. A három domén pontos viszonya minden újabb gén tanulmányozásával átrendeződni látszott.

A következő fontos lépést James Lane tette meg 2004-ben, aki egyetlen gén helyett két eukarióta, három baktérium és három ősbaktérium teljes genomját vetette össze. A kutatás eredményei az endoszimbionta-elmélet egy lépésben lezajlott verzióját támasztották alá. Az analízis alapján úgy tűnt, hogy az első életformák fejlődése két irányba folytatódott, a baktériumok és az ősbaktériumok ágán, majd ezek közül kettőnek az egyesüléséből alakult ki az első eukarióta sejt, amely aztán egy új domén kiindulópontja lett. Ezt erősítette meg egy három évvel későbbi, sokkal átfogóbb vizsgálat is, amelynek során James McInerney 168 prokarióta és 17 eukarióta genomját hasonlította össze több mint 5700 gén alapján.

Az egyesülés nyomai máig látszanak a génállományon. Az eredetileg az ősbaktériumhoz és a baktériumhoz tartozó gének némileg másként működnek, és más feladatokat is látnak el, illetve elsődlegesen saját „fajtájukkal” dolgoznak együtt. Az ősbaktériumtól származó gének elsősorban a másolásban és a DNS-sel kapcsolatos egyéb tevékenységekben vesznek részt, míg a bakteriális eredetűek felelnek a tápanyag lebontásáért és feldolgozásáért, illetve az egyéb „mindennapos” tevékenységekért. Bár az ősbaktériumtól eredő génekből jóval kevesebb van, mint a baktériumtól származókból, az előbbiek fontosabbnak tűnnek. Majdnem kétszer olyan aktívak, kulcsfontosságú fehérjéket kódolnak, és hibás működésük könnyen a sejt halálához vezethet.

Mindez további érvekkel támasztja alá a hirtelen egyesülés elméletét. Amikor a két egysejtű összeolvadt, a bekebelezett baktérium génjeinek egy létező és működő rendszerbe kellet beépülniük, és bár sok helyen leváltották az eredeti géneket, a legfontosabb feladatokban még 2 milliárd évvel később is az ősbaktériumtól eredő DNS diktál.

3. oldal

Ha a hirtelen egyesülés teóriáját igaznak feltételezzük, abból az következik, hogy valamennyi eukariótának rendelkeznie kell mitokondriummal. A nyolcvanas években azonban egyre inkább úgy tűnt, hogy akadnak kivételek. A Giardia nevű bélparazita például ilyen: egyetlen sejtből áll, amely ostorainak csapkodásával mozog, két sejtmaggal is rendelkezik, tehát egyértelműen eukarióta, viszont nincs mitokondriuma.

A Giardián kívül több ezer hasonló egysejtű létezik, amelyekről egy ideig úgy hitték, hogy talán az eukarióták primitív, prokariótákból lassan kifejlődött elődeinek másai lehetnek. Létezésük arról tanúskodott, hogy a mitokondrium kialakulása kései fejlemény volt az eukarióták létrejötte során. Pár évvel később azonban kiderült, hogy a Giardia és hasonszőrű társai olyan géneket is hordoznak, amelyekkel kizárólag az eukarióták mitokondriumaiban lehet találkozni. Ezek az egysejtűek tehát valószínűleg egykor rendelkeztek a sejtszervecskékkel, azonban fejlődésük során elvesztették vagy átalakították ezeket valamilyen más összetevővé. Vagyis valójában nem ősi formájukban megőrződött primitív eukarióták, hanem fejlett, kései kialakulású mikrobák, amelyek parazita életmódjuk miatt lemondtak egyik komplex összetevőjükről.

Arra a kérdésre, hogy miért csak egyszer, egy óriási véletlennek köszönhetően alakult ki az eukarióta sejttípus, és hogy miért nem formálnak a prokarióták többsejtű szervezeteket, Nick Lane és Bill Martin 2010-ben egy tanulmányformájában adtak választ. Ebben számításokkal levezették, hogy prokariótáknak egyszerűen nincs elég energiájuk arra, hogy eukarióta módra éljenek. Ahhoz, hogy egy sejt összetettebb legyen, a szerzők elmondása szerint nagyobb genomra van szüksége. Az átlagos eukarióta genom napjainkban nagyjából 200 ezerszer nagyobb, mint a prokarióta genom. Minél nagyobb azonban egy génállomány annál több energiába kerül működtetni. Ha egy baktérium genomja tízszeresére duzzadna, durván tízszer annyi energiára lenne szüksége ahhoz, hogy az új fehérjéket képes legyen legyártani.

Erre az egyik megoldás a méret megnövelése. A prokarióta sejt energiatermelő folyamatai annak membránjain zajlanak, és a nagyobb méret nagyobb membránfelülettel is jár. Minél méretesebb azonban egy sejt, annál több fehérjét kell gyártania, vagyis egy ponton túl már nem lesz képes annyi energiát előteremteni, mint amennyire szüksége lenne. Ha egy prokarióta sejt akkora genomra tenne szert, mint az eukarióták, annyira kevés energiát tudnak fordítani az egyes gének működtetésére, hogy a kisebb méretű sejtek könnyedén leköröznék mindenben.

A prokarióták tehát akkor járnak jól, ha aprók és egyszerűek maradnak, és ez látszik fejlődésük irányán is. A prokarióta evolúció egyre kisebb, egyre kompaktabb genomok felé törekszik, amelyekben egymást átfedve sorakoznak a gének. Egyetlen egyszer azonban megtörtént valami, aminek alig volt esélye: egy prokarióta sejt bekebelezett, és használni kezdett egy másikat, teljes mértékben átírva ezzel az élet addigi játékszabályait. A mitokondrium belső membránja óriási felületű, így nagyszámú energiatermelő folyamatnak ad helyet. Ennek felügyeletéhez persze külön irányítóközpontra van szükség, amelynek a lelke a mitokondrium saját genetikai állománya.

A prokariótáknak viszont nincsenek hasonló erőműveik, és bár sokan közülük igyekeznek a reakciókhoz szükséges felületet a membrán redőzésével növelni, nincs külön központjuk arra, hogy megfelelően menedzseljék az energiatermelést. Ez csak egy másik sejt bekebelezésével vált lehetségessé. A megnövekedett energiáknak köszönhetően aztán a genom is növekedésnek indulhatott, így újfajta gének, fehérjék, és funkciók születhettek. Mindezen evolúciós kalandok megkezdéséhez azonban először magasabb szintre kellett lépni az energiatermelésben, mondja Martin.

Mindez érdekes következményeket von maga után, ami a bolygónkon kívüli élet kérdését illeti. Mivel a magasabb szintű életformák kialakulása a jelek szerint a Földön egy szerencsés véletlen műve volt, kicsi az esélye, hogy intelligens fajokra bukkanjuk más bolygókon. Ahogy Lane 2010-ben megfogalmazta, az univerzum valószínűleg tele van baktériumokkal, az ezeknél összetettebb életformák azonban ritkaságszámba mennek. Ha pedig mégis léteznek valahol, sejtjeikben van valamilyen rendszer, amely a mitokondriumokhoz hasonlóan megtermeli, tárolja és szétosztja az energiát.

Az eukarióták eredete még korántsem tekinthető teljesen tisztázottnak. Bár a történet váza egyre pontosabban kirajzolódni látszik, számos kérdés akad, amelyre nincs válasz. Nem tudjuk, hogyan zajlott az ősbaktérium és a baktérium egyesülése, és hogy hogyan tudtak mindketten életben maradni, illetve az sem világos, hogy hogyan örökítették tovább állapotukat. Annyira régi eseményekről van szó, hogy a teljes igazságot valószínűleg sosem fogjuk megismerni. Mindenesetre az, amit a rendelkezésünkre álló információk alapján sejteni vélünk, rendkívül érdekes fényt vet saját létezésünkre, amely hihetetlenebb és valószínűtlenebb, mint valaha is gondoltuk volna.