Minden általunk látható élőlény szabad szemmel láthatatlan elődökkel rendelkezik. Minden ember, madár, fa és virág pár milliárd évvel ezelőtt élt, mikroszkopikus, egysejtű organizmusoktól származik. Ezen mikrovilág makrovilággá válása, vagyis a többsejtű szervezetek megjelenése a földi evolúció történetének egyik legmeghatározóbb lépése volt. Ugyanakkor talán ezt a lépést a legnehezebben utólag rekonstruálni.

A többsejtű élőlények nagy méreteikkel, komplex testükkel, specializálódott szöveteikkel és szerveikkel sokkal bonyolultabbak, mint az egysejtűek, ezért szinte képtelenségnek tűnik, hogyan alakulhattak ki az utóbbiakból az előbbiek. A valóságban azonban a folyamat viszonylag egyszerű lehetett, mondja William Ratcliff, a Georgia Tech evolúcióbiológusa. A szakértő tudhat valamit, hiszen neki és csapatának néhány év alatt sikerült „lemásolnia” az evolúció ezen kulcslépését a laboratóriumukban.

A hópelyhek evolúciója

Ratcliff 2010-ben kezdett a sörélesztővel, azzal az egysejtű gombával dolgozni, amelyet a kenyér és a sör készítéséhez használunk. Az élesztőgombákat folyadékkal teli csövekben növesztette, majd amikor kellő mennyiségre tett szert, megrázta az adott csövet, majd a leggyorsabban leülepedő sejteket használta fel új kultúrák létesítéséhez. Ezzel az egyszerű eljárással, vagyis az összetapadó és gyorsabban leülepedő sejtek előnyben részesítésével mindössze 60 nap alatt gyökeresen átformálta az élesztőt. Amikor egy sejt kettévált, az új sejtek egy idő után nem sodródtak szét, mint általában szoktak, hanem összetapadtak, és gyönyörű, elágazó hópelyheket hoztak létre, amelyek több tucat sejtből álltak. Az élesztőgomba mindössze két hónap alatt többsejtűvé fejlődött.

Ezen a ponton azonban úgy tűnt, hogy megrekedt az ügy. Ratcliff azt remélte, hogy a hópelyhek egyre nagyobbak és összetettebbek lesznek, de a bosszantóan sérülékeny struktúrák soha nem nőttek néhány száz sejtnél nagyobbra. A fő problémát pontosan az elágazó szerkezet jelentette: mivel bármelyik törés képes volt egy nagy darabot leválasztani a fő pehelyről, ez azt jelentette, hogy a csoport ereje, bármilyen nagy is, akkora volt, mint bármely két sejt közötti kapcsolat ereje, magyarázza Ratcliff. A hópelyhek pedig egy bizonyos méret elérése után akkor is eltörtek, ha alig érte őket behatás.

G. Ozan Bozdag, Ratcliff csapatának egyik tagja azonban érdekes megoldást talált a problémára: megfosztotta a hópelyheket az oxigéntől. A szakértők általában abból indulnak ki, hogy az oxigén segíti a többsejtűséget. De mivel a kisebb organizmusok hatékonyabban tudják felhasználni az oxigént, mint a nagyobbak, Bozdag arra gondolt, hogy utóbbiak előnyre tehetnek szert a gáz hiányában. Ezt az elképzelést a 2018-ban kezdte tesztelni a korábbihoz hasonló, az élesztőgombás csövek rázásán és ülepítésén alapuló kísérlettel.

Az elején semmi meglepő nem történt, az oxigénhiányos körülmények között növesztett hópelyhek hónapokig mikroszkopikusak maradtak. Aztán körülbelül egy év elteltével Bozdag saját szemével is látni kezdte a csomókat.

A csövekben immár jól látható pacákként jelentek meg, amelyek közül a legnagyobbak az egy milliméteres átmérőt is elérték, vagyis akkorára nőttek, mint egy-egy ecetmuslica.

Új szerkezet, új szerepek

Ratcliff Peter Yunker fizikussal közösen dolgozva kimutatta, hogy a hópelyhek úgy törték át a méretplafont, hogy minden egyes sejt meghosszabbodott és megerősödtek a sejtek közötti kapcsolatokat. De ami még ennél is fontosabb, teljesen új szerkezetet alakítottak ki, amit a csapat egy nagy teljesítményű mikroszkóp segítségével jelenített meg. Az „ágak” elkezdtek egymás köré tekeredni, immár nem egy sugárirányban kifelé hópelyhet, hanem sűrű, csomós indák tömegét alkotva.

Ez a szerkezet megakadályozza, hogy a részek könnyen letörjenek, és hihetetlen ellenállóképességet kölcsönöz a szerkezetnek: az élesztőgombákból nőtt hópelyhek általában százszor gyengébbnek bizonyultak a zselatinnál, de amikor összefonódtak az ágak, akkor a fák erejével és szívósságával rendelkeztek. Összességében olyan struktúrát alakítottak ki, amit Ratcliff szerint már joggal lehet testszerűnek nevezni.

„Ez a legizgalmasabb kutatás, amit az utóbbi időszakban ideje láttam” – mondja Leslie Babonis, a Cornell Egyetem evolúcióbiológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. Szerinte az eredmények azt mutatják, hogy a többsejtűség igazi kihívása nem csupán abban áll, hogy a sejtek összekapcsolódnak a szomszédaikkal, hanem abban is, hogy milyen erős ez a kapcsolat. A komplex struktúra önmagában nem elég, az is szükséges, hogy ez ellenálló legyen, és ne essen könnyen szét. Az organizmusok csak akkor tudnak összetettebb tulajdonságokat kifejleszteni, mint a specializálódott szövetek és szervek, ha a szerkezet tartósan képes fennmaradni.

Ratcliff és csapata ennek is tanúja volt a kísérletek során. Míg a mikroszkopikus hópelyhekben minden sejt nagyjából egyformán viselkedett, de a nagyobb csomókban a sejtek legalább három különböző szerep egyikét öltötték magukra:

Utóbbi elsőre meglepőnek tűnhet, de szintén fontos a megfelelő szerkezet kialakításában, és abban is, hogy a csomók szaporodjanak azáltal, hogy apró darabkákat választanak le magukról, szétszórva ezeket a környezetben. A komplex élesztőgomba-telepek még arra is kifejlesztettek egy módszert, hogy folyadékot áramoltassanak a struktúrában, tápanyagokat juttatva a mélyebben található sejtekhez, és elszállítva ezektől a salakanyagokat.

Variációk többsejtűségre

Az alapszintű keringés, az életciklus, a munkamegosztás csupa olyan, újonnan kialakuló tulajdonságok, amelyek csak akkor jöhetnek létre, ha az élesztőgombák erős testet fejlesztenek. És olyan tulajdonságok ezek, amelyek alakulását nem lehet megjósolni egy-egy alkotósejt tanulmányozásával. Mindezek azt sugallják, hogy a kísérletek során kapott, nagyobb telepek valóban többsejtű organizmusokként léteznek és fejlődnek, olyan egészként, amely több, mint részek puszta összege.

A földi élet története során a többsejtűség legalább 25-ször alakult ki egymástól függetlenül a releváns kutatások alapján. A gombák körében talán éppen a Ratcliff élesztőgombái által demonstrált módon, kis sejtcsoportokból, amelyek komplex összefonódások révén erősödtek meg. Az állatok, amelyeknek másfajta egysejtű őseik voltak, valószínűleg más módon váltak többsejtűvé.

De ezen eltérések ellenére a többsejtűség kialakulásának minden története ugyanannak az alapvető folyamatnak egy variánsa, véli Ratcliff.

„Ha visszatekintünk a jelenből, elsőre el sem tudjuk képzelni, hogyan fejlődhettek ki a többsejtű állatok egysejtű őseikből, mert ez olyan nagy változásnak látszik” – mondja Ratcliff. „De éppen ez a szép ezekben a kísérletekben: ha éles próbáljuk ki, minden apró változás értelmet nyer, és egészen egyszerűnek tűnik.”

A szakértő és társai azt még nem tudják, milyen további változások várnak saját élesztőtelepeikre, de remélik, hogy tovább bonyolódik a történet. Bozdag oxigénszegény kísérlete a mai napig folyamatban van, és generációról generációra változik. Ratcliffel úgy tervezik, hogy amíg erővel bírják, tovább nevelgetik az élesztőgombákat, érdeklődve várva, hogy mi lesz belőlük.