Hárommilliárd évvel ezelőtt a földi élet nagyon egyszerű volt: egysejtűek uralkodtak, amelyek nem sok mindent tartalmaztak. A prokarióta sejteknek nevezett életformákhoz tartoznak a mai baktériumok és archeák is. Ezek lényegében laza molekuláris részeket tartalmazó zsákok, amelyek sekély, ősi tócsákban vagy a mélytengeri óceáni kürtők környékén kavarogtak együtt, energiát vonva el a környezetből, miközben úgy szaporodtak, hogy egy sejt két utódsejtre osztódott. Aztán egy napon az egyszerű sejtek vadonja valami összetettebbet termelt ki: kialakultak az eukarióta sejtek, a ma élő növények, állatok és gombák alkotóegységei.
Az eukarióta sejtek megjelenése átalakította a bolygót. Ma minden komplex, többsejtű élőlény, vagyis minden szabad szemmel látható életforma eukarióta sejtekből áll. Senki sem tudja biztosan, hogyan keletkezett az első eukarióta, de a biológusok úgy vélik, hogy a baktérium- és archeasejtek közötti kölcsönhatások során legalább egymilliárd évébe telt, mire végül létrejött. „Az eukarióták a baktériumok és az archeák furcsa keverékei” – mondja Leigh Anne Riedman, a Kaliforniai Egyetem paleontológusa, aki a korai életet tanulmányozza. „Még mindig tisztázni próbáljuk, hogy pontosan hogyan alakultak ki, és milyen elődökből.”
Színre lépnek a szervek
Az eukariótákkal jelent meg a szervezettség a sejtekben, mind abban az értelemben, hogy bennük a korábbinál kötöttebbé, szervezettebbé vált a különböző funkciók helye, mind abban, hogy ezek már változatos sejtszervecskékkel, vagyis sejtszintű szervekkel rendelkeztek, amelyek helyet adtak ezeknek a funkcióknak. Az eukarióta sejtek belsejében olyan önálló, membránhoz kötött csomagok vannak, amelyek speciális funkciókat látnak el, ezeket nevezzük organelláknak, vagyis sejtszervecskéknek. Minden eukarióta sejt – legyen az állati, növényi, gombás vagy protiszta – rendelkezik egy sejtmaggal, amely a DNS-t tárolja és védi. Szinte mindegyiknek vannak mitokondriumai, amelyek energiát termelnek a biokémiai reakciókhoz. (Minden olyan eukarióta leszármazási vonal, amelyből esetleg ma hiányoznak a mitokondriumok, korábban rendelkezett ezekkel, majd az evolúciós történelem során vesztette el őket).
Az evolúció során a különböző eukarióták további sejtszervecskéket fejlesztettek ki vagy szereztek be, amelyek fehérjéket állítanak össze, vizet tárolnak, kémiai energiává alakítják a napfényt, biomolekulákat emésztenek meg, megszabadulnak a salakanyagoktól, és így tovább.
Ha a prokariótákat egy padlóra dobott papírhalomnak tekintjük, az eukarióták egy kifinomult iktatórendszer szerint szerveződnek, amelyben a lapok szabályosa csomagokba vannak kötve és felcímkézve. „Van endoplazmatikus retikulumuk, Golgi-apparátusuk, peroxiszómáik, lizoszómáik, vakuolumaik – mindezek a gépezetek nincsenek jelen a baktériumok vagy az archaeák sejtjeiben” – mondja Thijs Ettema, a Wageningeni Egyetem evolúciós mikrobiológusa.
Hogy mindez hogyan történt, az nem teljesen világos, de napjainkban a legtöbb szakértő egyetért abban, hogy 2–3 milliárd évvel ezelőtt egy archeasejt bekebelezett egy baktériumsejtet, amely valahogy megúszta a megemésztést, és alkalmazkodott a gazdatestben való élethez. Ebből a baktériumból fejlődött ki az a szerv, amelyet ma mitokondriumként ismerünk. Ezen esemény óta az eukarióta sejt újra és újra átalakult. és változatos formái alakultak ki, a kettő ostorral rendelkező diplomonádáktól kezdve a parazita kisspórásokig, amelyek rugószerű csöveket lövellnek ki, hogy megfertőzzék a célba vett sejtjeket.
Egy ponton a mitokondriumok kialakulásának folytatásaként egy eukarióta elnyelt egy cianobaktériumot, amely képes volt a fotoszintézisre – vagyis arra, hogy a napfényt a szén levegőből való kinyerésére használta és kémiai energiává alakította. Az eukarióta családnak ebből az ágából, amely szert tett a kloroplasztiszoknak nevezett zöld sejtszervecskékre, alakultak ki a növények és más fotoszintetizáló organizmusok.
Aztán az elmúlt egymilliárd évben egyes eukarióták elkezdtek együttműködni. A laza szerveződésekből kolóniák lettek, amelyek tovább szerveződtek, aztán egész sejtek kezdtek specializálódni, vagyis egyedi funkciókat végezni, és kialakultak a komplex, többsejtű élőlények. A többsejtűség a kifinomultság még magasabb szintjeit nyitotta meg, így jöttek létre a gombák, a fák és az emberek. Az eukarióták azóta az egész világon elterjedtek, megtelepedtek a gleccsereken, a sivatagokban és mindenütt a kettő között. Az eukarióták sikerének titka, hogy nagyok, mozgékonyak és éhesek, mondják a szakértők, és rendelkezésükre állt a makroszkopikus élet ökológiai fülkéje.
Az eukarióták kihasználatlan terepet találtak az élővilágban, és úgy fejlődtek, hogy betöltsék és majd kiterjesszék azt.
Az első gazdasejt
A biológusok sok évtizeden át az eukariótákat a földi élet három fő rendszertani országa egyikének tekintették. Az élőlényeket sejttípusok szerint három különböző kategóriába sorolták: ezek a baktériumok és az archeák, amelyek egyformán prokarióta sejtekből állnak, de van köztük, néhány kulcsfontosságú különbség – például a sejtmembránjukban és a szaporodásukban –, valamint az eukarióták, amelyek egy nagyon más sejttípusból állnak. A szakértők úgy vélték, hogy a baktériumok, az archeák és az eukarióták mindegyike egymástól függetlenül fejlődött ki egy-egy korábbi ősből.
A legújabb kutatások azonban megváltoztatták ezt a nézetet. Az elmúlt évtizedekben egy kétágú evolúciós fa vált elfogadottabbá, amely szerint az eukarióták nem az archeákkal párhuzamosan, hanem az archeákból alakultak ki. Ezt az elméletet támasztják alá a közelmúltban végzett vizsgálatok, amelyek legutóbbi prokarióta ősünk kilétének feltárására irányultak, annak az ősi sejtnek a leírására, amelyből egy baktérium bekebelezése után kialakult az eukarióta sejttípus. Az elmúlt évtizedben ehhez érdekes támpontokat nyújtott az asgardoknak nevezett archeák, legközelebbi élő prokarióta rokonaink felfedezése.
Ettema 2015-ben az Atlanti-óceán fenekén található szulfidkürtők között kezdte keresni a rejtélyes első gazdasejt nyomait. A víz alatti kürtők kiváló helyszínei lehettek az említett eredeti sejt élőhelyeként, mivel kémiai energiában gazdag forró vizet ontanak magukból, amelyet egyes prokarióták arra használhatnak, hogy energiát termeljenek maguknak. A szakértő és kollégái egy Loki kastélyaként ismert területről gyűjtött mikrobiális iszapot, majd visszatérve a laboratóriumba, egy metagenomikai technikával rekonstruálták az egyes sejtek genomját.
Ettema és csapata meglepődve tapasztalta, hogy a várt archea- és baktériumgének között gyanúsan eukarióta kinézetű géneket is találtak. További vizsgálatok nyomán pedig találtak valamit, ami talán a hiányzó láncszem lehet az eukarióta evolúció megértéséhez: egy prokariótát, amelynek genomjára eukarióta komplexitás jellemző. A mikrobát Lokiarchaea névre keresztelték el az otthonául szolgáló területről.
Ettema gyanította, hogy az ebből a később asgardoknak elnevezett családból származó sejtek meggyőző jelöltek lehetnek arra az első éhes gazdasejtre, amely elnyelt egy baktériumot, amelyből kialakult a mitokondrium. Ez az ősi asgard aztán az eukarióta ágként fejlődhetett tovább, míg az asgardok családjának többi tagja prokariótaként folytatta. „Minden asgard archea, amelyet ma látunk, bukott eukarióta” – mondja a kutató.
A szakértők azóta a világ számos részén, többek között Észak-Karolinában és a Yellowstone Nemzeti Parkban is találtak asgard DNS-t. Azonban mindössze két laboratóriumban sikerült asgard sejteket tenyészteni. Ezek a sejtek számos eukariótákra jellemző tulajdonsággal rendelkeznek, például aktin nevű fehérjékből felépülő citoszkeletonjuk, belső sejtvázuk lehet. A kutatások azonban még a kezdetükön járnak, és a legtöbb ilyen sejt szerkezete és funkciói nem ismertek.
A legtöbb kutató azonban egyetért abban, hogy az asgardok az eukarióták legközelebbi ismert prokarióta rokonai. A modern asgardok ugyan nem a mi őseink, de valószínűleg létezett egy közös ősünk valamikor a múltban.
„Azt mondhatjuk, hogy az eukarióták ugyanúgy asgardok, ahogy a madarak dinoszauruszok. Tulajdonképpen az unokatestvéreink”
– mondja Itay Budin, a Kaliforniai Egyetem biokémikusa.
Szervek és szervezettség
Azt a folyamatot, amely során egy sejt egy szabadon élő baktériumot saját sejtgépezetévé alakított – ezt endoszimbiózisnak nevezik –, még mindig nagyrészt homály fedi. A legtöbb biológus úgy véli, hogy egy prokarióta „lenyelt” egy másikat egy fagocitózisnak nevezett folyamat során. A fagocitózis azonban sok energiát igényel. Sőt, olyannyira energiaigényes, hogy egyesek szerint lehetetlen lett volna anélkül, hogy a gazdasejt ne rendelkezett volna már energiatermelő mitokondriumokkal – ami egy trükkös, mikrobiális mi volt előbb, a tyúk vagy a tojás vitát alapoz meg.
A modern asgardok olyan magyarázatot kínálnak, amely megoldhatja ezt a problémát: a citoszkeletonjuk azt sugallja, hogy apró, karszerű nyúlványokat használhatnak a prokarióta táplálék befogására, anélkül, hogy ehhez mitokondriumokra lenne szükségük. Talán az első eukarióta ősük is ezt tette.
Nem ez azonban az egyetlen homályos része a folyamatnak. A kutatók azt is vitatják, hogy a mitokondriális baktérium, amely valószínűleg az alfaproteobaktériumoknak nevezett változatos, ősi osztályba tartozott, egyáltalán az első endoszimbionta volt-e. Bár az eukarióta genom az archea- és a baktériumgének keverékének tűnik, sok gén nem vezethető vissza az alfaproteobaktériumokra vagy az evolúciós fán közeli baktériumokra, mondja Toni Gabaldón evolúcióbiológus, akinek a barcelonai Biomedicinális Kutatóintézet munkatársa. „Lehet, hogy léteztek más szimbionták, és más organellumok, amelyek hátrahagytak néhány gént. Nagyon keveset tudunk arról, hogy ez hogyan történt” – folytatja a kutató.
Az eukarióták eredetéig visszavezethető szálak kibogozását lehetetlen lehet a több milliárd év genetikai káoszából kihámozni. Az elkövetkező évtizedekben új metagenomikai technikákkal, például a mikrobafossziliák elemzése és az indukált endoszimbiózis tanulmányozása azonban magában hordozza a lehetőséget, hogy további nyomokat tárjon fel eredetünkkel kapcsolatban. Ahogy mondta Gabaldón mondja:
„Az eukarióták kapcsán az a leglenyűgözőbb, hogy még mindig nem értjük, hogyan jöttek létre. Elképesztően sokfélék, mindenhol megtalálhatóak, és sokféle életmódhoz alkalmazkodtak, de még mindig rengeteget kell feltárnunk róluk.”
