Evolúcia moderného života predstavuje veľkú drámu a súčasne nesmiernu záhadu. Ako sa z jedinej osamelej bunky, plávajúcej kdesi v predkambrijskom mori, mohla nakoniec zrodiť jabloň, žirafa či netopier?
Nie je práve zrod moderného života najlepším dôkazom pre tých, čo tvrdia, že bez zázračného zásahu zhora by sme dnes stále žili v mori v podobe oddelenej bunky?
Na počiatku bola bunka
Na počiatku zložitého života bol organizmus tvorený jedinou bunkou. V období pred približne 500 miliónmi rokov alebo ešte skôr sa však akosi úplne nenápadne začali z jednobunkových organizmov formovať zhluky mnohobunkového života.
Tieto zhluky najskôr tvorilo iba niekoľko spolupracujúcich buniek. Postupne sa rozrastali, až dosiahli kritické štádium, začali sa deliť, zomierať - a spolupracovať.
Prečo sa to stalo, nevieme. No už tušíme, ako sa to stalo, alebo aspoň ako sa to mohlo stať.
Vďaka výskumu dvoch amerických vedcov bezpečne vieme, že tento proces nie je ničím božským, keďže ho možno zopakovať v laboratóriu pomocou jednoduchého experimentu.
Objav z laboratória
William Ratcliff a Michael Travisan z Minnesotskej univerzity simulovali kľúčové kroky vzniku mnohobunkového života v laboratóriu. Základom ich experimentu boli obyčajné pivovarské kvasnice, jednobunkový organizmus, ktorý je v prírode veľmi rozšírený.
Kvasnice sa po niekoľkých jednoduchých mechanických krokoch vyvinuli v mnohobunkové zhluky, začali sa množiť a prispôsobovať svojmu životnému prostrediu.
Vedci možno pozorovali ten istý proces, ktorý stál na prahu dnešného pozemského života. Výsledky výskumu publikovali v prestížnom časopise Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Ďalšími autormi boli Ford Denison a Mark Borrello.
„Objav, že deľba práce v týchto zhlukoch, podobných snehovým vločkám, sa vyvinula tak rýchlo, je veľkým prekvapením,“ povedal George Gilchrist z americkej Národnej vedeckej nadácie (NSF), ktorá výskum sponzorovala.
„Prvý krok k mnohobunkovému komplexnému životu koniec koncov ani nevyzerá až taký zložitý, ako si to až doteraz evolučná teória predstavovala.“
Stretnutie pri káve
Začiatkom jednoduchého, no pozoruhodného výskumu bolo stretnutie pri káve. Will Ratcliff a Michael Travisan sa zhovárali o tom, ako prekročiť prekážku, oddeľujúcu jednobunkový život od mnohobunkového. Život v podobe jedinej bunky ovládal zem tri miliardy rokov. Čo nastalo potom?
Vedci sa zhodli, že by bolo fantastické zistiť, čo také sa odohralo, aby jednotlivé bunky začali spolupracovať. Muselo to byť zjavne niečo absolútne výnimočné.
Na túto tému existovalo veľa teórií, no málo pokusov. „Nemyslím, že by toto niekto skúšal pred nami,“ povedal Ratcliff. „Vlastne ani neexistuje veľa vedcov, ktorí sa zaoberajú evolúciou experimentálne; snažia sa o evolúcii uvažovať, nie odhaľovať postupy, ktoré sa v nej uplatnili.“
Zjavne aj v evolučnej biológii, parafrázujúc Richarda Feynmana, bol až doteraz najobľúbenejším pracovným nástrojom kôš na papiere.
Ako experiment prebiehal? Známy jednobunkový organizmus, pekárske kvasnice (Saccharomyces cerevisiae) sa odjakživa používajú na výrobu chleba a piva.
Vedci si ich vybrali preto, že sa ľahko množia a v prírode sú veľmi rozšírené. Vložili ich do živného roztoku a nechali ich počas jedného dňa rásť v skúmavkách.
Potom použili odstredivku, aby oddelili obsah skúmaviek podľa hmotnosti. Ako sa zmes usadzovala, hmotnejšie zhluky buniek „pristávali“ na dne rýchlejšie. Tie vedci použili na ďalšiu kultiváciu v čerstvom roztoku. Postup opakovali každý deň počas dvoch mesiacov.
Pre evolúciu sú dva mesiace smiešny časový úsek. Napriek tomu už po šesťdesiatich dňoch vyzerali zhluky stoviek jednotlivých buniek ako sférické snehové vločky, čiže mali pravidelný tvar.
Analýza ukázala, že to neboli iba zhluky, ktoré k sebe náhodne prilipli; tieto bunky už zostali spojené aj po tom, čo sa bunky začali deliť.
Zhluk buniek kvasníc, s ktorým pracovali Ratcliff a Travisano.
Spoločný genetický osud
Povedali by sme, že v tomto okamihu ich už začal spájať spoločný genetický osud, a genetická zhoda podporuje spoluprácu.
Keď zhluky dosiahli kritickú hranicu, niektoré bunky zomreli v procese zvanom apoptóza (programovaná bunková smrť), čím dovolili deliť sa svojim potomkom, ktorí v sebe mali ich genetickú informáciu. Potomstvo sa začalo rozmnožovať až potom, čo dosiahlo veľkosť svojich rodičov.
„Zhluk sám osebe ešte nie je mnohobunkový,“ povedal Ratcliff. „Ale keď v ňom bunky začnú spolupracovať, začnú sa obetovať pre spoločný prospech a prispôsobovať sa zmene, sme svedkami toho, čo možno nazvať evolučným prechodom k mnohobunkovému organizmu.“
Aby sa taký organizmus sformoval, väčšina buniek musí obetovať svoju jedinečnosť, svoju schopnosť reprodukcie, čo je prejavom altruizmu, uprednostňujúceho záujmy celku pred záujmami jednotlivej bunky, povedal Ratcliff.
Napríklad všetky bunky v ľudskom tele sú v podstate iba podporným systémom, ktorý umožňuje pomocou spermií a vajíčok preniesť DNA do ďalšej generácie.
Mnohobunkovosť je vo svojej podstate veľmi kooperatívna; spomeňte si na teóriu sebeckého génu, s ktorou prišli George Williams a William Hamilton a ktorú tak úspešne spopularizoval Richard Dawkins - cieľom génu je prejsť do ďalšej generácie, takže musí spolupracovať so všetkými, čo mu to umožnia.
„Organizmy, ktoré majú najväčšiu šancu prežiť, sú tie, ktoré vedia najlepšie spolupracovať,“ povedal Travisano. „Náš experiment to potvrdil.“
Fosílie v mrazničke
Biológovia odhadujú, že mnohobunkové organizmy vznikli z jednoduchších foriem nezávisle približne v 25 prípadoch.
Travisano a Ratcliff sa pýtajú, prečo evolúcia tento proces nepoužila častejšie, keďže nie je zložité zopakovať ho ani v laboratóriu pomocou takých jednoduchých nástrojov, akými sú kvasnice, skúmavka s živným roztokom a centrifúga. Na zemi predsa žili milióny rokov ohromné množstvá jednobunkových organizmov vedľa seba.
Odpoveď na túto otázku možno zistia biológovia po tom, čo zanalyzujú „fosílny záznam“ mnohých generácií zhlukov kvasníc, uložených v mrazničkách v Travisanovom laboratóriu.
Zmrznuté vzorky obsahujú veľa rôznych bunkových línií, ktoré sa stali mnohobunkovými nezávisle od seba. Vedci ich môžu porovnať a zistiť, čo stojí za premenou v každom konkrétnom prípade: ten istý mechanizmus alebo iný? Tie isté gény alebo rozdielne?
Ďalším krokom bude skúmať, akú úlohu hrá mnohobunkovosť pri vzniku rakoviny, pri starnutí a v iných kľúčových oblastiach biológie.
Napríklad rakovinu iba nedávno vedci prirovnali k fosílii z čias vzniku mnohobunkovosti, takže teraz dostali šancu skúmať ju s použitím toho istého mechanizmu, ktorý sa uplatnil pri spájaní kvasníc v laboratóriu.
„Experimentálne skúmanie starnutia alebo iných vývojových a evolučných problémov bolo až doteraz veľmi zložité alebo nemožné,“ povedal Travisano.
Zatiaľ nevieme, či sa zapíše uvedený experiment do dejín vedy rovnako nezmazateľne ako pokus Stanleyho Millera z Chicagskej univerzity, ktorý v päťdesiatych rokoch 20. storočia taktiež s použitím jednoduchých nástrojov a postupov ukázal jednu z možných ciest premeny anorganických zlúčením na organické.
Vzhľadom na záujem, ktorý vyvolala práca minnesotských vedcov v celom svete, to však nie je vylúčené.
Hlavný zdroj: webové stránky americkej Národnej vedeckej nadácie (NSF)
