Az ELTE és a HUN-REN Ökológiai Kutatóközpont Evolúciótudományi Intézetének (HUN-REN ÖK ETI) kutatói a többsejtűség kialakulását vizsgálták az általuk fejlesztett egyedalapú számítógépes modellben. A PLOS Computational Biologyban megjelent eredmények igazolják, hogy az együttműködő (kooperáló) sejtek a térbeli aggregáció és a csoportszelekció révén változó környezetben is képesek túlélni minden további mechanizmus, például a ragadozók feltételezése nélkül.
A kutatók kétféle sejttípust modelleztek időben változó, térbeli környezetben. Az együttműködő sejtek ragasztót termelnek, amelynek segítségével összekapcsolódhatnak, aggregátumokat hozhatnak létre. A csaló sejtek ezzel szemben nem termelik az aggregációhoz szükséges anyagot, ugyanakkor élvezik az aggregátum előnyeit.
Vajon hogyan és miért alakult ki a többsejtűség sokszor egymástól függetlenül az élővilág különböző ágain, és milyen tényezők járultak hozzá elterjedéséhez? Több elmélet is létezik, hogy miért előnyös többsejtűnek lenni. Az egysejtűek, például a baktériumok szempontjából vannak egyértelműen közvetlen előnnyel járó tényezők ‒ többek között a ragadozók elkerülése ‒, mások azonban ‒ például a sejtek térbeli kapcsolatai és az élőhely időbeli változása ‒ közvetett előnyökkel járnak. Ez utóbbiak ‒ csoportszelekcióval kapcsolva ‒ biztosíthatják az együttműködő sejtek fennmaradását a csalókkal szemben. A HUN-REN ÖK ETI és az ELTE kutatói egyedalapú számítógépes modelljükben ezt a hipotézist vizsgálták.
A többsejtűség kialakulása az evolúció egyik nagy átmenete, amely több mint 25 alkalommal következett be az élővilág különböző ágain, egymástól függetlenül. Az összetett többsejtűek, mint amilyen az ember is, az osztódások során együtt maradó rokon sejtek révén érnek el nagyfokú bonyolultságot. Ezzel szemben a legtöbb egysejtű szervezet nem rendelkezik az ehhez szükséges szabályozási eszközökkel. Számukra többnyire csak egy egyszerűbb út jöhet számításba: időszakosan állnak össze többsejtű formává, például éhezés miatt. Ezek az aggregatív többsejtű fajok, mint például a Dictyostelium nyálkagomba, jellemzően egysejtű életet élnek. Amikor a sejtek összeállnak, a többsejtű, nyálkaszerű forma képes mozogni, megfelelő termőhelyre eljutni és ott nyeles termőtestet növeszteni, amely által a spóráik messzebbre, táplálékgazdag új élőhelyekre is eljuthatnak.
Dictyostelium discoideum nyálkagomba többsejtű spóratartó képletei
(Forrás: Tyler Larsen, Wikimedia)
Az ilyen többsejtűség esetében azonban nem rokon egyedek, vagy akár olyanok is bekerülhetnek a túlélő sejtek közé, akik aktívan nem vesznek részt az együttműködésben, azaz csalnak. Mivel nem segítenek, minden energiájukat táplálkozásra és szaporodásra fordíthatják – az együttműködő sejtek kárára. Ezzel nemcsak az együttműködő sejtek túlélését veszélyeztetik, hanem végső soron a fajét is, hiszen ha túl sok a csaló, akkor nem lesz többsejtű forma, amely szaporíthatná a fajt. De hogyan tud akkor egy aggregatív többsejtű faj mégis túlélni, ha a csalók mindig gyorsabban szaporodnak az együttműködőknél? Különösen fontos kérdés ez a nagy evolúciós átmenetek esetében, ahol kulcsfontosságú az együttműködés fenntartása a csalók ellenében.
Többféle elképzelés is van, amely magyarázatot adhat arra, miért látunk mégis sikeres aggregatív többsejtű fajokat. Az egyik elmélet szerint az aggregáció előnyös a ragadozókkal szembeni védekezésben: minél több egysejtű kapaszkodik össze, annál kevésbé tud egy mikrobiális ragadozó fogást találni rajtuk. Egy másik, szintén széles körben elfogadott feltételezés szerint a rendszeres éhezés miatt szükséges az új élőhelyek meghódítása, amihez nélkülözhetetlenek az együttműködő sejtek, így tehát a csalók is rájuk vannak utalva.
A Dictyostelium discoideum nyálkagomba életciklusa, amelyet a kutatók a modell megalkotásához alapul vettek
(Képek forrása: wikipedia, wikimedia)
A HUN-REN ÖK ETI és az ELTE kutatói ezt a két feltételezést vizsgálták meg, azaz hogy milyen esélye van az együttműködő, aggregálódó sejteknek a túlélésre egyedi szelekció, illetve csoportszelekció esetén. Egyedalapú, térbeli számítógépes modellt fejlesztettek, amelyben egy nyálkagombaszerű egysejtű élőlény életciklusát modellezték. A modellben az együttműködő sejtek termelik az összeálláshoz szükséges „ragasztóanyagot”, a csalók nem. Az eredmények megerősítik, hogy időben folytonos környezetben, azaz ahol mindig van elegendő táplálék, a kooperátorok lassabb növekedésük miatt hátrányban vannak a csalókkal szemben. A számítógépes szimulációk azt is egyértelműen igazolták, hogy ilyen környezetben a ragadozók elleni védekezés elengedhetetlen az együttműködő sejtek fennmaradásához. Azonban ha a környezetben időről időre táplálékhiány lép fel, a ragadozók okozta szelekció nemhogy nem elégséges, de nem is szükséges a kooperáció és a többsejtű forma fenntartásához – ekkor szükség van új élőhelyek kolonizálására. Csak az együttműködő sejtek tudnak azonban termőtestet létrehozni, és ezáltal új élőhelyet meghódítani. A csalók csak az együttműködő sejteket kihasználva juthatnak el a következő, forrásokban gazdag élőhelyre.
A kutatók többféle kolonizációs mechanizmust is megvizsgáltak (diszperzió, fragmentáció, aggregatív spóraképzés stb.), és azt találták, hogy csak az aggregatív szaporító mechanizmusok képesek hosszú távon és robusztusan fenntartani a kooperációt a változó környezetben. Vagyis ekkor a csoportszelekció fontosabb az egyedi szelekciós hatásoknál a kooperáció fenntartásában. Az eredmények azt sugallják, hogy ezeknek a mechanizmusoknak kulcsszerepe lehetett az aggregatív többsejtűek evolúciós kialakulásánál is.
Állandó környezetben (felső sor) a ragadozók okozta méretfüggő szelekció elegendő lehetőséget ad a kooperátoroknak a túlélésre (jobbra fent). Ragadozó nélkül azonban mindig a csalók győznek (balra fent). Ha forráshiány lép fel, és szükséges új élőhelyek meghódítása, a véletlenszerű szétszóródás csökkenti az együttműködők esélyét, mert megbontja az összeállt sejtcsoportokat (középen). Az aggregáción alapuló kolonizáció azonban ragadozó okozta szelekció nélkül is képes fenntartani a kooperátorokat a csalókkal szemben (balra lent).