A Nature Ecology and Evolution folyóirata Zachar Istvánt, az ELKH Ökológiai Kutatóközpont (ÖK) Evolúciótudományi Intézetének főmunkatársát kérte fel egy az eukarióta sejtek kialakulásának okaival foglalkozó tanulmány elbírálására, továbbá hogy külön véleménycikkben értékelje a felfedezést. A magyar evolúcióbiológus szerint e kutatások egyre közelebb visznek az eukarióta, azaz sejtmagvas szervezetek körülbelül kétmilliárd évvel ezelőtti kialakulásának megértéséhez.
Az állatok, a növények és minden magasabb rendű életforma úgynevezett eukarióta sejtekből épül fel, amelyek számos tekintetben különböznek a baktériumoktól. Többek között van sejtmagjuk, és a bennük zajló energiatermelést apró sejtszervecskék, a mitokondriumok végzik, amelyek évmilliárdokkal ezelőtt még maguk is önálló baktériumok voltak. De hogyan jöttek létre az eukarióta sejtek? Milyen sejt volt az ősük, és mely evolúciós átmenetek vezettek ahhoz, hogy társultak a mitokondrium ősével? Végső soron hogyan alakult ki a Földet benépesítő eukarióta élővilág? E kérdésekkel kapcsolatban az evolúcióbiológusoknak egyelőre csak feltételezéseik vannak, azonban lépésről lépésre egyre közelebb jutnak a valós történésekhez.
Zachar István az eukarióta átmenet kiindulópontját kutatja, vagyis azt a lépést, amely az egész folyamatot elindította. „Az eukarióták eredete azért különösen érdekes, mert ekkor két prokarióta sejtvonal végleg egyesült, és úgy tűnik, hogy ez egyszeri és megismételhetetlen esemény volt a földi élet történetében. Semelyik másik nagy evolúciós átmenettel nem lehet összehasonlítani” – emeli ki Zachar István. „Az eukarióta sejtek nagyjából kétmilliárd évvel ezelőtt jelentek meg. Az eukarióták kialakulásához vezető út során létrejött átmeneti formák nem maradtak fenn, így erről kevés információval rendelkezünk. Tudjuk, hogy különböző prokarióta sejtek léptek szoros kapcsolatba egymással és váltak eukariótává, sok alapvető kérdésben azonban ‒ például hogy a mitokondrium alakult-e ki előbb, vagy a sejtmag ‒ nincs konszenzus” ‒ hangsúlyozza a kutató.
„Nem ismerünk „hiányzó láncszemeket”, vagyis köztes állapotú, félig prokarióta, félig eukarióta sejteket, azonban tudjuk, hogy az eukarióta szervezetek olyan összetettséget képesek elérni, amely a prokarióták esetében elképzelhetetlen” – folytatja Zachar István. Az eukariótává alakulás tehát komoly előnyökkel járt, de ami még izgalmasabbá teszi a kérdést: vajon hogyan történt ez a változás?
Egyes kutatók szerint az eukarióta sejtek kialakulását az indította el, hogy az ősi gazdasejt bekebelezett egy másik baktériumot, de nem emésztette meg. Mások szerint a gazda nem is ragadozó volt, esetleg a baktérium a gazdát fertőző élősködő lehetett. A végeredmény mindegyik magyarázat esetében ugyanaz, vagyis a gazda saját sejtszervecskéjévé alakította a befogott baktériumot. Így alakult ki a mitokondrium, amely ma valamennyi eukarióta sejt energiatermelő folyamataiért felelős. Endoszimbiózis, vagyis mindkét fél számára előnyös belső együttműködés jött létre a két sejt között, amelynek keretében a gazdasejt energiát kapott a mitokondriumtól, cserébe pedig a gazda táplálékot és biztonságot nyújtott neki. A mitokondrium és az eukarióta sejtek kialakulása is csak egyszer játszódott le az evolúció során, ráadásul a két folyamat időben is közel történt egymáshoz. Az evolúcióbiológusok ezért azt feltételezik, hogy e két jelenség nagyon szorosan összefügg egymással.
De milyen konkrét előnyökkel járt a mitokondriumok felvétele az elméletek szerint? A sejtlégzés átkerült a mitokondriumba, így az eukarióta sejtek sokkal nagyobbra tudtak nőni, mint prokarióta őseik. Ráadásul ezáltal a gazdasejtek sejthártyája felszabadult, és sok egyéb feladatra váltak alkalmassá, például ragadozó életmódra térhettek át, ami tovább növelte sikerességüket.
A Zachar István által elbírált tanulmány annak a hipotézisnek a helytállóságát vizsgálta, amely szerint a mitokondrium rendkívül nagy energetikai előnyt biztosított a korai eukarióták számára, mivel így a sejtek belsejében zajlott az energiatermelés. A becslések szerint ez akár 200 000-szeres energianyereséget is eredményezhetett. A modern mitokondriumok valóban hatékonyan termelik az energiát, a Nature Ecology and Evolution folyóiratban megjelent tanulmány szerzői azonban azt is megvizsgálták, hogy mekkora energianyereséggel lehet számolni, ha nem a modern eukarióta gazdákat és a mostani mitokondriumokat, hanem a kétmilliárd évvel ezelőtt élt őseik működését vesszük alapul, amelyek még messze nem alkalmazkodtak olyan tökéletesen a munkamegosztáshoz.
Az eredmények szerint ekkor szinte eltűnik a feltételezett energianyereség. „Az új tanulmány alapján megkérdőjelezhető a mitokondrium energetikai előnyén alapuló elmélet, amely szerint mitokondrium nélkül nem lehet eukarióta komplexitást elérni. Az ilyen modelleknek messzemenő következményei vannak az eukarióták eredetének kutatására. Az új eredmények azt az elméletet erősítik, hogy a mitokondriumok nem voltak nélkülözhetetlenek az eukarióták kialakulásához, hanem a sejtmagvas sejtek evolúciós újításai fokozatosan, »maguktól«, mitokondriumok segítsége nélkül jöhettek létre, és a mitokondrium felvétele csak később történt meg” – foglalja össze Zachar István.
Egyre több az arra utaló bizonyíték, hogy a prokarióta sejtek akár önállóan is elérhették az eukarióta állapottal járó nagyobb összetettséget. Ezt valószínűsíti, hogy vannak mitokondriumukat elvesztett, de aktívan mozgó eukarióta sejtek is, emellett olyan prokarióták is léteznek, amelyek képesek bekebelezni másokat ‒ amit korábban csak az eukarióták képességének hittek ‒, illetve jelentős komplexitást és méretet érhetnek el mitokondrium nélkül is. Sok még a megválaszolatlan kérdés a fejlett sejtmagvas földi élővilág eredetével kapcsolatban, azonban az evolúcióbiológusok egyre közelebb jutnak a legnagyobb rejtélyek megfejtéséhez.