Wszystkie wielokomórkowe istoty pochodzą od organizmów jednokomórkowych. Przejście od pojedynczej komórki do etapu wielokomórkowości nie było łatwe. Możliwe jest to w momencie, gdy pierwotne, samodzielne i niezależne komórki współpracują ze sobą. Podstawowym problemem, który nie pozwala na taką kooperację jest występowanie tzw. „komórek oszukujących” (ang. cheating cells). Ich działanie polega na wyzyskiwaniu innych komórek, przez co korzyści osiąga wyłącznie jedna strona.
Rys.1 Pseudomonas fluorescens w świetle ultrafioletowym
Zespół naukowców z Niemiec wraz z badaczami z Nowej Zelandii oraz USA przeprowadził obserwacje ewolucji prostych ugrupowań samoreprodukujących się komórek. Grupy te powstały z całkowicie indywidualnych wcześniej komórek. Nowopowstające organizmy składały się z pojedynczej tkanki odpowiadającej za procesy pozyskiwania tlenu. Ponadto tkanka ta generowała komórki posiadające zalążki przyszłych pokoleń. W ich wnętrzu odbywały się podziały komórkowe. Intrygujący jest fakt ich pochodzenia – okazało się bowiem, że komórki linii zarodkowej wywodzą się bezpośrednio od komórek oszukujących. Ich destrukcyjny wpływ został zniesiony poprzez wprowadzenie i zintegrowanie z cyklem życiowym. Cykl ten umożliwiał grupom komórkowym rozmnażanie.
Cały cykl życiowy jest wielkim darem ewolucji. Pozwolił on bowiem pracować ewolucji nad udoskonaleniem ogólnego programu rozwojowego, zamiast oddziaływać bezpośrednio na komórki. W efekcie doszło do zespolenia grupy komórek w jeden zintegrowany organizm. W tym momencie zupełnie wolne niegdyś komórki rozpoczęły pracę nad dobrem ogółu całego nowego organizmu.
Badania były prowadzone na komórkach bakteryjnych. W tym celu wykorzystano drobnoustrój Pseudomonas fluorescens, którego pojedyncze komórki żyją zazwyczaj całkowicie niezależnie od siebie. Niektóre mutacje umożliwiają tym komórkom na produkcję specjalnych śluzów adhezyjnych. Sprawiają one, że komórki zaczynają do siebie ściślej przylegać i oddziaływać między sobą po podziałach. W dalszej kolejności specyficzne warunki środowiskowe sprzyjają tworzeniu się zespołów komórkowych. Dzieje się to pomimo niekorzystnego bilansu energetycznego niezbędnego do zsyntetyzowania śluzu. Pseudomonas fluorescens hodowany w specjalnych probówkach tworzył swego rodzaju „dywan” (czy też „matę”) na powierzchni cieczy. Zespolona kolonia komórkowa uzyskiwała w ten sposób bezpośredni dostęp do tlenu. Gdyby znajdowała się wewnątrz objętości cieczy, dostęp ten byłby bardzo mocno ograniczony.
Naukowcy przewidywali, że dobór naturalny będzie sprzyjał tworzeniu się zbiorowości komórek poprzez wytworzenie warstwy na powierzchni cieczy. Ta metoda pozwala bowiem uniknąć kosztów metabolicznych potrzebnych do uzyskania śluzu. Umożliwia również zwiększenie szybkości rozwoju grupy komórek. Ten typ jest nazywany często kodem (ang. cheat). Jest to analogia do kodów wykorzystywanych m. in. w grach komputerowych w celu szybszego uzyskania dostępu do jakiejś zawartości bądź zdobycia przewagi nad przeciwnikiem.
Tutaj mamy podobną sytuację. Dzięki kodowi w bardzo szybkim czasie powierzchnia jest zajmowana przez komórki drobnoustroju. Ma on niezwykle bogaty dostęp do tlenu. Jego rozwój w tych warunkach jest ciągle wzmacniany. Z drugiej strony ma to jednak bardzo poważny minus. Szybki rozwój powoduje nagromadzanie się coraz większej liczby komórek. W pewnym momencie grupa komórkowa nie jest w stanie utrzymać się na powierzchni objętości cieczy. Cała struktura załamuje się, rozpada i zanurza pod powierzchnię cieczy, opadając na dno probówki. Ogranicza to znacznie dostęp komórek do tlenu i zahamowuje dalszy rozwój.
„Obiektem naszych zainteresowań są proste grupy komórek współpracujących. Mogą one stanowić jedną z metod powstania życia wielokomórkowego na Ziemi. Jednakże proces tworzenia się „maty” na powierzchni cieczy jest trudny do jednoznacznej oceny. Stanowi bowiem podstawę powstawania ugrupowania komórkowego. Jednocześnie jest też odpowiedzialny za zniszczenie tej struktury, co czyni go trudnym do wyjaśnienia,” powiedział Paul Rainey. Jest on pracownikiem nowozelandzkiego Instytutu Biologii Ewolucyjnej.
Rozważania te doprowadziły do stworzenia ciekawej koncepcji. Naukowcy zakładają, że będzie możliwe zastosowanie komórek oszukujących jako specyficznych „nasion”. Stworzenie takiej linii zarodkowej umożliwi szybkie tworzenie „maty” komórkowej, po jej zniszczeniu w wyniku przełamania struktury. Rainey twierdzi, że jest to bardzo interesująca metoda. I chociaż obecnie jest sprzeczna z intuicją i trudna do realizacji w realnych warunkach, może mieć potencjalne zastosowanie w przyszłości. Mogłaby pozwolić wyjaśnić takie problemy jak pochodzenie rozmnażania, sposób różnicowania komórek na somatyczne i rozrodcze, czy nawet powstanie procesu rozwoju organizmu.
Naukowcy porównywali w swoim eksperymencie dwa różne cykle życiowe grup komórkowych (mat). W pierwszym maty pozostawiono do odtwarzania w cyklu dwufazowym. Maty macierzyste dawały początek matom potomnym za pośrednictwem komórek oszukujących. Komórki te działały jako rodzaj linii rozrodczej. W drugim komórki oszukujące zostały oczyszczone, a maty były uzyskiwane pojedynczo na drodze fragmentarycznego powielenia.
Okazało się, że żywotność mat bakteryjnych w obu przypadkach była wysoka. Warunkiem było jednak dopuszczenie do rywalizacji pomiędzy tymi matami.
Równocześnie udało się wykazać, że kiedy komórki oszukujące były częścią cyklu życiowego, centrum metaboliczne wewnątrz kolektywu bakteryjnego było zbudowane z komórek o niskiej sprawności i wydajności. Centrum to odpowiada za dokładne dopasowanie poszczególnych komórek w macie bakteryjnej tak, by mogły spełniać swoje funkcje.
Z rozważań tych wysnuwa się ciekawy wniosek. Komórki wchodzące w skład maty zahamowały część swoich procesów biochemicznych, na rzecz współdziałania w grupie z innymi komórkami. Nowopowstałe ugrupowania komórkowe nie były więc przypadkowym połączeniem się różnorodnych komórek. Rozwinął się nowy rodzaj jednostki biologicznej – organizm wielokomórkowy.
„Cykle życiowe składające się z dwóch faz są bardzo podobne do podziałów komórkowych organizmów wielokomórkowych, które są nam dobrze znane. Jest całkiem możliwe, że linie komórek rozrodczych (plemników i komórek jajowych) mogły się pojawić w toku ewolucji właśnie w wyniku „egoistycznego” oddziaływania komórek oszukujących,” stwierdził na koniec Rainey.
- Katrin Hammerschmidt, Caroline J. Rose, Benjamin Kerr, Paul B. Rainey. Life cycles, fitness decoupling and the evolution of multicellularity. Nature, 2014; 515 (7525): 75 DOI: 1038/nature13884
- http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141106113334.htm
Opracował: Karol Madejczyk
Korekta: Olga Polakowska
