Proces ewolucji zaobserwowany w warunkach laboratoryjnych

0

Ewolucyjny krok od organizmów jedno- do wielokomórkowych jest zagadką, przed jaką stoją już od wielu lat biolodzy. Część odpowiedzi została odkryta – w laboratorium – gdzie grupa naukowców doprowadziła do ewolucji drożdży w wielokomórkowe gromady.

Badanie mechanizmu wielokomórkowości nastręcza dużych problemów. Odnalezienie prekursora organizmów składających się z więcej niż jednej komórki jest bardzo trudne. Zapis kopalny, w którym należałoby szukać jego skamieniałości miałby ponad 500 milionów lat.

Z tego powodu badacze z University of Minnesota rozpoczęli badania nad kontrolowaną i sztuczną ewolucją. Choć pomysł nie dawał wielkich nadziei na szybki sukces, okazał się strzałem w dziesiątkę. Już po 60 dniach, w dwóch odseparowanych od siebie eksperymentach, 15 spośród linii replikacyjnych stało się „pełnoprawnymi” wielokomórkowymi koloniami.

Do badań wybrano znane drożdże Saccharomyces cerevisiae. Są one organizmami jednokomórkowymi, powszechnymi w laboratoriach (i nie tylko, ponieważ ich fermentacja umożliwia produkcję piwa a także wyrobów piekarskich). Wybraną grupę jednostek umieszczano na dobę w cylindrycznym pojemniku z pożywką. Następnie przekładano je do probówek z 10ml świeżej pożywki. Po 45 minutach komórki z dolnych 100 mikrolitrów przenoszono do nowego środowiska. Po pierwszym tygodniu zmodyfikowano eksperyment, by go przyspieszyć. Komórki do przesiedlenia poddawano przyspieszeniu 100g przez 10 sekund i wybierano 1,5ml organizmów z 10ml probówki.

Po 60 transferach, wszystkie próbki zdominowane były przez komórkowe klastry, przypominające kształtem śnieżynki. Co ważniejsze, klastry te okazały się bardzo prymitywnymi organizmami wielokomórkowymi.

W jaki sposób łączyły się organizmy jednokomórkowe tworząc zgrupowania? Teoretycznie istnieją dwie możliwości: albo w wyniku agregacji różnych indywidualności w środowiskach zmuszających do bliskiego przebywania (na przykład w biofilmach), albo przez adhezję w trakcie podziału między komórką macierzystą a potomną. Oba sposoby powstania organizmów wielokomórkowych posiadają swoje plusy i minusy. Pierwszy z nich wydaje się mniej prawdopodobny, ze względu na to, że każda z indywidualności będzie walczyć o jak najlepsze warunki dla siebie. Takie zachowanie nie jest możliwe w organizmach wielokomórkowych, gdzie niektóre komórki poświęcają swoje zdolności do reprodukcji na rzecz innych (nowotwory mogą być przykładem komórek-indywidualistów, które pojawiły się już na początku istnienia organizmów wielokomórkowych i nie przystosowały się do współpracy w grupie).

Wielokomórkowe zgrupowania drożdży w eksperymencie łączyły się w wyniku adhezji między komórką macierzystą a potomną. Sprawiało to, że występowały zachowania altruistyczne, a nawet pierwsze specjalizacje na rzecz ogółu. Rozrost „śnieżynki” nie mógł być nieskończony, poza tym im większa masa komórek ją tworzących, tym wolniejszy był przyrost organizmu. By przyspieszyć proces, niektóre z komórek (szczególnie te uszkodzone, skarłowaciałe itp.) ulegały zaprogramowanej śmierci – apoptozie. Umożliwiło to szybszy i większy rozrost grupie, której część stanowiły.

Co ciekawsze, wielokomórkowe klastry wyraźnie przeżywały dwie fazy życia: młodzieńczą i dorosłą. W trakcie fazy młodzieńczej następował rozrost nowych diaspor.

Eksperyment wzbudził zainteresowanie biologów ewolucyjnych na całym świecie. Wysiłki w celu odnalezienia przodka wszystkich organizmów wielokomórkowych nadal będą podejmowane. Badania powiązane są także z największymi wyzwaniami medycyny: procesem starzenia się oraz nowotworami.

Badania wiążą się także z zadaniami astrobiologii. Dają dużą nadzieję na to, że jeśli na Europie, księżycu Jowisza, występują proste organizmy jednokomórkowe, to i możliwość odnalezienia wielokomórkowych znacznie wzrasta.

Wciąż pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi. Najważniejszym z nich, (odnośnie eksperymentu), jest: dlaczego ewolucja organizmów jednokomórkowych w wielokomórkowe nie zachodzi częściej, skoro w tak krótkim czasie uzyskano tak wiele klastrów w laboratorium?

Źródło: William C. Ratcliff, R. Ford Denison, Mark Borrello, Michael Travisano, Experimental evolution of multicellularity, PNAS 2012 109: 1595-1600.

Share.

Comments are closed.