RAPORT

KORONAWIRUS: MAPY, STATYSTYKI, PORADY

Zbadać ewolucję w probówce, czyli duży może więcej

Wiele procesów próbuje się odtworzyć w warunkach laboratoryjnych (fot. Shutterstock/Nana_studio)
Wiele procesów próbuje się odtworzyć w warunkach laboratoryjnych (fot. Shutterstock/Nana_studio)

Ewolucja życia na Ziemi nie jest dla nas w całości jasna. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi z tej prostej przyczyny: wszelkie dowody jej dotyczące są pośrednie; nikogo z nas przy tym nie było. Dlatego wiele procesów, które nie zostały zarejestrowane, próbujemy dziś odtworzyć w warunkach laboratoryjnych. Tak się dziś bada przejście od życia pojedynczych komórek do form wielokomórkowych, takich jak my.

Bakterie „zjedzą” plastik, ale czas się z nim rozstać

Na początek 2020, kiedy nikt z nas jeszcze nie myślał o nadchodzącej pandemii, pytałam na tych łamach: czy nasza cywilizacja upadnie przez plastic,...

zobacz więcej

Patrząc na to bardzo zgrubnie, Ziemia powstała ok. 4,5 mld lat temu i przez pierwszy miliard lat życie na niej jeśli był, to mikroskopijne i jednokomórkowe. Dziś ciężko szukać jego śladów. Takie życie nie zostawia dostrzegalnych „odcisków w osadach”.

Mikropaleoontologia poszukuje zatem w skałach skupisk związków bioorganicznych i ziarnistości, które mogłyby były być śladami ówczesnych komórek. Pierwsze agregaty komórek, zwane bułami stromatolitowymi, w płytkim szelfie oceanicznym – złożonych z sinic, czyli bakterii zdolnych do fotosyntezy i wytwarzających tlen –  pochodzą sprzed 3,5 mld lat. Przez kolejne 3 mld lat trwa prekambr: epoka jednokomórkowców, które zaczynają żyć jako organizmy wielokomórkowe.

Zmiany geologiczne i klimatyczne są nieporównywalnie gigantyczne z dzisiejszą stabilizacją. Życie nie jest wtedy fenomenem częstym, a rozwija się na dnie morskim, zaś organizmy z rzadka mają jakiekolwiek twarde części, które dają się zaobserwować w osadach.

Jak się łapie ewolucję samożywności na gorącym uczynku

Tego uczą nas w szkole nie od dziś: rośliny są samożywne. To znaczy potrafią asymilować dwutlenek węgla z atmosfery, ciągiem dość tajemniczych...

zobacz więcej

Stworzenia nie są też w stanie ryć w podłożu. Ostatecznym wykwitem tego pierwszego wielokomórkowego świata, o którym wciąż wiemy bardzo niewiele, jest tzw. fauna ediakariańska, która zaniknęła całkowicie na krótko zanim 500 mln lat temu rozpoczęła się kolejna era – nazwana dziś paleozoiczną.

Ponieważ pierwsze organizmy wielokomórkowe były prostymi, miękkimi organizmami pozbawionymi kości, muszli lub innych twardych części ciała, nie są one dobrze zachowane w zapisie kopalnym.

Najwcześniejsze skamieniałości organizmów wielokomórkowych obejmują Grypania spiralis oraz skamieliny czarnych łupków paleoproterozoicznej formacji skamieniałości zwanej Francevillian Group B w Gabonie. Formacja Doushantuo z kolei dostarczyła mikroskamieniałości liczących 600 mln lat z dowodami na cechy wielokomórkowe. Żadne z nich nie są bezsporne.

Kichanie rozłożone na czynniki pierwsze

Czasem się zdarza, że natrafiam na wyniki jakiś bardzo poważnych badań naukowych i w głowie mojej rodzi się myśl: super, będę to mogła wyjaśnić...

zobacz więcej

Co więcej, badania genetyczne dziś istniejących gatunków organizmów żywych wskazują, że wielokomórkowość ewoluowała niezależnie co najmniej 25 razy u eukariontów (komórek wyposażonych w jądro, takich jak np. nasze czy buraka albo pieczarki) a także u niektórych prokariontów, takich jak sinice, myksobakterie czy promieniowce etc.

Jednak złożone organizmy wielokomórkowe (zbudowane z tkanek) wyewoluowały tylko w sześciu grupach eukariotycznych: zwierzętach, grzybach, brunatnicach, krasnorostach, zielenicach i roślinach lądowych.

Co to znaczy? Że wielokomórkowość – bycie większym i posiadanie wielu rodzajów wyspecjalizowanych komórek, zwłaszcza zaś komórek szybko się dzielących (służących do wzrostu) i komórek rozrodczych – jest bardzo ewolucyjnie korzystne i pomysł ten pojawiał się wielokrotnie. Jego realizacja zaś była genetycznie i fizjologicznie prostsza niż np. endosymbioza prowadząca eukarionty do fotosyntezy i oddychania tlenowego, która przydarzyła się tylko jedno- czy dwukrotnie w całej historii życia, jakie dziś znamy.

Bakterie zwalczają wirusy

Jeśli zakazić komara bakterią, nie będzie rozprzestrzeniał śmiertelnego wirusa. To skuteczny biologiczny sposób na walkę z tropikalną chorobą dengi.

zobacz więcej

Zwierzęta wyewoluowały znaczną różnorodność typów komórek w ciele wielokomórkowym (100-150 różnych typów komórek), w porównaniu z 10-20 w roślinach i grzybach. Skąd się zatem wzięła wielokomórkowość?

Poruszamy się tu wśród hipotez. Jedna z nich głosi, że grupa komórek agregowała w masę, która poruszała się jako jednostka wielokomórkowa. To właśnie robią śluzowce. Inna głosi, że prymitywna komórka przeszła podział jądra. Następnie wokół każdego jądra i otaczającej go cytoplazmy utworzyłaby się błona, tworząc w ten sposób grupę połączonych komórek w jednym organizmie (mechanizm ten można zaobserwować podczas rozwoju muszki owocowej).

Trzecia hipoteza głosi, że w wyniku podziału jednokomórkowego organizmu komórki potomne nie rozdzieliły się, co skutkowało konglomeratem identycznych komórek w jednym organizmie, z którego później mogły powstać wyspecjalizowane tkanki. To właśnie robią embriony roślinne i zwierzęce, a także kolonijne wiciowce, choćby znany nam ze szkoły toczkowiec.

Przeczytaj też: Nasz dziadek neandertalczyk

Biologiczna „tablica Mendelejewa”, czyli po co w nauce uogólnienia

W nauce biologii nie cierpimy od czasów szkolnych jednej podstawowej rzeczy: że są tam same szczegóły i żadnego systemu, który pozwalałby to...

zobacz więcej

Mechanizm powstawania czegoś, a nawet zysk ewolucyjny, który osiąga organizm, przechodząc od jednokomórkowości do wielokomórkowości, są dziś zatem nieco mniej tajemnicze niż za czasów Darwina.

Dziś prof. Lutz Becks z Instytutu Maxa Plancka ds. Biologii Ewolucyjnej i Instytutu Limnologii (czyli nauki o jeziorach) Uniwersytetu w Konstancji wraz z współpracownikami pokazują na łamach czasopisma „Nature Communications” wyniki swoich eksperymentów.

Dotyczyły one prowokowania wielokomórkowości u organizmu jednokomórkowego zielenicy Chlamydomonas reinhardtii, zaliczanej ekologicznie do glonów słodkowodnych.



Zielenica ta należy do grupy glonów, w których można znaleźć różne stadia ewolucyjnej wielokomórkowości i które wszystkie wywodzą się od jednokomórkowego przodka. Badano 10 identycznych linii tej zielenicy, gdzie mutacje podczas rozmnażania się komórek w hodowli zachodziły spontanicznie, jak to zwykle bywa z mutacjami w DNA.

Natomiast eksperymentalnie wymuszano selekcję naturalną. Czyniono to za pomocą obecnego w akwariach maleńkiego „drapieżnika”, czyli wrotka odżywiającego się tymi jednokomórkowymi glonami, ale niezdolnego do połykania większych agregatów komórek.

Bardzo żywa skamieniałość sprzed 273 mln lat

Współpraca polskich i japońskich naukowców doprowadziła właśnie do odkrycia na dnie oceanicznym „ekologicznej żywej skamieniałości”. Czyli...

zobacz więcej

Jak opisują w swej pracy sami uczeni: „Identyczne mutacje ewoluują we wszystkich izolatach […] zaledwie 500 pokoleń selekcji przez drapieżnika wystarczyło, aby doprowadzić do włączenia wyewoluowanych zmian w genomie ofiary.” 500 pokoleń to około pół roku życia tego glonu z pojedynczej komórki w odizolowanym akwarium.

Jak na wiek życia na ziemi, pół roku to nawet nie mgnienie oka. Nie jest tu niezbędna wielka przenikliwość, by zauważyć, że ów drapieżnik już jest wielokomórkowy, choć maleńki.

Jednak wielokomórkowość pojawiała się w toku ewolucji wielokrotnie niezależnie, czyli konkretne jednokomórkowe, nadal szalenie różnorodne i na ogół rozlokowane gdzieś u podstaw wielkich gałęzi drzewa życia protisty mogły czasem dochodzić do niej ze względu na presję drapieżnika, który już był wcześniej wielokomórkowy.

To eksperymentalnie potwierdziło teorię o pochodzeniu życia wielokomórkowego, która mówi, że ewolucja grup komórek i kolejne kroki w kierunku wielokomórkowości mogą mieć miejsce tylko wtedy, gdy grupy komórek są lepsze w reprodukcji i mają większe szanse przeżycia niż pojedyncze komórki.

Transgeniczne komary już latają nad USA, czyli o genetycznych kamikadze

Zamiast masowego stosowania insektycydów, można do środowiska wypuścić genetycznie zmienione komary, które niosą w sobie gen zabójczy dla...

zobacz więcej

Eksperyment opiera się na teorii, że organizmy wielokomórkowe pierwotnie wyewoluowały z pojedynczych komórek i na pierwszym etapie tworzą kolonie identycznych komórek potomnych, które nie rozdzielają się po podziale.

Ważnym, ale jak dotąd niezbadanym eksperymentalnie warunkiem tej ogólnej teorii jest to, że początkowo pojawiają się kolonie o wyższym prawdopodobieństwie przeżycia. W drugim etapie kolonie te rozwijają się dalej w kierunku zwiększonej reprodukcji.

Tylko wtedy mogą nastąpić kolejne kroki w kierunku specjalizacji w komórkach, tak by powstały komórki ciała i komórki służące do rozmnażania. Mutacje powodujące wzrost komórek w koloniach, które sklejają się ze sobą po podziale komórek, zwiększają prawdopodobieństwo przeżycia, ponieważ drapieżnikom jest trudniej zjadać całe kolonie niż pojedyncze komórki.

Nauka zaskakuje samych uczonych – i to dobrze. Jak prof. Lutz powiedział dla portalu phys.org: „Właściwie spodziewaliśmy się, że tworzenie kolonii można osiągnąć za pomocą różnych mechanizmów w komórkach glonów i dlatego znajdziemy różne mutacje. W rzeczywistości zaobserwowaliśmy bardzo wysoki poziom powtarzalności. Sugeruje to, że presja selekcyjna miała bardzo ukierunkowany efekt”.

Pobierz aplikację mobilną i oglądaj TVP INFO na żywo

Twoje INFO - kontakt z TVP INFO

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej