Ügyetlen szuperorganizmus lehetett a mai élőlények közös őse

Minden mai élőlény közös őse nem egy egysejtű lény, hanem az egész Földet átszövő organizmus volt egy új elmélet szerint. Ez közel 4 milliárd éve tölthette ki a bolygó óceánjait, később pedig három részre vált, létrehozva az élet három nagy birodalmát.

Az a feltételezett élőlény, amelytől minden mai élőlény származik, mintegy 3,8-4 milliárd éve bukkanhatott fel a 4,6 milliárd éves Földön. A jelenleg leginkább elfogadott nézetek szerint - a mai élőlények közös genetikai örökségének elemzése alapján - ez az "utolsó univerzális közös ős" (angolul Last Universal Common Ancestor, röviden LUCA) egy szélsőségesen melegkedvelő (hipertermofil) egysejtű szervezet lehetett, amely a mai mélytengeri füstölgőkhöz hasonló kemény környezetben élhetett. LUCA tehát nem a Földön kialakult első élőlényt jelenti, hanem azt az életformát, amelyből az összes későbbi élőlény kifejlődött.

A BMC Evolutionary Biology folyóiratban megjelent cikk azonban jelentősen átalakíthatja ezt az elképzelést, írja a New Scientist. A szerzők szerint LUCA nem egy konkrét élőlény volt, hanem egy globális megaorganizmus. Ezen azt értik, hogy az ősi sejtek kezdetben versengés helyett együttműködtek, és fontos alkotórészeket cseréltek ki egymás között. A világóceánban több száz millió évig működhetett egy globális "genetikai börze".

Nagyjából 2,9 milliárd éve aztán LUCA széthasadt az élővilág három birodalmára (doménjére):a valódi baktériumokra, az archeákra, valamint az összetettebb eukariótákra, amelyekből az állatok és a növények (és a gombák) alakultak ki. A szétválás előtti időszak történéseiről nagyon keveset tudunk. Szinte semmilyen fosszilis maradvány nem maradt fenn abból az időből, és az ebből az időből származó gének a felismerhetetlenségig megváltoztak a mutációk miatt.

Archaeák és az élővilág háromdoménes rendszere

Az élővilág három nagy birodalma (doménje). A rendszert Carl Woese dolgozta ki a múlt század második felében. Az élővilág filogenetikus osztályozásának legmagasabb egységeit az archaeák (Archaea), a baktériumok (Bacteria) és az eukarióták alkotják.

Az archaeák és a baktériumok csoportja a korábbi prokarióták kettéválasztásával jött létre. Az archaeák felépítése hasonló a baktériumokéhoz, de elkülönítésüket számos jellemzőjük indokolja. Ezek közé tartozik például, hogy genetikai anyaguk átírása (transzkripció) és "lefordítása" (transzláció) sok szempontból az eukarióta szervezetekben megfigyeltekhez hasonló, valamint az archaeák lipidjeinek szerkezete eltér mind a baktériumokban, mind az eukariótákban található lipidekétől. Az archaeákra korábban szinte kizárólag extrém - például szélsőségesen forró, oxigénhiányos - környezetekben bukkantak rá, de a tudósok újabban egyre több "normális" környezetben élő archaeát fedeznek föl.

Ez azonban nem legyőzhetetlen akadály, amikor meg akarjuk festeni LUCA portréját, állítja Gustavo Caetano-Anollés, az Illinois-i Egyetem kutatója, a cikk egyik szerzője. Noha a gének szekvenciája (bázissorrendje) gyorsan változik, az általuk kódolt fehérjék háromdimenziós szerkezete sokkal jobban ellenáll az idő múlásának. Így ha valamennyi ma élő szervezet készít egy olyan fehérjét, amelynek ugyanaz az általános szerkezete, akkor nagyon valószínű, hogy ez a szerkezet jelen volt LUCA-ban is. Caetano-Anollés élő fosszíliáknak hívja ezeket a struktúrákat, és hangsúlyozza, hogy mivel egy fehérje funkciója nagy mértékben függ a szerkezetétől, ezek a struktúrák elárulhatják, milyen lehetett LUCA.

LUCA fehérjekészletének rekonstruálásához Caetano-Anollés 420 ma élő élőlény fehérjéinek adatbázisát nézte át, mindannyiukban közös struktúrákat keresve. A talált szerkezeteknek csupán 5-10 százaléka volt közös, ami azt jelenti, hogy eléggé megőrződtek ahhoz, hogy a LUCA-ban alakulhattak ki. A kutató megvizsgálta a fehérjék funkcióit, és megállapította, hogy LUCA-nak a tápanyagok lebontására és az energia kinyerésére alkalmas enzimjei voltak. Volt ezenkívül valamilyen fehérjekészítő felszerelése, de hiányoztak belőle a DNS-molekulák készítéséhez és leolvasásához szükséges enzimek.

Ez összhangban áll Wolfgang Nitschke, a marseille-i Mediterrán Mikrobiológiai Intézet kutatójának eddig még nem publikált munkájával. Nitschke az anyagcseréhez nélkülözhetetlen enzimek történetét rekonstruálta, és úgy találta, hogy LUCA nitrátot és szenet is használhatott energiaforrásként.

Ha LUCA sejtekből épült fel, akkor membránjainak is kellett lennie. Erre utal az Osnabrücki Egyetem kutatójának, Armen Mulkidjaniannak a munkája. A membránfehérjék történeti vizsgálata során Mulkidjanian azt a következtetést vonta le, hogy LUCA-nak csak egyszerű, úgynevezett izoprenoid membránjai lehettek, amelyek sokkal rosszabb szigetelést adtak, mint a modernebb kialakítású membránok.

LUCA-nak valószínűleg sejtszervecskéi is voltak. Sokáig úgy vélték, hogy a sejtszervecskék (organellumok) kizárólag az eukariótákra jellemzők, de 2003-ban amerikai kutatók baktériumokban is felfedeztek egy sejtszervecskét, az úgynevezett acidokalciszómát. Caetano-Anollés most arra következtetésre jutott, hogy az egyes archeákban talált parányi szemcsék szintén acidokalciszómák vagy legalábbis annak előfutárai. Ez azt jelenti, hogy az acidokalciszómák az élővilág mindhárom doménjében megtalálhatók, tehát egészen LUCA-ig visszavezethetők.

Kérdés viszont, mi lehetett LUCA örökítőanyaga. A kutatások nem találtak a DNS szintéziséhez szükséges enzimekre utaló nyomokat, tehát a DNS-t valószínűleg kizárhatjuk. DNS helyett viszont lehetett benne RNS. Sok biológus gondolja úgy, hogy az RNS megelőzte a DNS-t, mert képes volt információt tárolni és szabályozni a kémiai reakciókat (ez az úgynevezett RNS-világ).

Lényeges, hogy LUCA úgynevezett progenóta volt. A progenóták képesek fehérjét szintetizálni géneket használva templátként, de a folyamat rendkívül primitív, sok hibával tarkított, így a fehérjék alig hasonlítanak ahhoz, amit a gének kódolnak. A jelek szerint a pontos fehérjeszintézis csak jóval LUCA után jelent meg. "LUCA ügyetlen lény volt, amely próbált megoldásokat találni az ősi Földön való életben maradáshoz" - mondja Caetano-Anollés.

A kutató úgy gondolja, hogy az ősi sejteknek meg kellett osztaniuk a génjeiket és a fehérjéiket egymással a boldoguláshoz. Az új, hasznos molekulákat sejtről sejtre adták át minden versengés nélkül, amíg globálissá nem váltak. A "cserekereskedelemből" kimaradt sejtek pusztulásra voltak ítélve. "Sokkal fontosabb volt, hogy fenntartsák az élő rendszert, mint hogy más rendszerekkel vetélkedjenek" - mondja Caetano-Anollés. A kutató szerint a szabad csere és a versengés hiánya azt jelenti, hogy az élet az ősóceánban végső soron egyetlen megaorganizmusként működött.

Ez a megaorganizmus csak akkor tudott szétválni, amikor egyes sejtek evolúciója úgy alakult, hogy képesek voltak mindent előállítani, amire szükségük volt. Nem tudjuk, miért következett be ez, de úgy tűnik, egybeesik az oxigén megjelenésével a légkörben, úgy 2,9 milliárd éve. Az októl függetlenül a földi élet ezután már örökre megváltozott.

Az elméletről az [origo] megkérdezte Szathmáry Eörs nemzetközi hírű evolúcióbiológus professzort, a Collegium Budapest asztrobiológiai csoportja vezetőjét, aki elmondta, hogy az elmélet pozitív oldalának tartja, hogy kimutatja a rokonságot LUCA és az Archaeák birodalma között, beleveszi az RNS-világhoz kapcsolódó DNS nélküli fehérjeszintézist, és feltételezi a membrán jelenlétét.

Véleménye szerint azonban nagyon kell vigyázni a "szuperorganizmus" fogalommal. "Az, hogy a focisták vándorolnak a csapatok között, nem jelenti azt, hogy a csapatok között nincs kemény verseny" - magyarázza Szathmáry. További baj, hogy az elmélet alkotói megfeledkeznek az "önző genetikai elemekről", amelyek megnyomorítják az organizmusokat, ha túl gyorsan terjednek. Ha filogenetikai léptékben sok is a géncsere, az nem jelenti azt, hogy egy generációra vetítve is gyakori lenne. "Ez a szuperorganizmus azoknak a molekulárbiológusoknak a kedvenc képe, akik egyszer sem számolták ki egy ilyen feltételezésnek a populációgenetikai következményeit" - zárja értékelését Szathmáry professzor.