Co stálo na počátku naší evoluce?

Odpověď na tuto otázku hledají vědci z Georgijského technologického institutu v americké Atlantě, kteří před deseti lety zahájili první evoluční experiment svého druhu. Popisují ho v časopisu Nature.

Cílem bylo odhalit, jak na Zemi vznikl mnohobuněčný život.

Vědci během studie v laboratorních podmínkách pozorovali 3000 generací kvasinek a také – zrod primitivní mnohobuněčnosti. Popsali, jak se živé organismy dostanou od jedné buňky k mnoha buňkám, které sdílejí společný osud a vytvoří tělo.

Jak postavit tělo z buněk

Mnohobuněčný život platí za nejviditelnější typ organismu na naší planetě. Lidé, velryby či stromy jsou jako mnohobuněčné organismy evolučně daleko schopnější než jednobuněčné formy života.

Funkce jednotlivých buněk jsou přitom pod naše rozlišovací schopnosti. Denně je v našich tělech nahrazeno 330 miliard buněk (nejčastěji krvinek), aniž bychom tomu věnovali pozornost.

Jak se mnohobuněčné organismy vyvinuly z jednobuněčných předků, přitom dosud není zcela jasné.

Tento přechod nastal před stovkami milionů let a rané mnohobuněčné druhy jsou z velké části ztraceny. Nahradily je další, evolučně zdatnější následovníci. Výzkumníkům proto nezbývá, než jev sledovat z modelových experimentů.

Vědci z Georgijského technologického institutu pod vedením Williama Ratcliffa studují vývoj mnohobuněčnosti na kvasinkách. Od roku 2013 pěstují buňky kvasinek uvnitř inkubátorů a každý den vybírají ty nejzdatnější jednobuněčné organismy, aby s nimi další den zahájili experiment znovu.

Dosud tímto způsobem vzniklo na 3000 generací kvasinek.

„Cílem bylo pochopit, jak se z jednoduchých skupin buněk vyvíjejí organismy se specializací, koordinovaným růstem a chováním i životními cykly. Právě to odlišuje hromádku jezerní špíny od organismu schopného trvalé evoluce,“ vysvětluje Ratcliff v deníku The New York Times.

Následovali kroky ‚matky přírody‘

Tým vybíral kvasinky podle velikosti jejich buněk. Větší buňky se tak mohly množit v inkubátoru, menším to bylo upřeno, protože výzkumníky zajímal především rozvoj mnohobuněčnosti. Proto vysávali kvasinky, které nejrychleji klesly ke dnu, a pak je použili k vypěstování populace na další den.

V dlouhodobém experimentu vlastně následovali kroky matky přírody – všechny mnohobuněčné linie začínaly jako malé a jednoduché, teprve postupem času se některé vyvinuly ve větší a robustnější organismy. I naši evoluční prapra… předkové byli kdysi jednobuněčnými formami života.

Předpokládá se, že právě schopnost pěstovat velká a odolná těla hrála významnou roli při zvyšování složitosti organismu, protože při ní buňky musejí prokázat schopnost evoluční inovace. Tato hypotéza však nikdy nebyla přímo testována v laboratoři… Až do experimentu Ratcliffova týmu.

Zkoumané kvasinky byly na konci experimentu, který profesor Ratcliff vedl, i více než 20 000krát větší než jejich předci. Z okem neviditelných mikroorganismů postupně vznikly shluky buněk o velikosti mušky, které obsahovaly více než půl milionu buněk.

Také na úrovni jednotlivých buněk nastaly změny. Malé buňky se prodloužily, čímž se snížila hustota buněk ve skupině. Toto prodloužení buněk zpomalilo hromadění napětí mezi buňkami, které by za normálních okolností způsobilo rozpad shluků.

Co jsme ještě neviděli

Vědci v experimentu odhalili existenci nového fyzikálního mechanismu, který umožňuje skupinám narůst do značné velikosti.

„Větve kvasinek se uvnitř narůstajících kolonií propletly. Buňky takového shluku si vyvinuly chování podobné vinné révě, ovíjely se kolem sebe a zpevňovaly tak celou strukturu,“ říká jeden z autorů studie, Ozan Bozdag,

Selektivním výběrem organismů podle jejich velikostí tak výzkumníci nepřímo aktivovali fyzikální mechanismus propletení. Díky němu kolonie kvasinek získala 10 000krát vyšší pevnost, než jakou mají jednotlivé buňky. Výzkumníci upozorňují, že jev propletení byl již dříve pozorován například v polymerech, ale tato studie je první, která odhalila vznik této schopnosti v živých systémech.

Tým nyní zkoumá, zda si shluky kvasinek mohou vyvinout způsoby, jak dostat živiny ke svým nejvnitřnějším členům. Pokud se jim to podaří, mohly by nám laboratorní kvasinky v Atlantě prozradit ještě víc o tom, jak to vypadalo před dávnými věky, kdy si naši prapra… předkové začali poprvé stavět těla z buněk.