Pojawienie się organizmów wielokomórkowych uchodzi za jeden z przełomowych momentów w ewolucji życia na Ziemi, ale ciągle dość niewiele wiadomo, jak naprawdę do tego doszło. Choć w ostatnich latach, dzięki coraz bardziej pomysłowym metodom badawczym, uzyskujemy nieco lepszy wgląd w ten etap rozwoju życia na naszej planecie, to obserwowanie przebiegu procesów ewolucyjnych na żywo w laboratorium nadal stanowi okazję, której niewielu naukowców byłoby w stanie się oprzeć.

Badania laboratoryjne dają komfort kontrolowania wielu potencjalnie istotnych zmiennych, co pozwala uzyskać bezpośredni wgląd w przebieg doniosłych procesów ewolucyjnych i umożliwia ich precyzyjny pomiar, a jako badania eksperymentalne nie posiadają tych ograniczeń metodologicznych, które są typowe dla badań paleontologicznych, studiów porównawczych i in.

Obserwowanie ewolucji w warunkach laboratoryjnych ma oczywiście swoje ograniczenia, do których należy przede wszystkim stosunkowo długi (w skali życia ludzkiego) cykl życiowy wielu organizmów żywych i "sztuczność" wykreowanych warunków. Z drugiej strony w przypadku wielu stosunkowo prostych form życia, takich jak jednokomórkowe bakterie czy grzyby, przeprowadzenie stosownych obserwacji w ciągu dziesiątek, setek a nawet tysięcy pokoleń nie musi trwać wcale długo i mieści się w rozsądnych granicach czasowych, przy jednoczesnym zaangażowaniu stosunkowo niewielkich środków organizacyjnych i finansowych.

Okazuje się ponadto, że ewolucja niektórych cech organizmów przebiega w warunkach laboratoryjnych naprawdę szybko. Udowodnili to po raz kolejny naukowcy z Uniwersytetu Minnesoty w Minneapolis (Stany Zjednoczone): William C. Ratcliff, R. Ford Denison, Mark Borrello i Michael Travisano, prowadząc w warunkach laboratoryjnych badania nad ewolucją wielokomórkowych drożdży (Saccharomyces cerevisiae). Wyniki ich prac zostały opublikowane na łamach Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) w wydaniu internetowym z dnia 17 stycznia 2012.

"Zrozumienie, w jaki sposób przebiegała ewolucja od jednokomórkowych przodków do złożonych wielokomórkowych organizmów jest bardzo trudnym wyzwaniem, ponieważ pierwsze etapy tej drogi przypadają na głęboką prehistorię (ponad 200 mln lat temu) - zwracają uwagę naukowcy. - Z tego powodu formy przejściowe dawno wyginęły, a niewiele wiadomo na temat fizjologii, ekologii i procesów ewolucyjnych w początkowych stadiach rozwoju organizmów wielokomórkowych".

Mimo tych dotkliwych ograniczeń zazwyczaj akceptuje się stanowisko, że zmiany, które prowadziły do powstania wielokomórkowców musiały przebiegać na poziomie genotypu. Zaczątki tego procesu mogły być związane ze skłonnością genetycznie różnych komórek do tworzenia skupisk lub też z przywieraniem do siebie komórek pochodzących z podziału wspólnej macierzystej komórki. Natomiast nadal bez jednoznacznej odpowiedzi pozostaje pytanie o to, jakie czynniki środowiskowe sprzyjały rozwinięciu się form wielokomórkowych z jednokomórkowców.

"My wykorzystaliśmy siły grawitacji w celu wyhodowania prymitywnych wielokomórkowych drożdży z jednokomórkowych drożdży z gatunku Saccharomyces cerevisiae - komentują autorzy badań. Zlepki komórek opadają w płynie szybciej niż pojedyncze komórki, co pozwoliło nam na wyselekcjonowanie genotypów sprzyjających ich powstawaniu".

Jak zaznaczają badacze, wybór takiego a nie innego sposobu selekcji wynikał jedynie stąd, że w warunkach eksperymentalnych pozwala on na wyselekcjonowanie obiektów o większych rozmiarach, a nie dlatego, że przypomina czynniki działające w naturze.

Sama procedura badań nie była więc zbyt spektakularna i - jak zaznaczają niektórzy komentatorzy - można ją bez trudu powtórzyć w prostym laboratorium, a nawet (przy niezbędnej dozie wytrwałości i sumienności) w warunkach domowych.

Kilkanaście populacji jednokomórkowych drożdży umieszczono w płynnej pożywce. Po pewnym czasie drożdże, które opadły i znalazły się w dolnej części pipety (rurki), przenoszono do czystej pożywki w nowych naczyniach. Kryteria selekcji stopniowo zaostrzano.

W ten sposób już po sześćdziesięciokrotnym powtórzeniu procedury hodowla została zdominowana przez drożdżowe kolonie w kształcie śnieżynek. Jak do tego doszło?

Po pierwsze, wyniki badań wskazują, że do powstawania wielokomórkowych kolonii drożdży dochodzi poprzez zlepianie się komórek pochodzących z podziału jednej komórki macierzystej.

Po drugie, uzyskana w toku selekcji cecha prymitywnej wielokomórkowości okazała się względnie stabilna, co pośrednio wskazuje na jej genetyczne podłoże. Każda pojedyncza komórka pochodząca ze śnieżynkopodobnego szczepu dawała początek kolejnej wielokomórkowej kolonii. W toku dalszego 35-krotnego powtórzenia procedury nie zaobserwowano powrotu do form jednokomórkowych. Śnieżynkopodobny szczep różnił się również od jednokomórkowych drożdży pod względem cech fenotypowych.

Naukowcy zauważają, że wyniki ich badań pozostają spójne z szeregiem innych obserwacji na temat tempa i sposobu ewolucji wielokomórkowości, w tym również z doniesieniami wskazującymi, że pojawienie się organizmów wielokomórkowych wcale nie musiało być związane z nadzwyczajnym wzrostem złożoności genomu. "W ciągu rozwoju życia na Ziemi wielokomórkowce wyewoluowały wielokrotnie w niepowiązanych ze sobą grupach filogenetycznych. Potencjał związany z ewolucją wielokomórkowości może napotykać na o wiele mniej przeszkód, niż się to często postuluje".

Referencje dokumentu: William C. Ratcliff, R. Ford Denison, Mark Borrello, Michael Travisano 'Experimental evolution of multicellularity' doi: 10.1073/pnas.1115323109 PNAS January 17, 2012

Fot. Wikimedia Commons