A korai evolúció és a többsejtűek kialakulása

Az élet története igen hosszú. A Föld 4,54 milliárd éves, az óceánok 4,5 milliárd éve jelentek meg. A jelenlegi becslések alapján az élet már nem sokkal ezután, 4,41 milliárd éve megjelenhetett, de 3,465 milliárd éve már egész biztosan kialakultak az első egysejtű élőlények. Ezután sok-sok száz millió évig nagyon lassan haladtak a dolgok. 2,1-1,7 milliárd évvel ezelőtt megjelentek a sejtmaggal rendelkező sejtek, az eukarióták, és közöttük kialakultak az endoszimbióta mitokondriumokkal felszerelt egysejtű „állatok” (és „gombák”) valamint a mitokondriumokkal és színtestekkel (chloroplasztokkal) bíró egysejtű „növények”. Ekkor begyorsult a fejlődés, mivel a sejtmag bonyolultabb genetikai szabályozási mechanizmusokat tett lehetővé. Az evolúció hatékonyabban kezdhetett el kísérletezni, illetve több üzemanyag is állt a rendelkezésére, mert az endoszimbionták hatékonyan gyorsították az eukarióták anyagcseréjét. Azért még így is 1 milliárd évet kellett várni az első többsejtűek felbukkanására, ami azután következett be 650 millió éve, hogy megúsztuk, a Föld örökre hógolyóvá fagyjon. Ezek kezdetben csak hasonló sejtekből álló kupacok, majd kicsit később testüreggel rendelkező szivacsszerűségek voltak. Ezek a jószágok legtöbbnyire csak lebegtek, táplálékot szűrögettek a tengerből, sok érdekeset nem csináltak (meg se kövesedtek). Aztán valami történt és mint az 575 millió évvel ezelőtti Avalon robbanást megörökítő ausztráliában talált Ediacara fauna, majd az ezt követő Kambriumi robbanást megőrző kanadai Burghess pala bemutatja, hihetetlen sebességgel alakultak ki a bonyolultabb életformák. Megjelentek a lábak, karmok, szemek, állkapcsok. Ezeknek azonban csak akkor van szerepe, ha az állat tudja merre kell menni, mit kell elkapni és mi elöl kell menekülni.

Az idegrendszer kialakulása tehát alapvető lépése volt a testszerkezet bonyolódásának. Az idegrendszer meghatározó szerepe meg is őrződött az alapvető embrionális folyamatokba kövesedve.

Egy megtermékenyített petesejtből kialakuló zigóta (egyszerű soksejtű sejtcsomó) felszínén lemezbe kezd tömörödni az osztódó sejtek egy része. Ezek alkotják majd az élőlény kültakaróját, bőrét, szaknyelven az ektodermát (hám), az első csíralemezt. Az első struktúra, ami ezeken a lemezeken kifejlődik az egy redő, az alján egy hosszanti mélyedéssel. Ez a hosszú mélyedés lefűződik, ebből lesz a velőcső, a központi idegrendszer alapja és őse. Ekkor az állatkának még se bele, se izmai, se csontjai nincsenek. Ezek kialakulását majd a velőcső és az ektoderma (hám) összjátéka fogja kialakítani. A gerinc őse a notochord (a harmadik csíralemez, a mesoderma egyik első eleme) a velőcső alatt kezd kialakulni a belet alkotó entoderma (második csíralemez) pedig ennek túloldalán. Az idegsejtek és bőr hámsejtjei tehát igen közel állnak egymáshoz kialakulásukban és genetikai szabályozásukban. A hámsejtek bizonyos fajtáinak külvilág felé eső felszínén csillók találhatók. De találhatunk csillókat érzéksejteken is, sőt sokszor találtam az elektronmikroszkópos vizsgálódásaim során olyan agykérgi idegsejtet, amely „megfeledkezett” arról, hogy ő már nem hámsejt és néhány csilló fityegett a sejtmagja közelében.
De miért alakultak ki többsejtű szervezetek és mi történt a többsejtűség megjelenésekor?

Ha egy élőlény többféle feladatot tud megoldani, több vagy nehezebb környezetben is hatékonyan meg tud élni és ezzel előnyre tesz szert versenytársaival szemben. Egy sejt a genetikai szabályozás, a sejtfelépítés megkötései és a sejten belüli jel-átvivő rendszerek kis száma miatt egyszerre viszonylag kevés feladatnak tud jól megfelelni és kevés ingerre tud megfelelően reagálni. Az például, hogy egy sejt ellenálló legyen, ellentétes kívánalmakat támaszt azzal, hogy egy sejt hatékonyan tudjon tápanyagot felvenni. Az egyik esetben egy erős, ellenálló sejthártya szerkezetet kell építeni a másikban egy olyat, mely tele van anyagokat átengedő csatornákkal. Hasonlóan ellentétesek a merevség és a rugalmasság, alakíthatóság molekuláris szerkezeti elvárásai. Ezt a problémát az evolúció úgy oldotta meg, hogy míg korábban a sejtosztódás során (a szaporodás egyetlen formája) a két utódsejt egyforma tulajdonságokkal bírt és szétvált, a többsejtűség kialakulásakor a sejtek összetapadva maradtak és eltérő tulajdonságokat kezdtek el mutatni. A feladatmegosztásból az együtt maradt sejtek mindegyike előnyöket szerzett, igaz ezzel elköteleződött a közösségi élet felé (önmagában már nem lenne életképes), kialakult egy magasabb szintű életforma az egyed.
 
A feladatmegosztás során a felszínen maradó sejtek más szerkezeteket építettek és eltérő anyagcsere folyamatokat kezdtek el használni, mint a mélyebben fekvő sejtek. Ehhez persze szükség volt arra, hogy a megfelelő szabályozó rendszerek és az őket megvalósító genetikai szabályozó mechanizmusok, illetve szerkezetet és működést megvalósító fehérjék ki is kialakuljanak. Megjelentek a sejtfelszínen a különböző sejt-azonosságot mutató molekulák, aminek az alapján két összeérő sejt jelezni és érzékelni tudta szomszédjának mi a feladata és hogy ő maga milyen irányba specializálódjon, milyen szakértelmet „fejlesszen”, miben legyen jó. Egy nemrég feltárt érdekes tény - hogy bár azt hisszük a sejtek feladatmegosztása csak a többsejtűekre jellemző és viszonylag késői evolúciós lépés – a baktériumok genetikai szabályozási hálózatának, génkészletének vizsgálata kimutatta, hogy az egyedi sejtfunkciók kialakulásának jelensége már itt megjelent.
Egy élőlény több ezer gént tartalmaz. A genetikusok igáslova a kóli baktérium (Eschericia coli) kicsit többet, mint 4.000-et. Az ember genomja 24.000 fehérje kódoló gént és 34.000 olyan szakaszt tartalmaz, ami részt vesz a szabályozásban. Egy fehérjét kódoló gén nem csak a fehérjét leíró információt hordozza, hanem a DNS szálon ennek környezetében olyan szakaszok is megtalálhatók, melyek azáltal, hogy szabályozó molekulákat kötnek meg be vagy kikapcsolják az adott fehérje készítését.
No ez az a pont, ahol nem kanyarodunk el a szakadék fele és nem megyünk bele a hihetetlenül érdekes genetikai szabályozás mechanizmusaiba, mert másfelé vezet az utunk (de azért lásd nemrégiben megjelent #agyhírek rovat cikkünk felvezetőjét). A lényeg annyit tudni, hogy a gének szabályozó elemei egy hihetetlen bonyolult hálózatot alkotnak. A hálózat elemzés módszereit használva a biológusok kimutatták, hogy ezek a szabályozó hálózatok is nagyon korán kialakultak és az evolúció során megőrződtek. Az többféle tápanyag feldolgozására szakosodott anyagcsere alrendszerek mellett megtalálható a DNS másolás, javítás és sejtosztódás szabályozás alrendszere, a sejtet fenyegető környezeti hatásokra reagáló alrendszerek és meglepő módon már a baktériumokban megjelennek a feladatmegosztáshoz szükséges gének és szabályozó rendszerek, melyek a mozgás szabályozásában és a biofilmek kialakításában játszanak szerepet.