Vědci objevují způsoby, jak si jednotlivé buňky mohly vyvinout vlastnosti, které je zakořenily ve skupinovém chování, čímž dláždí cestu pro mnohobuněčný život. Tyto objevy by mohly objasnit, jak složitý mimozemský život se může vyvíjet na cizích světech.
Vědci podrobně popsali tato zjištění ve vydání časopisu Science z 24. října.
První známé jednobuněčné organismy se na Zemi objevily asi před 3,5 miliardami let, tedy zhruba miliardu let po vzniku Země. Složitější formy života se vyvíjely déle, přičemž první mnohobuněční živočichové se objevili až před asi 600 miliony let.
Evoluce mnohobuněčného života z jednodušších jednobuněčných mikrobů byla klíčovým momentem v historii biologie na Zemi a drasticky přetvořila ekologii planety. Jednou záhadou mnohobuněčných organismů však je, proč se buňky nevrátily zpět k jednobuněčnému životu.
"Jednobuněčnost je jednoznačně úspěšná - jednobuněčné organismy jsou mnohem hojnější než mnohobuněčné organismy a existují minimálně další 2 miliardy let," řekl hlavní autor studie Eric Libby, matematický biolog z Institutu Santa Fe v Novém Mexiku. "Takže jaká je výhoda být mnohobuněčný a zůstat tak?"
Odpovědí na tuto otázku je obvykle spolupráce, protože buňky těžily více ze spolupráce než ze života samy. Ve scénářích spolupráce však neustále existují lákavé příležitosti, „aby se buňky vyhýbaly svým povinnostem – tedy podvádět,“řekla Libby.
"Jako příklad si vezměme mravenčí kolonii, kde vajíčka snáší pouze královna a dělnice, které se nemohou rozmnožovat, se musí obětovat pro kolonii," řekla Libby. "Co brání mravenčímu dělníkovi opustit kolonii a vytvořit novou kolonii? No, mravenčí dělnice se zjevně nemůže rozmnožovat, takže nemůže založit vlastní kolonii. Ale pokud by dostal mutaci, která mu to umožnila, pak by to bylo pro kolonii skutečný problém. Tento druh boje převládá v evoluci mnohobuněčnosti, protože první mnohobuněčné organismy byly pouze mutací, aby byly striktně jednobuněčné.“
Experimenty ukázaly, že skupina mikrobů, která vylučuje užitečné molekuly, z nichž mohou mít prospěch všichni členové skupiny, může růst rychleji než skupiny, které to nedělají. Ale v rámci této skupiny, freeloaders, kteří nevynakládají zdroje nebo energii na vylučování těchto molekul, rostou nejrychleji ze všech. Dalším příkladem buněk, které rostou způsobem, který poškozuje ostatní členy jejich skupin, jsou rakovinné buňky, které jsou potenciálním problémem pro všechny mnohobuněčné organismy.
Mnoho primitivních mnohobuněčných organismů pravděpodobně zažilo jak jednobuněčné, tak mnohobuněčné stavy, které poskytovaly příležitosti vzdát se skupinového životního stylu. Například bakterie Pseudomonas fluorescens se rychle vyvíjí a vytváří mnohobuněčné rohože na površích, aby získaly lepší přístup ke kyslíku. Jakmile se však rohož vytvoří, jednobuněční podvodníci mají motivaci nevytvářet lepidlo odpovědné za tvorbu rohože, což nakonec vede ke zničení rohože.
Aby se vyřešila záhada, jak přetrvával mnohobuněčný život, vědci navrhují to, co nazývají „rachovací mechanismy“. Ráčny jsou zařízení, která umožňují pohyb pouze jedním směrem. Analogicky jsou mechanismy ráčkování rysy, které poskytují výhody ve skupinovém kontextu, ale jsou škodlivé pro samotáře a v konečném důsledku brání návratu k jednobuněčnému stavu, řekl Libby a spoluautor studie William Ratcliff z Georgia Institute of Technology v Atlantě.
Obecně platí, že čím více je díky rysu buňky ve skupině vzájemně závislé, tím více slouží jako rohatka. Skupiny buněk mohou například rozdělit práci tak, že některé buňky pěstují jednu životně důležitou molekulu, zatímco jiné buňky pěstují jinou esenciální sloučeninu, takže tyto buňky fungují lépe společně než odděleně, což je myšlenka podpořená nedávnými experimenty s bakteriemi.
Ratcheting může také vysvětlit symbiózu mezi starověkými mikroby, která vedla k tomu, že symbionti žili uvnitř buněk, jako jsou mitochondrie a chloroplasty, které svým hostitelům pomáhají využívat kyslík a sluneční světlo. Jednobuněčným organismům známým jako Paramecia se při experimentálním odvození z fotosyntetických symbiontů vede špatně a symbionti zase typicky ztrácejí geny, které jsou nutné pro život mimo jejich hostitele.
Tyto západkové mechanismy mohou vést ke zdánlivě nesmyslným výsledkům. Například apoptóza nebo programovaná buněčná smrt je proces, při kterém buňka v podstatě podstoupí sebevraždu. Experimenty však ukazují, že vyšší míra apoptózy může mít ve skutečnosti výhody. Ve velkých shlucích kvasinkových buněk se apoptotické buňky chovají jako slabé články, jejichž smrt umožňuje malým shlukům kvasinkových buněk uvolnit se a dále se šířit jinam, kde by mohly mít více prostoru a živin k růstu.
"Tato výhoda nefunguje pro jednotlivé buňky, což znamenalo, že každá buňka, která opustila skupinu, by byla znevýhodněna," řekla Libby. "Tato práce ukazuje, že buňka žijící ve skupině může zažít zásadně odlišné prostředí než buňka žijící sama o sobě. Prostředí může být tak odlišné, že vlastnosti, které jsou pro osamělý organismus katastrofální, jako je zvýšená míra smrti, mohou být pro buňky výhodné." ve skupině."
Pokud jde o to, co tato zjištění znamenají při hledání mimozemského života, Libby řekla, že tento výzkum naznačuje, že mimozemské chování se může zdát zvláštní, dokud člověk lépe nepochopí, že organismus může být členem nějaké skupiny.
"Organismy v komunitách mohou přijmout chování, které by se zdálo bizarní nebo kontraintuitivní, aniž by řádně zvážily jejich komunitní kontext," řekla Libby. "Je to v podstatě připomínka toho, že dílek skládačky je hádankou, dokud nevíte, jak zapadá do širšího kontextu."
Libby a jeho kolegové plánují identifikovat další západkové mechanismy.
"Máme také v práci nějaké experimenty, abychom vypočítali stabilitu poskytovanou některými možnými rysy ratchetingu," řekla Libby.
