Együtt sikeresebbek lehetünk?
Régóta ismert, hogy a közösségi működés alapelvei nagyon hasonlóak az emberek és a társas állatok esetében. Egy közösségben a tagok versenyezhetnek társaikkal, de össze is foghatnak olyan kihívások megoldására, amelyeket egyedül egyikük se tudna megoldani. Egészséges szervezet esetében ezek a kölcsönhatások kiegyensúlyozottak, mind a tagok, mind a szervezetek gyarapodnak, tulajdonságaik pedig elterjednek a populációban.
A mikrobák jó modellnek bizonyulnak a közösségek kialakulásának és stabilitásának megértésében. Ők is azért küzdenek együtt, hogy a korlátozott erőforrásokhoz (helyhez, tápanyaghoz, energiához) jobban hozzáférjenek, ezáltal növekedjenek és szaporodjanak. Közösségeikben a különböző fajok különböző feladatokra specializálódva működnek együtt. A prokarióták (legegyszerűbb élőlények) körében rendkívül elterjedt a kooperatív, „társas táplálkozás”, az ún. szintrófia. Többségük egyedül nem is képes megélni: anyagcsere-partnereiktől függenek, akik erőforrásokat biztosítanak számukra. A mikrobák azért hódíthatták meg a Föld minden lehetséges élőhelyét, mert
képesek olyan anyagcsere-termékeket előállítani, amelyeket megoszthatnak egymással.
Ráadásul képesek egymásba is költözni. Egyes hipotézisek szerint, amikor két szabadon élő prokarióta végzetesen függeni kezdett egymástól, az egyik sejt beköltözött a másikba, így alakult ki a mitokondrium, az eukarióta sejt, végezetül az összes mai eukarióta, köztük az ember is. Számos nagy evolúciós átmenetre jellemző az ilyen típusú integráció, ahol az egyedek lemondanak az autonóm szaporodásukról a „nagyobb jó” érdekében.
A mikrobák kontextusában azt várjuk, hogy a kölcsönösen együttműködő szintróf fajok erős szimbiózisokat alkotnak, amelyek ellenállnak a csalóknak. És ezt látjuk is: a szintrófia rendkívül elterjedt a prokarióták között. Az evolúciós átmenetek elmélete szerint
a sikeres partnerségek annyira függővé válhatnak egymástól, hogy teljesen integrálódnak,
és a pár az evolúció új egységévé válik. Egészen meglepő módon azonban a szintróf egysejtűek soha nem költöznek egymásba véglegesen. Egyetlen autonóm endoszimbionta prokarióta partnerkapcsolatot sem ismerünk. Az eukarióta sejt kialakulása (2 milliárd éve) volt talán az egyetlen olyan eset, amelyben két prokarióta faj egyesítette erőit, hogy egy rendkívül sikeres új evolúciós egységet hozzanak létre.
A kutatók szerették volna jobban megérteni a folyamatot. A Scientific Reports-ban megjelent tanulmányukban egysejtű fajpárok közötti különböző kooperatív kölcsönhatások ökológiai és evolúciós stabilitását vizsgálták. Arra voltak kíváncsiak, hogy a szintróf kölcsönhatásokban van-e olyan eredendő instabilitás, amely akadályozza a fajok további integrációját, és hogy ez az instabilitás az önző csalóknak köszönhető-e.
Ugyanis van egy komoly probléma minden együttműködéssel, legyen az mikrobiális vagy emberi. Együttműködni kockázatos: költséget kell vállalni azért, hogy mások számára előnyöket biztosítsunk, anélkül, hogy garantált lenne, hogy ezt valaha is visszakapjuk. Például egy egysejtű termelhet tápanyagot egy másiknak, amelyik cserébe egy másik terméket termel az egyiknek.
A kölcsönösen előnyös kereszt-táplálás során a páros jobban tud fejlődni,
mint az egyedek külön-külön. Ez azonban költséges: a másik táplálása energiát von el a növekedéstől. Ha megjelenik egy mutáns, amely nem termel semmit, akkor az "ingyenélőként" könnyen növelheti rátermettségét, és gyorsan túlnőhet az együttműködő fajokon. Ha nincsenek olyan mechanizmusok, amelyek az együttműködést előnyben részesítik a csalással szemben, akkor az együttműködés kudarcra van ítélve, ami a közösség végső széteséséhez vezet.
De melyik a jobb szintróf stratégia az önző csalókkal szemben? Ha van olyan partnerünk, aki képes semlegesíteni (elfogyasztani) a mellékterméküket (kereszt-táplálás), vagy ha olyan partnerünk van, akivel együtt hatékonyabban tudjuk feldolgozni (pl. kiválasztott enzimek segítségével) a környezetben megtalálható erőforrásokat (kereszt-segítés)? Mint a kutatásból kiderült,
a kereszt-segítés eredendően instabil a csalók miatt.
Ezzel szemben az egymás melléktermékén való kereszt-táplálás ökológiai és evolúciós szempontból is stabil a csalókkal szemben.
„Egy, a környezetbe kiválasztott enzim a termelő hasznát szolgálja, de ha a végeredményt (az elemésztett erőforrást) valaki más veszi fel, akkor ez a személyes haszon nullára csökken, így a termelő nettó veszteséget szenved. Ugyanakkor, ha valaki a partnere mérgező hulladékát elfogyasztja, s ezzel eltávolítja a környezetből, az azonnal privát hasznot hajt mindkét félnek, amelyet semmilyen opportunista csaló nem tud kihasználni. A csaló dönthet úgy, hogy nem veszi fel valaki más szemetét, de akkor egy új mutáns, aki mégis megeszi azt, gyorsabban nőhet, és így előnybe kerül a csalóval szemben. Ez teszi lehetővé a szimmetrikus együttműködést” – mondja Zachar István, az ELTE Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék tudományos főmunkatársa.
A kereszt-táplálás tehát alkalmasabb kiindulási állapot a mikrobiális szimbiózis, a fizikai integráció (endoszimbiózis), és végül az új sejtszervecskét eredményező nagy evolúciós átmenet felé vezető úton, mint pl. az enzimatikus kereszt-segítés. Ezek az eredmények nem zárják ki, hogy más mechanizmusok is szerepet játszanak az endoszimbiózisok kialakulásában, ugyanakkor azt sugallják, hogy ha a szintrófia volt a mitokondriális integráció első lépése, akkor valami más akadályozza meg, hogy a prokarióta szintrófiák tömegesen lépjenek endoszimbiózisra.
A tanulmányról készült blogbejegyzés eredetileg a Nature Ecology and Evolution oldalán jelent meg.
Forrás: ELTE Biológiai Intézet