Το μυστικό της ύπαρξής μας: Από το πρώτο κύτταρο στον πολυκύτταρο οργανισμό

Του Μανώλη Κουφόπουλου, 

Το μυστήριο της δημιουργίας του πρώτου κυττάρου είναι από τα μεγαλύτερα στον κόσμο της βιολογίας. Δεκάδες διαφορετικές θεωρίες προσεγγίζουν, άλλες ακροθιγώς και άλλες επιμελώς, το ζήτημα, προσπαθώντας να φέρουν στο φως την πολυπόθητη απάντηση. Ορισμένοι, μάλιστα, θεωρώντας εξαιρετικά δύσκολη την αποκρυπτογράφηση της αλήθειας ονομάζουν οποιαδήποτε προσπάθεια μάταια. Αυτό φυσικά δεν σταμάτησε, ούτε πρόκειται να δώσει τέλος στον αγώνα των επιστημόνων.

Παρόλο που δεν έχουμε πλήρη εικόνα για την έναρξη της ζωής, αυτό που ξέρουμε είναι ότι η πορεία από το πρώτο κύτταρο στους πολυκύτταρους οργανισμούς και φυσικά στον άνθρωπο πέρασε από ένα κρίσιμο σημείο. Αυτό χαρακτηρίζεται από την έλευση των ευκαρυωτικών κυττάρων. Ίσως μάλιστα αυτό ήταν και το έναυσμα για τη δημιουργία ενός θαυματουργού νέου κόσμου. Έναν κόσμο γεμάτο εκπλήξεις και αλλαγές. Έναν κόσμο με εκατομμύρια διαφορετικά είδη. Άλλα μικρά, άλλα μεγάλα, μα όλα προκύπτουν από έναν κοινό πρόγονο.

Για να δούμε, λοιπόν, μία σύντομη ιστορία από τα πρωτοκύτταρα στα ευκαρυωτικά και έπειτα στην κορωνίδα της εξέλιξης, τους πολυκύτταρους οργανισμούς. Τα πρωτοκύτταρα μέσα στο πρωτόγονο περιβάλλον τους συνέχισαν να εξελίσσονται και να δημιουργούν όλο και πιο πολύπλοκα συστήματα. Είναι, λοιπόν, εύλογο να αναρωτηθούμε, αν όλη η ζωή στον πλανήτη είχε έναν κοινό πρόγονο (LUCA: Last Universal Common Ancestor) ή αν διαφορετικά πρωτοκύτταρα έδωσαν πνοή στα διαφορετικά βασίλεια της ζωής, ακόμα και στα διαφορετικά είδη που άφησαν και συνεχίζουν να αφήνουν το στίγμα τους στον πλανήτη γη. Η απάντηση που θα δώσουμε ίσως να αλλάξει τον τρόπο που σκεφτόμαστε για τα είδη και την εξελικτική τους πορεία.

Μέχρι τώρα, υπήρχαν πολλά στοιχεία που να μας παραπέμπουν σε κοινό πρόγονο. Συγκεκριμένα, η γενετική ομοιότητα, ο σχεδόν καθολικός γενετικός κώδικας και η συμφωνία μορφολογίας–φυλογένεσης αποτελούν μερικά από τα τεκμήρια. Όμως, αυτή η ομοιότητα θα μπορούσε να είναι τυχαία λόγω συγκλίνουσας εξέλιξης, δομικών περιορισμών στην εξέλιξη και τυχαίων διαδικασιών. Για αυτόν τον λόγο πρόσφατα έγινε μία προσπάθεια για να αποδειχθεί αν η ζωή στον πλανήτη είχε κάποιον κοινό πρόγονο.

Συγκεκριμένα, προστέθηκαν όσες περισσότερες παράμετροι ήταν δυνατόν, ώστε η θεωρία να ανταποκρίνεται καλύτερα στην πραγματικότητα. Λήφθηκε, για παράδειγμα, υπόψη το ενδεχόμενο να μην υπήρχε LUCA και οι ομοιότητες να είναι τυχαίες. Ο υπολογισμός της πιθανότητας να υπήρχε LUCA βασίστηκε σε 23 οικουμενικές πρωτεΐνες απαραίτητες για όλα τα είδη στη γη. Η πιθανότητα να είχαμε όλοι έναν κοινό πρόγονο βγήκε αστρονομικά μεγάλη, σε αντίθεση με την πιθανότητα να προκύψαμε ξεχωριστά. Δεδομένου ότι μιλάμε για στατιστικά δεδομένα οφείλουμε να έχουμε στο πίσω μέρος του μυαλού μας, ότι θα μπορούσε η πραγματικότητα να είναι διαφορετική, απλώς αυτή η θεωρία είναι πιθανότερη από άλλες που έχουν προταθεί (10²⁸⁶⁰ φορές).

Η πορεία προς τα ευκαρυωτικά κύτταρα

Ένα από τα μεγαλύτερα βήματα από το πρώτο κύτταρο προς τον άνθρωπο ήταν η εμφάνιση των ευκαρυωτικών κυττάρων, τα οποία, όπως θα δούμε, ήταν αυτά που επέτρεψαν την περαιτέρω εξελικτική πορεία που μας έφερε μέχρι εδώ. Μετά από μελέτες πάνω σε ευκαρυωτικά κύτταρα, οι επιστήμονες κατέληξαν στο γεγονός ότι πρόκειται για υβριδικά κύτταρα που περιέχουν γονίδια, που απαντώνται σε αρχαία και βακτήρια, λόγω σύντηξης των δύο ειδών. Βέβαια, ακόμα δεν είναι γνωστό ποιο είδος προκαρυωτικού κυττάρου και αρχαίου οδήγησε στα ευκαρυωτικά κύτταρα, ούτε σε τι ποσοστό συνεισέφερε το καθένα.

Ποιος ήταν, όμως, ο ρόλος αυτής της σύντηξης; Κάποιοι υποστηρίζουν ότι η ενδοσυμβίωση είναι ο λόγος που οδηγηθήκαμε στα ευκαρυωτικά κύτταρα, ενώ άλλοι θεωρούν ότι αυτή ήταν ένα ενδιάμεσο στάδιο στην εξελικτική πορεία. Σύμφωνα με τα δεδομένα που έχουμε, η πρώτη θεωρία φαίνεται να είναι πιο πιθανή, καθώς άσκησε υψηλή εξελικτική πίεση. Ανεξάρτητα βέβαια με τον τρόπο με τον οποίο το πρώτο ευκαρυωτικό κύτταρο δημιουργήθηκε, έχει βρεθεί ότι αυτό που βοήθησε στην επιβίωση και στην εξέλιξή του μέχρι να φτάσουμε στον πρόγονο όλων των ευκαρυωτικών οργανισμών της Γης (LECA: Last Eukaryotic Common Ancestor) ήταν o διαφορετικός έλεγχος πάνω στα γονίδιά του.

Η εύρεση, δηλαδή, διαφορετικών μηχανισμών χρήσης των ήδη υπαρχουσών πρωτεϊνών είναι αυτό που καθόρισε την εξελικτική γραμμή. Είναι χαρακτηριστικό, ότι μέχρι να φτάσουμε στο LECA, το συνολικό γονιδίωμα (γενετικό υλικό) του ευκαρυωτικού κυττάρου είχε διπλασιαστεί σε μέγεθος, κυρίως λόγω διπλασιασμών σε κρίσιμα γονίδια του κυτταρικού κύκλου και διαφόρων μεταβολικών πορειών, όπως είναι ο έλεγχος της αντικατάστασης των πρωτεϊνών (protein turnover). Είναι αδιαμφισβήτητο, ότι η ύπαρξη νέων γονιδίων ήταν καθοριστική για την πορεία των ευκαρυωτικών κυττάρων.

Ωστόσο, αξίζει να επισημανθεί ότι χωρίς αυτόν τον έλεγχο των υπαρχόντων γονιδίων, δεν θα είχαμε το αποτέλεσμα για το οποίο συζητάμε. Ουσιαστικά, αυτό που μπορούμε να επιβεβαιώσουμε για ακόμα μία φορά είναι ότι ζωή σημαίνει αξιοποίηση των δυνατοτήτων με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Δεν ήταν, δηλαδή, τόσο τα νέα γονίδια που ανέδειξαν τον νικητή αλλά η αξιοποίηση των ήδη υπαρχόντων. Άλλωστε, η εμφάνιση ενός νέου και μάλιστα λειτουργικού γονιδίου απαιτεί συνήθως πολλαπλάσιο χρόνο σε σχέση με την εύρεση τρόπων αξιοποίησης των πόρων. Όπως είναι αναμενόμενο, τα ευκαρυωτικά κύτταρα συνέχισαν να εξελίσσονται οπότε τελικά φτάσαμε στο LECA και ακόλουθα στους πολυκύτταρους οργανισμούς. Από το σημείο αυτό και έπειτα άρχισαν να εμφανίζονται όλο και πολυπλοκότεροι οργανισμοί και τελικά ο άνθρωπος.

Η αρχή των πολυκύτταρων οργανισμών

Μετά από πειράματα στο εργαστήριο, οι επιστήμονες έδειξαν ότι η μετάβαση από τους μονοκυττάρους στους πολυκύτταρους οργανισμούς δεν είναι μόνο απλή, αλλά έγινε και πολλές φορές στην ιστορία της ζωής. Βέβαια, φυσικοί περιορισμοί δεν επέτρεπαν την επιβίωσή τους, αλλά πριν από περίπου 2,1δις χρόνια οι συνθήκες στη γη, όπως η αύξηση της συγκέντρωσης του O₂, τους έδωσαν πλεονέκτημα. Τέτοιο ήταν το όφελος, που από τη στιγμή που περνούσαν το κατώφλι του μονοκύτταρου οργανισμού πολύ σπάνια γυρνούσαν πίσω. Ο πρώτος πολυκύτταρος οργανισμός (Grypania spiralis), που έχει βρεθεί μέχρι τώρα, άφησε τα ίχνη του 2,1δις χρόνια πριν. Ακόμα, μετά από αναλύσεις βρέθηκε ότι πριν γίνει το άλμα προς την πολυκύτταρη ζωή, τα κύτταρα ήδη διέθεταν τα γονίδια που ήταν απαραίτητα, χωρίς βέβαια να είχαν νωρίτερα την ίδια ακριβώς λειτουργία. Αυτό αποτελεί ακόμα ένα τεκμήριο, που υποδεικνύει έναν από τους βασικούς τρόπους με τους οποίους λειτουργεί η ζωή και εξελίσσεται. Ο έλεγχος των γονιδίων είναι η κινητήρια δύναμη της εξέλιξης.

Από το σημείο αυτό και έπειτα η πολυπλοκότητα και το μέγεθος των οργανισμών αυξήθηκαν ραγδαία, φτάνοντας από οργανισμούς με δεκάδες και εκατοντάδες κύτταρα σε οργανισμούς με 10¹³, όπως είναι ο άνθρωπος. Μία πορεία το λιγότερο αξιοσημείωτη! Με βάση όλα τα παραπάνω μπορούμε εύλογα και εύστοχα να συμπεράνουμε ότι το σημείο κλειδί, ο ακρογωνιαίος λίθος της ύπαρξής μας ήταν η εμφάνιση των ευκαρυωτικών οργανισμών και η εξελικτική πίεση για την αύξηση την πολυπλοκότητάς τους.

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ

• Evolutionary biology today and the call for an extended synthesis, royalsocietypublishing.org. Διαθέσιμο εδώ
• Testing the theory of evolution by comparing phylogenetic trees constructed from five different protein sequences, sciencedirect.com. Διαθέσιμο εδώ
•  How far divergent evolution goes in proteins, sciencedirect.com. Διαθέσιμο εδώ
• Sizing up the genomic footprint of endosymbiosis, onlinelibrary.wiley.com. Διαθέσιμο εδώ
• The ring of life provides evidence for a genome fusion origin of eukaryotes, nature.com. Διαθέσιμο εδώ