Géncsere a darwini küszöb alatt

A darwini evolúció-elmélet sarokpontja, hogy az egyes organizmusok egyetlen vagy nagyon kevés elődből fejlődtek ki. Ez az úgynevezett „vertikális” elmélet, ám a „horizontális” teória, amely nemcsak az ősök és az elődök, hanem a kortársak szerepét is hangsúlyozza, összegubancolhatja, valódi bozóttá alakíthatja át a darwini „törzsfát” – legalábbis annak alapjainál, gyökereinél. A magasabb rendű élőlényeknél ugyanis már valóban döntően lineáris, azaz egy fához és annak ágaihoz hasonló leszármazás érvényesülhet.

Amikor a Beagle nevű hajó fedélzetén tartózkodó természettudósok egy 1831 és 1836 közötti expedíciójuk során elvetődtek a Galápagos-szigetekre, Charles Darwin azt a feladatot kapta, hogy tanulmányozza az idegen és különlegesnek számító flórát és faunát, azaz a növény- és állatvilágot. Ám csak Angliába ismerte fel azokat a törvényszerűségeket, amelyeket ma az evolúció tanaként ismerünk. Darwin gondolatait egyébként John Gould ornitológus ösztönözte, ő kategorizálta ugyanis azokat a pintyeket, amelyeket Darwin gyűjtött össze.

Gould és Darwin

Gould és Darwin ismerték fel, hogy a pintyek olyannyira különböznek egymástól, hogy immár önálló fajként is besorolhatók a rendszertanba. Ezek a felismerések, továbbá néhány más egymáshoz hasonló élőlény és számos fosszília elemzése nyomán Darwin kidolgozta evolúciós elméletét, miszerint az összes faj (élő vagy kihalt egyaránt) fokozatos, véletlenszerű változások, módosulások nyomán egyetlen vagy kevés közös ősre vezethető vissza. Az elmélethez hozzátartozik a természetes kiválogatódás, a szelekció is, amely azt jelenti, hogy az állandó verseny, amely az élelemért, az élettérért és a párosodásért olyan egyedek, fajok kifejlődését eredményezik, amelyek a lehető leginkább képesek alkalmazkodni a környezetükhöz. (Persze ehhez hozzátehetjük: a túlélés és a párosodás igényei néha egymásnak is ellentmondanak. Az élőlények álcázása segíthet ugyan a veszélyes ragadozók elkerülésében, viszont a párzás előtti kiválasztáskor – amelyet sokszor a nőstények végeznek – a hímek éppen arra törekednek, hogy minél feltűnőbbek legyenek. Így aztán nem biztos, hogy a leghangosabb békák tudják például tovább örökíteni genetikai anyagukat…)

A darwini konstrukció mindmáig a legteljesebb leírását adja a fajok eredetének és kifejlődésének, az utóbbi időben azonban egyes részterületeken újabb eredmények is születtek. Így például a vertikális, törzsfákon, egy vagy kevés közös ősből eredeztethető fejlődési láncon alapuló elmélet mellett a horizontális teóriák is megjelentek.

Fejlődés géncserével

Amikor Darwin kidolgozta elméletét, nem ismerhette Gregor Mendel örökléstani törvényeit, és a dezoxi-ribonukleinsavat (DNS-t), vagyis magát az örökítőanyagot sem fedezték még fel. A Darwin által fokozatos változásoknak nevezett folyamat, a módosult egyedek, illetve fajok kialakulása ma már ismert, hogy genetikai mutációkon, a DNS szerkezetének átalakulásán, pontosabban a DNS-ben lévő bázispárok sorrendjének változásán alapul.

Bár a Darwin által kidolgozott kép máig meghatározza evolúciós felfogásunkat, 1946-ban két tudós különleges jelenséget fedezett fel: a mikrobiológus Joshua Lederberg és a genetikával foglalkozó Edward Tatum, baktériumtörzseket tanulmányozott, és a páros megállapította, hogy ezek az organizmusok genetikai anyagukat nemcsak az utódsejtjeiknek adják át, hanem egymás között is kicserélik!

Ez a jelenség, az úgynevezett konjugáció (amely nem keverendő össze a nyelvtanulók által ismert igeragozással…) volt az első példa a horizontális géntranszferre, vagyis, hogy az örökítőanyagot nemcsak utódaiknak, hanem kortársaiknak is átadhatják egyes szervezetek. Az ilyen cserék során nem keletkezik új élet, és a résztvevő baktériumok sem feltétlenül tartoznak egyetlen fajhoz, sőt, még ugyanahhoz a törzsfejlődési leszármazási ághoz sem kell tartozniuk.

Amikor az ötvenes években a multirezisztens (vagyis többféle gyógyszerrel szemben ellenálló), patogén (betegségeket okozó) baktériumokat megtalálták, kiderült, hogy nemcsak a laboratóriumokban mehet végbe az előbb említett géncsere, hanem a természetben is létezik ilyen folyamat. Sőt, éppen ez a folyamat teszi lehetővé az alacsonyabb rendű organizmusok rendkívüli változatosságát, szívós ellenállóképességüket. Legalábbis a géncsere lehetőségére utal az a sebesség, amellyel a legkülönbözőbb mikrobák képesek alkalmazkodni, ellenállni az antibiotikumoknak.

Az új tulajdonság „importálása” egyszerűbb, gyorsabb és könnyebb válasznak tűnik a kihívásokra, mint a véletlenszerű, egyáltalán nem célirányos mutációk közül arra várni, hogy melyik az életképesebb megoldás – összegzi a tapasztalatokat a Neue Zürcher Zeitung. A baktériumok között egyébként a horizontális géncsere olyannyira elterjedt, hogy egyes kutatók a hetvenes években azt hitték, hogy nehéz, illetve lehetetlen e szervezetek esetében lineáris törzsfát összeállítani.

Ma már azonban a génszekvenciás vizsgálatok révén igenis elkülöníthetők a baktériumok törzsfejlődési sajátosságai alapján a leszármazási táblázatok. Azonban a gének alaposabb elemzése bizonyította az örökítőanyag cserélődését is. Kiderült például a féregbaktériumok közé tartozó Escherichia coli genetikai anyagának 15 százaléka más baktériumokból származik, ám ez a géncsere legalább százmillió évvel ezelőtt ment végbe, amikor a szalmonella-vonaltól elkülönült ez az ág.

A mostanában felvázolt törzsfejlődési vonalak természetesen inkább már a génszekventáláson alapulnak. Ezek a vizsgálatok azonban főleg a riboszómákban található RNS-re, a ribonukleinsavra támaszkodnak, minthogy ez az örökítőanyag – egyelőre legalábbis úgy tűnik – valóban vertikális módon kerül egyik szervezetből a másikba.

A géncsere lehetősége azonban nemcsak baktériumoknál áll fenn. A kutatók szerint a horizontális géntranszfer mobil DNS-szakaszok, illetve vírusok révén beépülhetnek a magasabbrendű szervezetekbe is. Egyetlen gén, vagy akár nagyobb örökítőanyag-darabok is bekerülhetnek ily módon növényekbe vagy állatokba is. A mitokondriumok és a fotoszintézist lehetővé színtestek (kloroplasztok), amelyek az eukarióták sejtjeiben működnek, például valószínűleg olyan egykori baktériumokra vagy ősi organizmusokra vezethetők vissza, amelyeket az eukarióták „lenyeltek”. Eurokariótáknak a sejtmaggal rendelkező organizmusokat nevezzük, a magasabb rendű élőlények, az állatok és a növények ebbe a kategóriába tartoznak.) Ezek a lenyelt baktériumok feladták ugyan „függetlenségüket”, önállóságukat az évmilliók során, és sejtszervekké alakultak át. Ily módon azonban génjeik nagy részét is átadták a sejtmagoknak (az eukarióták itt tárolják az örökítőanyagukat), és ez a folyamat valószínűleg még ma is tart.

Az ember sem kivétel!

2001 februárjában a humán genóm (az emberi genetikai állomány) szekvenciálásával foglalkozó konzorcium, az International Human Genome Sequencing Consortium bejelentette, hogy eddig 113 olyan, baktériumokban megtalálható gént fedeztek fel az emberben, amelyek nem fordul elő azokban a magasabb rendű élőlényekben, amelyek génszekvenciálását már elvégezték, vagyis amelyeknek feltérképezték a genetikai állományát. Ez azt jelenti, hogy nem találhatók meg a jelenleg ismert génállományú férgek, rovarok, élesztőgombák DNS-ében bizonyos szakaszok, amelyek az alacsonyabb rendű baktériumokban és a sokkal fejlettebb emberi genómban viszont közösek. Ez a megállapítás szintén géncsere bekövetkeztére utal – nyilvánvalóan sokmillió évvel ezelőtti folyamatokra.

Az így bekerült gének persze nem mindig aktivizálódnak, hiszen az emberi és a baktérium-gének olyannyira különböznek egymástól, hogy nem sok esély van arra, hogy működésbe léphessenek az alacsonyabb rendű genetikai szakaszok a többsejtű eukariótákban (növényekben és állatokban). A magasabb rendű szervezetekben egyébként nagyon erős mechanizmusok dolgoznak azon, hogy a horizontális géntranszfer ne mehessen végbe. A baktériumok számára ugyanis a szomatikus, testi sejtek hozzáférhetők általában a növényekben és az állatokban. A többsejtű eukariótákban azonban csak a „jól védett” csírasejtek, spermiumok örökítik csupán tovább genetikai állományukat, a többiek nem.

Tavaly ősszel mindenesetre japán tudósok felfedeztek géntranszfert egy baktérium és egy bogár között. A bogár nősténye valóban tovább is örökítette utódaira a Wolbachia nevű baktérium génjét, ám azt a rovar szervezetében működő mechanizmusok egyszerűen nem vették figyelembe, „nem olvasták le a genetikai információt”.

Mindennek alapján egyértelmű: a ma élő állatok és növények esetében a horizontális géntranszfer nem játszik fontos szerepet. Esetükben a darwini természetes kiválógatódás és a mutációk játszanak közre az új fajok kialakulásában. Az evolúció kezdetén és a ma élő baktériumok között azonban sokkal lényegesebb a géncsere, amely gyorsabb és egyszerűbb módja az új tulajdonságok kialakításának, mint a véletlenszerű törzsfejlődés. Azt a pontot, ahol már nem játszik szerepet a géncsere, ezért ma már „darwini küszöb”-nek nevezik egyesek. Akik átlépték ezt a küszöböt, azoknál már valóban lineáris a későbbi fejlődés vonala. Persze, hogy létezik-e a darwini küszöb, nos az egyelőre még vitatott kérdés.