Az öregedésnek is lehetnek evolúciós előnyei

Mauro Santos, a Barcelonai Autonóm Egyetem evolúcióbiológusa Szathmáry Eörs akadémikus, igazgató meghívására, az MTA Vendégkutatói program keretében tavaly az ELKH Ökológiai Kutatóközpontban (MTA Kiváló Kutatóhely) töltött néhány hónapot, ahol az evolúcióbiológia néhány kiemelt, megoldatlan problémájával foglalkozott, a kromoszómák kialakulásától az öregedés evolúciós hatásáig. A vele készült interjúból az is kiderül, hogy egy elméleti kutató számára a világjárvány akár lehetőségeket is tartogat.

Mauro Santos tavaly márciusban, a koronavírus-járvány kezdetén érkezett Magyarországra, hogy megkezdje kutatásait az Ökológiai Kutatóközpont Evolúciótudományi Intézetében. Amikor arról kérdeztük, hogy ez a körülmény mennyiben hátráltatta a munkát, meglepő választ adott.

„Bizonyos értelemben a járvány hasznunkra volt. Nem tudtunk mást csinálni, így kutattunk. Tihanyban és Budapesten dolgoztam, hetente egyszer-kétszer találkoztunk egymással, hogy megbeszéljük a munka előrehaladását. Az idő nagy részét a szállásomon töltöttem, miközben folyamatos volt a kommunikáció köztem és az intézet kutatói között. Tulajdonképpen a lezárásnak is köze volt ahhoz, hogy ilyen rövid idő alatt ilyen sokat haladtunk, és ennyi tanulmányt írtunk. Szerencsére a tihanyi vendégház körül sok a nyílt tér, ami nagyon jó volt a lezárások idején.”

Az Ökológiai Kutatóintézetben folytatott kutatásairól az evolúcióbiológus elmondta, hogy azok számos evolúciós problémát érintettek. Voltak közöttük elméleti jellegűek, de a gyakorlati ökológia számára jelentősek is. Utóbbiakra jó példa a globális felmelegedés állati közösségekre gyakorolt hatása, ami közvetlenül érinti a fajok hőtűrő képességét.

„Gyakran szükséges megtudnunk, hogy mekkora az egyes fajok hőtűrése, tehát mi az a maximális hőmérséklet, amit még képesek elviselni. Ennek meghatározására számos módszert használnak a kutatók. Mi egyazon modellben egyesítettük e módszerek predikcióit, és kimutattuk, hogy a gyakran használt maximális kritikus hőhatár nevű változó megbízhatatlan. Sokkal megbízhatóbb eredményre juthatunk, ha szimulációkat végzünk.”

Ez az eredmény a Science folyóirat hasábjain jelent meg.

A kromoszómák eredete

„Ahogy magyarországi vendéglátóm, Szathmáry Eörs akadémikus kimutatta, az evolúció egyik legfontosabb átmenete az volt, amikor a gének kromoszómákká rendeződtek. De ennek a folyamatnak a mechanizmusait még ma sem ismerjük részleteiben. Most meghatároztuk azokat a tényezőket, amelyek szükségesek voltak a kromoszómák kialakulásához – mondta el Mauro Santos. – Kimutattuk, hogy a kromoszómák evolúciójával egy időben megjelentek bennük a géntöbbszöröződések. Ezáltal egy-egy kromoszómán már géncsaládok tudtak elhelyezkedni, ami segítette az evolúciójukat és a hatékony működésüket.”

A kromoszómák kialakulásának idejét Santos szerint nagyon nehéz megbecsülni. A jelenleg is létező élőlények kialakulásának időpontját a leszármazási vonaluk rokonaiktól történt elszakadásának időpontjától számítjuk. Vagyis meg kell határoznunk, hogy mikor létezett az utolsó közös ősük. De hogy mi történt a közös ős – amely, ha az élet keletkezését kutatjuk, akkor az összes mai élőlény közös őse volt – előtt, és e történések mikor zajlottak, azt már sokkal nehezebb meghatározni. A kutató szerint közelebb vihet minket a rejtély megoldásához, ha rájövünk, hogy milyen környezeti feltételek voltak szükségesek ahhoz, hogy létrejöjjenek az élet előfutárai, a protosejtek és bennük a gének, majd a kromoszómák.

„Úgy képzeljük, hogy a protosejteknek nevezett vezikulák az élet kezdetén különálló gének csomagjai voltak. De ez számos problémával is járt. Az egyik legfontosabb probléma, hogy hogyan biztosítsuk, hogy az utódok az összes esszenciális gént örököljék, méghozzá a kellő arányban – folytatja Mauro Santos. – Ha e gének kromoszómákká kapcsolódnak össze, az garantálhatja, hogy minden gén azonos ütemben öröklődjön tovább. Ez tehát csökkenti annak a valószínűségét, hogy az egyik utódból hiányozni fog egy vagy több életfontosságú gén.”

A szabályozott génátadás tehát egyike volt a kromoszómák legfontosabb előnyeinek. Az evolúcióbiológusok ezért is gondolják azt, hogy a kromoszómák kialakulása volt az egyik alapfeltétele annak, hogy az élőlények összetettsége (komplexitása) növekedjen. Máskülönben nem lehetne biztosítani, hogy az összetett élőlények működéséhez szükséges valamennyi gén átjusson az utódba.

A kromoszómák kialakulásának kutatása lassan átlép a kísérletes tudományterületek közé, ugyanis a mikrofluidikának köszönhetően már kísérletesen is modellezni lehet a folyamatot. Néhány mikroliteres cseppecskékbe különböző RNS-molekulákat helyeznek (amelyek e kísérlet replikátorai), majd szimulálják az akkoriban valószínű körülményeket.

A genetikailag programozott öregedés

Az öregedés legalább akkora rejtélye az evolúciónak, mint az első sejtek és kromoszómák kialakulása. Miért öregszünk? Lehetséges-e az öregedés kiküszöbölése? Van-e előnye az öregedésnek? E kérdések már évezredekkel az evolúció felfedezése előtt is foglalkoztatták az embereket. Az utóbbi évtizedekben egyre közelebb jutunk ahhoz, hogy e kérdések némelyikére válaszolni tudjunk.

„A legáltalánosabban elfogadott elmélet szerint az öregedés egy mellékhatás, így nem is hat rá a szelekció. Csakhogy a legújabb adatok arra utalnak, hogy az öregedés igenis lehet genetikailag programozott, ami a standard evolúciós elméletben gondolkodók számára szinte hihetetlen – érvel Mauro Santos. – Ez egyúttal azt is jelenti, hogy az öregedésnek lehetnek előnyei is. Az egyik legfontosabb előny, hogy ha az élőlény változékony környezetben él, akkor az öregedő, majd elpusztuló egyedek alkotta generációk gyorsabban alkalmazkodnak a változásokhoz.

Ennek megértéséhez képzeljünk el két élőlénycsoportot: az egyik nem öregszik, a másik öregszik, és néhány generációnyi utód létrejötte után az öregek elpusztulnak. A nem öregedő egyedek az adott pillanatban ható környezeti tényezőkhöz tudnak ugyan alkalmazkodni, de a jövőben megváltozó környezethez már nem. A korlátozott élettartamú élőlényekből viszont adott idő alatt több generáció nő fel, és mindegyiknek megvan a lehetősége az evolúciós alkalmazkodásra. Ilyen esetekben az öregedő élőlényeknek kedvezhet a szelekció. „Az öregedőknek ugyan demográfiai hátrányuk van, az alkalmazkodásnak köszönhetően fitneszelőnyük mégis lehet” – mondja Santos.

Mauro Santos és az Ökológiai Kutatóközpont munkatársainak együttműködéséből született, már megjelent közlemények:

Rezende, E. L. – Bozinovic, F. – Szilágyi, A. – Santos, M. 2020. Predicting temperature mortality and selection in natural Drosophila populations. Science 369, 1242–1245.

Szilágyi, A. – Szabó, P. – Santos M. – Szathmáry, E. 2020. Phenotypes to remember: Evolutionary developmental memory capacity and robustness. PLoS Computational Biology 16(11)

Szilágyi, A. –Kovács, V. P. –Szathmáry E. –Santos, M. 2020. Evolution of linkage and genome expansion in protocells: The origin of chromosomes. PLoS Genetics 16(10)

Mauro Santos interjúja Szathmáry Eörssel a spanyol evolúcióbiológiai társaság lapjában olvasható.