Az evolúciókutatók évtizedek óta lázasan próbálják lombikokban, azaz laboratóriumi körülmények között rekonstruálni az élet keletkezését. Az erőfeszítések ellenére azonban ez mind a mai napig senkinek sem sikerült maradéktalanul. A kutatások az úgynevezett RNS-világban folynak, vagyis a ribonukleinsavval, a DNS-nél egyszerűbb, de önmagukat másolni képes molekulákkal. A magyar csoportot Szathmáry Eörs akadémikus vezeti, a csapat tagja Szilágyi András evolúcióbiológus.
Hogyan lehet az élet keletkezését vizsgálni, hiszen egy olyan korról beszélünk, amiről szinte semmit sem tudunk?
Állíthatjuk azt, hogy a munkánk részben spekulatív, hiszen az a kor, amiben járunk, körülbelül 3,8 milliárd évvel ezelőtt történt, nem sokkal a Föld és a földi hidroszféra kialakulása után. De a mai élővilág szerkezetéből levonhatóak olyan következtetések, amivel tehetünk olyan plauzibilis feltételezéseket, hogy az élet kezdetekor mi lehetett jelen.
A világ, a kor, amit mi vizsgálunk, az úgynevezett RNS-világ, a 3,8 milliárd évvel ezelőtt létrejött állapot, ami tulajdonképpen az élet kezdetét, az anyag élővé válásának kezdetét jelenti. Ekkor még a mai fogalmaink szerinti élet nem volt jelen, de már voltak olyan molekulák – az RNS-molekulák, amelyek a mai DNS-molekulákhoz hasonló molekulák –, amelyek az élet bizonyos kritériumainak már megfeleltek. Azaz fent tudták tartani magukat, anyagcserét folytattak, és saját maguk többé-kevésbé pontos lemásolására voltak képesek, tehát replikálódtak, és átörökíthető információt hordoztak magukról.
Feltételezéseink szerint az RNS-világ volt az első olyan lépés, amikor az anyag élő állapota létrejöhetett.
Voltak ennek az evolúciós szakasznak kritikus pontjai, amikor akár teljesen másképp is alakulhatott volna?
Ez a kor egy viszonylag sérülékeny kor volt. Ezek az önmaguk lemásolására képes, replikálódó molekulák sérülékeny közösségeket alkottak. Itt nemcsak fizikai vagy kémiai hatások veszélyeire kell gondolni, hanem arra is, hogy ebben a rendszerben teljesen természetes módon paraziták jelenhettek meg. Paraziták alatt azt értem, hogy olyan molekulák jöttek létre pusztán a mutáció – tehát az evolúció természetes folyamata – során, amelyek ugyan használják a rendszer erőforrásait, azonban a rendszer működéséhez nem járulnak hozzá, magyarul a közjó termelésében ezek a molekulák nem vesznek részt.
Ezért ha a rendszerben ilyen molekulák megjelennek, akkor az szükségszerűen a rendszer pusztulását okozhatja. Hiszen fogyasztják a rendszer erőforrásait, de a rendszer működtetésében nem vesznek részt.
Ez a molekulákból álló rendszer hogyan tudott ellenállni a parazitáknak?
Itt jön az a feltételezés, amit Szathmáry Eörs biológus professzor a 80-as évek közepén elméleti szinten felvetett és matematikai modelleket alkotott rá. Ennek a feltételezésnek az az alapgondolata, hogy a rendszert nem teljes egészében, nem nagy térfogatban vizsgáljuk, hanem kis részekre osztjuk.
Ez a kis részekre osztás a biológiában teljesen természetes abban az értelemben, hogy maguk a sejtek is ilyen kis közösségekként képzelhetők el. Mivel ezek a molekulaközösségek kis sejtekbe bezárva léteznek, amelyik sejtben a paraziták megjelennek, azt elpusztítják. De mindig lesznek olyan sejtek is, amelyek elérik azt az állapotot a növekedésükben, hogy ketté tudnak osztódni, így parazitamentes rendszerek fognak túlélni. Hiszen a magasabb szintű – a sejtek szintjén lévő – szelekció kiválasztja azokat a sejteket, amelyekben nincs, vagy csak moderált szinten van parazita. Azaz az evolúció szelekciós rendszere nem a molekulák szintjén, hanem már eggyel magasabb szinten, a csoportok, a kis közösségek szintjén hat. Ezt a jelenséget hívják úgy, hogy csoportszelekció.
Mondhatjuk azt, hogy akkor tulajdonképpen a molekulák összefogtak?
Tulajdonképpen így is mondhatjuk. A molekulák olyan közösségeket alkotnak, amelyben a kisközösségekre ugyan veszélyesek a paraziták, de a paraziták megjelenése nem tudja az összes közösséget lerombolni, hanem mindig az ilyen értelemben vett egészséges közösségek élnek túl.
Mára eljutott odáig a biokémia, hogy RNS-molekulákat olyan nagy számban képes előállítani – illetve azoknak a működési szekvenciáját, szerkezetét analizálni –, és nagyon kis folyadékcseppekbe zárva kis populációkat képezni, hogy
ez a folyamat valóban kísérletileg lejátszhatóvá vált.
Azok a kis folyadékcseppek, amelyekben a paraziták elszaporodtak, életképtelené váltak, míg más folyadékcseppek, ahol a paraziták nem szaporodtak el, megőrizték metabolikus egységüket, megőrizték életképességüket.
Ezzel igazoltuk azt, hogy valóban magasabb szinten, a csoport szintjén meglévő szelekció a paraziták ellen védelmet tud nyújtani.
Az evolúció tulajdonképpen abból áll, hogy az erősebb faj vagy egyed marad fent. Az evolúció tulajdonképpen hibák sokasága?
Bizonyos tekintetben mondhatjuk azt, hogy az evolúció működéséhez szükségszerűen hozzátartozik az, hogy hibák, módosulások, mutációk következzenek be. Hiszen ha egy környezet, amelyben a rendszerben létezik, valamilyen mértékben változik, ahhoz a rendszernek adaptálódnia, alkalmazkodnia kell. Ez pedig úgy tud megtörténni, hogy folyamatosan újabb és újabb generációk során az evolúció apró hibákkal, mutációkkal kísérletezi ki azt az állapotot, amely az adott környezetben megfelelő és jó. Ilyen értelemben a változékonyság ás az öröklődés a két kulcsmomentuma az evolúció folyamatának.
Visszatérve az Önök munkájára, mi a következő lépés, hogyan tovább?
Azáltal, hogy ilyen mesterséges kis molekulaközösségeket tudunk létrehozni, megnyílik a lehetőség arra, hogy a csoportszelekciónak az evolúció további folyamata során vett hatását is kísérletileg vizsgálni tudjuk. Ezáltal pedig az elméleti megfontolásaink kísérleti igazolást is nyerhessenek.