Also Available in:

Evolúcia mnohobunkových organizmov: čo je potrebné?

autor:
preložil: Jarier Wannous (facebook.com/Stvorenie512)

Celá evolúcia predpokladá buď vylepšenie nejakého predchádzajúceho systému k tomu, aby sa prispôsobil novým potrebám, alebo prenesenie vonkajšieho génu, ktorý prinesie nové informácie s rovnakým cieľom ako v predchádzajúcom prípade. Predpokladá sa, že aj také systémy, ktoré zjavne vyžadujú úplne nové štruktúry (napr. perie) boli upravené z pôvodne existujúcich štruktúr. Predsa len existujú dve udalosti v histórii evolúcie, kde by toho bolo potrebné oveľa viac – vznik života a vznik koordinovanej mnohobunečnosti.

Požiadavky evolúcie mnohobunkovosti

Genetická podobnosť

Karl Dolenc, iStock.com9759multicellularity
Volvox spp. nespĺňajú požiadávky dosiahnutia skutočnej mnohobunkovosti

Prvá požiadavka vzniku mnohobunkovosti je, že všetky bunky musia obsahovať rovnakú genetickú informáciu. Wolpert a Szathmáry poskytujú dobrý prehľad toho, prečo je genetická podobnosť potrebná k tomu, aby bol mnohobunkový organizmus životaschopným jednotlivcom:

„prvý krok vo vývoji komplexného organizmu je ustanovenie vzoru buniek v rôznych stavoch, ktoré sa dokážu odlíšiť pozdĺž rôznych ciest. … Procesy vzorkovania si vyžadujú signalizáciu medzi bunkami a v samotných bunkách, čo nakoniec vedie k aktivácii génu alebo inaktivácii. Takýto proces môže viesť k dôveryhodným vzorom bunkovej aktivity iba v tom prípade ak bunky majú rovnakú súpravu génov a riadia sa rovnakými pravidlami [pridané zdôraznenie].”1

Bez existencie rovnakého genetického plánu, z ktorého sa dá pracovať, nie je žiadna záruka toho, že bunky budú schopné správne komunikovať, na to aby koordinovali svoje činnosti.

Nová úroveň biologickej organizácie

Evolúcia si vyžaduje viac než jednoduchú augmentáciu existujúceho systému, na to aby vznikla koordinovaná mnohobunkovosť; vyžaduje si ex nihilo (stvorenie z ničoho) stvorenie celého nového systému organizácii na vhodné koordinovanie buniek, aby vytvorili mnohobunkového jednotlivca. Nedelcu a Michod súhlasia:

„Súčasná hierarchická organizácia života prejavuje rad zmien v jednotkách evolúcie, ako napríklad z génov na chromozómy, z prokaryotických buniek na eukaryotické. Z jednobunkových jednotlivcov na mnohobunkových a z mnohobunkových organizmov na spoločnosti. Počas týchto evolucionistických zmien sú stvorené nové úrovne biologickej organizácie [pridané zdôraznenie]”.2

Williams hovorí o neredukovateľnej zložitosti štruktúry bunky a nachádza jednoduchý príklad v autopoiesie (seba vytváranie).3 Popisuje päť úrovní organizácie všetkých živých bytosti, ktoré sú potrebné, na to aby nastala autopoiesia:

  1. Dokonale čistá biochémia špecifická pre jednu molekulu.
  2. Molekuly s vysoko špecifickou štruktúrou.
  3. Vysoko štruktúrované molekuly, ktoré sú funkčne zjednotené.
  4. Obsiahlo regulované metabolické procesy poháňané informáciami.
  5. Inverzne kauzálne meta-informačne (informácie o informácii) stratégie pre prežitie jednotlivca a druhu.

Navyše, každá úroveň je vyššia ako suma úrovní, ktoré ju vytvárajú, čiže jediný spôsob ako by mohli byť tieto úrovne vysvetlené je informáciou.

„Každá úroveň je použitá na budovanie ďalšej, ale nedá sa vysvetliť v pojmoch úrovne, ktorá je rovno pod ňou. A medzi základnou úrovňou (dokonale čistou kompozíciou) a prirodzeným prostredím je neprekonateľná priepasť.“4

Rád by som pridal k Williamsovej autopoietickej hierarchii ďalšiu úroveň štruktúry, ktorá sa nachádza iba v mnohobunkových organizmoch: medzibunková koordinácia. Organizmus má stratégie usporiadania a rozlíšenia svojich buniek pre prežitie a reprodukciu. S tým prichádza aj komunikačná sieť medzi bunkou, ktorá reguluje umiestnenie a množstvo každého typu bunky na prospech celého organizmu. Základnou časťou organizácie je bunkové rozlíšenie, ktoré je všadeprítomné v mnohobunkových organizmoch. Táto úroveň nemôže byť vysvetlená sumou častí a buniek a vyžaduje si koordináciu z organizačnej úrovne vyššej než to, čo existuje v jednotlivých bunkách.

Biológ Eric Davidson5 označuje 4-úrovňovú hierarchiu kontroly v mnohobunkových organizmoch, ktorá predstavuje sieť regulácii génov. Táto sieť regulácii génov je podstatná pre vývoj jednobunkovej zygoty v plne rozvinutom mnohobunkovom jednotlivcovi. Aby sme to približne vysvetlili v rámci Linnéovskej klasifikácie, hierarchia sa skladá z jadier6, ktoré zhruba určujú základný plán tela, zapojenia7 a vstupné/výstupné väzby8, ktoré priblížne určujú štruktúru teľa triedy, rodu a čeľade a batérie rozlišovania génov9, ktoré vykonávajú záverečné štádia vývoja a prispievajú k variácii na úrovni rodu a druhu.

Stratégie opravy a údržby

Stratégie opravy a údržby sú dôležité pre prežitie dospelého mnohobunkového organizmu, pretože bunkový výber pôsobí na populácie buniek, vrátane mnohobunkových organizmov, na to aby vyberal najagresívnejšie reproduktívne bunky. To musí byť kontrolované organizmom na úrovni samotného organizmu, aby bola zachovaná celistvosť tela. Na to aby toto bolo možné, väčšina systémov v mnohobunkových zvieratách prechádza procesom rádovej diferenciácie.10 V tomto systéme, multipotentné11 kmeňové bunky sú základné, napriek tomu, že sú udržiavané v malých populáciách.

Bunkový výber vs. celistvosť organizmu12

Evolúcia musí prekonať ťažkú dichotómiu, na to aby sa vyvinula mnohobunkovosť: bunkový výber vs. celistvosť organizmu. Na úrovni jednotlivej bunky, výber uprednostňuje bunky, ktoré sa lepšie množia. Ale ak by bolo dovolené týmto bunkám sa nekontrolovane množiť v mnohobunkovom organizme, tak potom neúprosne zničia celistvosť organizmu a poškodia alebo zabijú organizmus, taktiež tým spôsobia smrť „spôsobilejších“ buniek.13

Na úrovni organizmu, výber uprednostňuje črty, ktoré zachovávajú celistvosť organizmu, ktoré sa snažia kontrolovať reprodukciu buniek za hranicami toho, čo je potrebné. Pepper a kol. súhlasia:

„Mnohobunkové organizmy nemohli vzniknúť ako funkčné entity, predtým ako výber na úrovni organizmu neviedol k evolúcii mechanizmu, ktorý potlačil výber na úrovni bunky.“14

Toto však vedie evolucionistov k záhade: Ako sa mnohobunkové organizmy vyvinuli z jednobunkových tvorov, keď bunečný výber a výber na úrovni organizmu sú v úplnom rozpore? Mnohobunkový organizmus sa snaží kontrolovať reprodukciu v smere toho, čo je potrebné pre vyššiu úroveň organizácie; jednotlivá bunka sa snaží reprodukovať viac ako jej konkurenti.

Zdá sa, že mechanizmy apoptózy (naprogramovaná smrť bunky) sú potrebné pre mnohobunkovosť, kde niektoré bunky sú usmrtené počas vývinu alebo kvôli tomu, že prestali fungovať správne. Takéto mechanizmy sú neuveriteľne zložité a pravdepodobne neredukovateľne zložité.15 Vysvetlenie existencie takýchto mechanizmov bez inteligentného dizajnu sa zdá byť márnou snahou.16

Kooperácia a kolónia: na polovici cesty?

Predpokladá sa, že kooperatívne a koloniálne organizmy sú cestou, cez ktorú sa vyvinula mnohobunkovosť. Kooperatívne správanie nastáva v jednobunkových organizmoch. Napríklad, Salmonella typhimurium sa dokážu usporiadať do dvoch radov pri invázii – prvá rada zaháji samovražedný útok a druhá rada prejde cez defenzívu počas zmätku spôsobeného prvou vlnou útoku.17 Preto musí nastať nejaká komunikácia medzi jednobunkovými organizmami, na to aby nastala kooperácia.

Mnohé organizmy vytvárajú kolónie. Avšak jednotlivé bunky vo väčšine týchto kolónii si udržiavajú schopnosť oddeliť sa z kolónie, keď je situácia vhodná, na to aby tak urobili. Koloniálne systémy majú kooperáciu, ale nemajú systém regulácie, ktorý by prinútil bunky k tomu aby sa stali samostatnou jednotkou preto, aby nastal výber. Navyše, koloniálny systém môže byť roztrhnutý bez toho, aby bol silne poškodený, pričom mnohobunkový organizmus bude silno zranený, alebo zomrie ak ho roztrhneme. Michod a kol. Súhlasia:

„Takéto asociácie a skupiny dokážu vytrvať a reformovať s rôznou pravdepodobnosťou, ktorá závisí od skupiny a jednotlivcov, ktoré ju vytvárajú. Pôvodne skupinová spôsobilosť je priemerom spôsobilosti jednotlivcov nižšieho stupňa, ale v priebehu evolucionistickej zmeny, skupinová spôsobilosť sa oddelí od spôsobilosti jej komponentov. V skutočnosti podstata evolucionistickej premeny na individualitu je to, že jednotlivci s nižšou úrovňou sa musia „vzdať“ svojho „práva“ na spôsobilosť, čiže prosperovať a množiť sa, v prospech nového celku s vyššou úrovňou.“18

9759jellyfish

Niektoré koloniálne organizmy sa však zdajú byť zaviazané a prejavujú určité množstvo špecializácie, ako napríklad niektoré členy rodu Volvolaceae, napr. Volvox carteri. Bod, v ktorom zlyhávajú koloniálne organizmy ako skutočné mnohobunkové organizmy je nedostatok rozdelenia totipotencie19 v nich a ich „nesmrteľnosť“:20

„Odpojenie nesmrteľnosti a totipotencie sa ukázalo byť nemožné vo V. carteri: tieto črty sa objavujú spoločne a plne (napr. v gonidii) alebo sa neobjavujú vôbec(napr. v somatických bunkách). Nesmrteľnosť a totipotencia sú teda stále silno viazané vo V. carteri, ako aj v ich jednobunkových predkoch. Tento pohľad podporuje aj fakt, že zmutované somatické bunky „podobné rakovine“, v ktorých sa znovu získava nesmrteľnosť, ale nie totipotencia chýbajú vo V. carteri. Existujú však mutantné formy V. carteri … v ktorých somatické bunky získavajú späť nesmrteľnosť aj totipotenciu, ale v žiadnom z týchto mutantoch sa neprejavujú tieto črty čiastočne alebo diferencovane (napr. limitovaná mitotická kapacita alebo multipotencia).“21

To znamená, že diferenciácia v kolónii sa dokáže rozšíriť na dva druhy buniek, a nie viac. Pretože nedokážu rozdeliť totipotenciu a nesmrteľnosť, riasy volovcínu nedokážu vytvoriť nové somatické bunky, a preto nedokážu prežiť veľmi dlho ako organizmus. Inými slovami, neexistujú žiadne stratégie opravy a údržby vo volvocíne, takže im chýba jedna z hlavných čŕt skutočnej mnohobunkovosti.

Príležitosti pre ďalší výskum

Snažil som sa v tomto článku prezentovať niekoľko hlavných požiadavok, ktoré musia byť splnené na to, aby nastala evolúcia skutočnej mnohobunkovosti. Na to aby vznikla skutočná mnohobunkovosť musí nastať genetická podobnosť medzi všetkými zúčastnenými bunkami. Medzibunková koordinácia slúži ako ďalší level organizácie života, ktorá nemôže byť redukovaná na sumu jej časti. Existuje 4-úrovňová hierarchia v regulačnej architektúre, ktorá musí existovať, na to aby prebehol realizovateľný plán vývinu. Oprava a údržba si vyžaduje jeden alebo viac súborov nediferencovaných, obvykle multipotentných kmeňových buniek. Bunečný výber a celistvosť organizmu ostáva diametrálne protichodná a poskytuje veľmi ťažký problém, ktorý musí evolúcia prekonať. Koloniálne jednobunkové organizmy nie sú príkladom mnohobunkových tvorov kvôli rozdielu v nedostatku 4-úrovňovej hierarchii v nich a nedostatku mechanizmov opravy a údržby pre organizmus.

Toto je zanedbaná oblasť kreacionistického výskumu, kde je množstvo príležitostí pre ďalší výskum.

Referencie

  1. Wolpert., L. and Szathmáry, E., Evolution and the egg, Nature 420:745, 2002. Návrat k textu.
  2. Nedelcu, A.M. and Michod, R.E., Evolvability, Modularity, and Individuality During the Transition to Multicellularity in Volvocalean Green Algae; in: Schlosser, G. and Wagner, G. (Eds.), Modularity in development and evolution, Univ. Chicago Press, Chicago, IL, pp. 466–489, 2003; p. 466. Návrat k textu.
  3. Williams, A., Life’s irreducible structure—Part I: autopoiesis, Journal of Creation 21(2):109–115, 2007; creation.com/autopoiesis. Návrat k textu.
  4. Williams, ref. 3, p. 111. Návrat k textu.
  5. Davidson, E.H., The Reguatory Genome: Gene Regulatory Networks in Development and Evolution, Academic Press, Burlington, MA, pp. 195–196, 2006. For the definitions of terms in refs. 6–9, see p. 128. Návrat k textu.
  6. jadrá sú zachované podskupiny, ktoré sú vytvorené z regulačných génov, ktoré reagujú medzi sebou, a ktoré sú vyhradené špecifickej vývinovej funkcii. Návrat k textu.
  7. Zapojenia sú bežné obvody, ktoré sa využívajú pre mnohé vývinové funkcie. Návrat k textu.
  8. Vstupné/výstupné väzby sú regulačné ovládače na rovnakom vlákne DNA ako gén na ktorom pracujú. Pracujú buď na to aby ich potlačili alebo ich zapli, podľa vývinovej situácie. Návrat k textu.
  9. Batérie rozlišovania génov sú set génov, ktoré reagujú na spoločnú skupinu regulátorov buniek, ktoré kódujú funkcionálne a štrukturálne vlastnosti bunky na levele bielkovín. Návrat k textu.
  10. Doyle, S., Serial cell differentiation: intricate system of design, Journal of Creation 22(2):6–8, 2008. Návrat k textu.
  11. Multipotent means the cell has the ability to differentiate into multiple cell types. It is not totipotent, so cannot reconstruct a whole organism, but can reconstruct certain tissues and cell types. Návrat k textu.
  12. Pre rovnakú diskusiu spojenú s rádovou diferenciáciou, pozri Doyle, ref. 10. Návrat k textu.
  13. Michod, R.E., Cooperation and conflict in the evolution of individuality I. Multilevel selection of the organism, The American Naturalist 149:607–645, 1997. Návrat k textu.
  14. Pepper, J.W., Sprouffske, K. and Maley, C.C., Animal cell differentiation patterns suppress somatic evolution, PLoS Comput. Biol. 3(12):2532–2545, 2007; p. 2533; www.ploscompbiol.org/article/info:doi/10.1371/journal.pcbi.0030250. Návrat k textu.
  15. Bell, P., Apoptosis: cell ‘death’ reveals Creation, Journal of Creation (TJ) 16(1):90–102, 2002; creation.com/apoptosis. Návrat k textu.
  16. Bell, P., The non-evolution of apoptosis, Journal of Creation (TJ) 18(1):86–96, 2004. Návrat k textu.
  17. Ackermann, M. et al., Self-destructive cooperation mediated by phenotypic noise, Nature 454:987–990, 21 August 2008. Návrat k textu.
  18. Michod, R.E., Nedelcu, A.M. and Roze, D., Cooperation and conflict in the evolution of individuality IV. Conflict mediation and evolvability in Volvox carteri, BioSystems 69:95–114, 2003. Návrat k textu.
  19. Totipotencia tu znamená schopnosť produkovať nový organizmus. Návrat k textu.
  20. tj. Kapacita pre ďalšie delenie bunky bez zastavenia. Návrat k textu.
  21. Michod, et al., ref. 18, p. 105. Návrat k textu.