Olyat tett egy egysejtű, amire senki sem számított

Illusztráció

Ha valakit egysejtűnek nevezünk, az általában nem hízelgő az illető szellemi képességeire nézve. Pedig a Stentor roeselii nevű trombita alakú csillós olyan komplex döntéshozatalra képes, ami kifinomult elmére vall.

Hajdan, az idők mélyén az egysejtű élet uralkodott a Földön. Csaknem egy örökkévalóságig, majd' hárommilliárd éven át az egysejtűek megszámlálhatatlan nemzedéke élt, táplálkozott, növekedett és szaporodott bármiféle többsejtű által háborítatlanul. Benépesítették az ősi vizeket és szárazföldet egyaránt; voltak közöttük ragadozók és prédák, és komplex, dinamikus életközösségeket alkottak a földgolyó valamennyi elképzelhető ökológiai fülkéjében.

Aztán mintegy 600 millió évvel ezelőtt egyes csoportjaik átlépték a többsejtűség küszöbét, és ma a legtöbben ha egysejtűekről hallanak, feltétlenül valami kezdetlegesre és egyszerűre asszociálnak. Pedig a legújabb kutatások szerint az állati egysejtűek egyes képviselői sokkal többre képesek, mint amit távoli unokatestvéreik: mi, emberek hinnénk róluk.

Egy több mint száz éves kísérletet mai körülmények között reprodukálva a Harvard Medical School rendszerbiológusai minden kétséget kizáróan bizonyították, hogy létezik legalább egy egysejtű lény, a Stentor roeselii nevű, mókásan trombita formájú csillós ragadozó, amely hierarchikus rendben alkalmaz több különféle elkerülő viselkedést. Ugyanannak a kellemetlen behatásnak – jelen esetben ingerlő részecskék áramának – többször ismételten kitéve az egysejtű szó szerint „meggondolja magát": változtat eredeti reakcióján. A Current Biology című folyóiratban megjelent cikk szerzői szerint ez egyértelműen igazolja, hogy a Stentor viszonylag bonyolult döntéshozatali műveletekre képes.

Eredményeink megmutatják, hogy egy egysejtű organizmus lényegesen kifinomultabb tud lenni, mint ahogy általában gondoljuk"

– szögezte le Jeremy Gunawardera, a Harvardon működő Blavatnik Institute rendszerbiológia tanára.

Illusztráció Forrás: Science Photo Library/CHRISTOPH BURGSTEDT/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Christoph Burgstedt/Science Phot

Komplex eszközök a túléléshez

A kutatók hangsúlyozzák, hogy evolúciós szemszögből nem is szabad meglepődnünk ezen a kifinomultságon. „Az S. roeselii-hez hasonló lények a többsejtűség megjelenése előtt csúcsragadozók voltak, amelyek a legváltozatosabb vízi élőhelyeket uralták bolygószerte – magyarázta Gunawardera. – Még szép, hogy okosak voltak, ha arról volt szó, mit kell elkerülni és hol lehet enni, meg az összes többi olyan dologban, amit általában egy élőlénynek tudnia kell az élethez. Szerintem semmi meglepő nincs abban, hogy komplex eszközöket fejlesztettek ki a fennmaradáshoz."

Gunawardera először egy évtizeddel ezelőtt, Dennis Bray angol biológus előadásán hallott a neves amerikai zoológus, Herbert Spencer Jennings munkásságáról. Jennings 1906-ban adta közre „Az alacsonyabbrendű élőlények viselkedése" (Behavior of Lower Organisms) című meghatározó munkáját. A könyvben Jennings leír egy kísérletet, amely különösen megragadta Gunawardera fantáziáját. Ennek alanya az S. roeselii volt, ez az egysejtű létére viszonylag nagy, meglepően trombita formájú lény, az édesvizekben mindenütt elterjedt Stentor nemzetség reprezentatív tagja. Az S. roeselii testfelszínét és „trombitájának" kürtőjét mozgékony csillók borítják;

ezekkel az állatka egyfelől úszni képes, másfelől örvénylést létrehozni a környező vízben, amely a szájnyílása felé tereli a táplálékszemcséket.

Teste átellenes végén ragasztószerű anyagot választ ki, amellyel táplálkozás közben lehorgonyozza magát a törmelékhez.

Stentor roeselii Forrás: Wikimedia Commons

Egy érdekes kísérlet

Egy mikroszkóp, egy pipetta és biztos kezek segítségével Jennings aprólékosan tanulmányozta, hogyan viselkedik a S. roeselii a környezetből érkező kellemetlen inger – esetében kárminpor – hatására. A tudós az elkerülő viselkedések rendezett sorozatát figyelte meg. Az S. roeselii először jellemzően csak a teste hajlítgatásával próbálta elkerülni a porral való érintkezést. Ha az inger ennek ellenére sem szűnt meg, megfordította csillóinak csapásirányát, hogy az így keltett kifelé tartó áramlással elűzze a szemcséket a szája környékéről. Amennyiben ez sem hozott eredményt, összehúzta magát: a horgonyához kuporodott, mint egy házába bújó tarisznyarák. Végül, ha valamennyi próbálkozása kudarcot vallott, az állatka eloldotta magát az aljzattól és odébbállt.

A megfigyelt viselkedések hierarchikus rendet alkottak:

az ingerre adott válaszok egy preferencia-sorrendet tükrözve haladtak az enyhébbtől a drasztikusabb felé.

Mindebből úgy tűnt, hogy az S. roeselii a legkomplexebb viselkedésmintával rendelkezik, amire csak egy egyetlen sejtből álló, egyetlen sejtmaggal bíró organizmus képes lehet. A kísérlet a maga idejében komoly érdeklődést váltott ki, ám a megismétlésére irányuló próbálkozások – különösen egy 1967-ben közölt tanulmány – rendre kudarcot vallottak. Így Jennings eredményeit végül megkérdőjelezték, és a modern tudomány meg is feledkezett róluk.

Gunawarderát ez a kimenetel úgy bosszantotta, mint a Stentort a kellemesen langymeleg tócsavízbe szórt kárminpor, úgyhogy elhatározta: utánamegy az 1967-es kísérletnek. Megdöbbenésére azt találta, hogy a cikk szerzőinek nem sikerült S. roeselii-példányt találniuk, így Jennings kísérletét egy másik fajjal, a táplálkozás közben inkább úszó és nem magát lehorgonyzó Stentor coeruleus-szal próbálták újrajátszani. Nem csoda hát, ha Jennings eredményeit nem tudták reprodukálni – gondolta magában Gunawardera, és eltökélte, hogy ő viszont hajszálpontosan megismétli a több mint 110 évvel ezelőtti kísérletet.

A bökkenő csak az volt, hogy ő maga végzettségére nézve matematikus, aki egy orvosi egyetemen vezet egy molekuláris információ feldolgozására szakosodott labort, ezért különc vállalkozásához elsőre nemigen talált partnert.

Újra és újra felhoztam a témát a csoportunk meetingjein – meséli. – Győzködtem az embereimet, hogy ez valami fontosat mond nekünk az egyedi sejtek képességeiről, és már leszoktunk arról, hogy így gondolkodjunk a sejtek működéséről.

De a dolog senkit se hozott lázba, ami valahol nem is meglepő. Ősrégi sztori, ráadásul leíró biológia, s ez így együtt bőven elég indok arra, hogy egy gyorseszű fiatal kutatónak esze ágába se jusson foglalkozni vele."

Elsőre semmi meglepő, de aztán...

Gunawardera azonban nem adta fel. Egyik posztdoktora, Sudhakaran Prabakaran, aki ma már a Cambridge-i Egyetem csoportvezetője, valahogy mégis elkezdett érdeklődni az okos egysejtű iránt. Hasonlóképpen bevonódott a témába Joseph Dexter, aki nyolc évvel ezelőtt még szakdolgozóként került Gunawardera laborjába, majd ott szerezte meg a doktori fokozatát, és most a dartmouth-i Neukom Institute for Computational Science munkatársa. Így hát hárman vágtak bele a projektbe, amit éveken át csupán a leküzdhetetlen kíváncsiságtól hajtva, mindenféle pénzügyi forrás híján művelgettek.

A kísérletek végrehajtására Dexter és Prabakaran vállalkoztak, de rögtön az elején nehézségbe ütköztek, mert nekik se sikerült akár csak egyetlen S. roeselii-t is felhajtaniuk, pedig az összes környékbeli tavacskát végigkutatták. Végül az óceán túloldaláról, egy angliai cégtől sikerült beszerezniük az egysejtűeket, akik egy golfpálya kerti tavából halászták ki és küldték Amerikába az S. roeselii-tenyészetet. Videomikroszkóppal és az ingerlő szemcséket pontosan célba juttató mikropozicionálóval felszerelkezve végre nekiláthattak a munkának. A kárminpor nem bizonyult elég hatásosnak, de némi próba-szerencse után a mikroszkopikus plasztikgyöngyöknél kötöttek ki, mert ezek a kellő mértékben bosszantották a Stentorokat.

Nagy megelégedésükre a Jennings által valaha leírt viselkedések mindegyikét sikerült kiváltaniuk és reprodukálniuk.

Azt a rendezett viselkedési hierarchiát viszont, amit Jennings dokumentált, nem kapták vissza következetesen. Az egyes egyedek jelentős változatosságot mutattak: némelyik csakugyan először hajlongott és megfordította a csillóit, mielőtt összehúzódott volna, mások viszont egyre-másra csak összehúzódtak, megint mások pedig felváltva hajlongtak és kuporodtak.

Mindhárman kvantitatív biológusok lévén a jó öreg statisztikához fordultak hát. Kidolgoztak egy módszert a viselkedésformák szimbolikus átkódolására, és statisztikai elemzéssel keresték megfigyeléseikben a mintázatot. Szerencsére ahol az emberi szemfülesség már kevés volt, a matematikának még termett babér.

Az elemzés kimutatta, hogy a viselkedések igenis hierarchikus rendet követnek.

Kellemetlen ingerrel szembesülve az S. roeselii az esetek többségében csakugyan először elhajol és a csillócsapkodását fordítja – e kettőt gyakran egyszerre teszi –, majd ha az ingerlés folytatódik, összehúzódik vagy leválik az aljzatról és elúszik. Az utóbbi két viselkedés csaknem kivétel nélkül az előbbi kettő után következik, és az állatkák sosem válnak le anélkül, hogy előtte összekuporodtak volna, ami bizonyítja, hogy a védekező akcióknak létezik egy preferált sorrendje.

Sejtszintű értelem

A fejlődésbiológiában vagy a daganatkutatásban gyakran beszélnek „programokról", amelyeket a sejtek végrehajtanak, mintha csak valamiféle rögzített pályán futnának. De – mint Gunawardera kiemeli – a sejtek valójában egy komplex ökoszisztéma részei, ahol bizonyos értelemben beszélgetnek és tárgyalnak egymással, válaszolnak a környezet jelzéseire és döntéseket hoznak.

Szerintem ez a kísérlet arra kényszerít minket, hogy – ha csak nagyon spekulatív formában is – elkezdjünk gondolkodni azon, milyen formában létezhet valamilyen sejtszintű 'értelem', ami egyetlen sejten belül komplex információfeldolgozást és döntéshozatalt tesz lehetővé

– vélekedett a kutató. – Jól illusztrálja továbbá azt, hogy néha nem azért mellőzünk dolgokat, mert nem léteznek, hanem mert nem is gondoljuk fontosnak odafigyelni rájuk. Ez teszi ezt a tanulmányt igazán érdekessé."