1.2. A protiszta-sejt kialakulása

1.2.1. Az eukarióta sejt létrejöttét bemutató elméletek

Az élet keletkezését és a legegyszerűbb sejtes szerveződés kialakulására vonatkozó elméleteket ez a könyv nem tárgyalja. Az élővilág Woese-féle rRNS törzsfája a jelenleg uralkodó elképzelés szerint három nagy, eltérő szerveződést mutató csoportra, azaz doménre osztható: baktériumok (Eubacteria), ősbaktériumok (Archaea) és eukarióták (Eukaryota). Az eukarióta sejt létrejöttének számos mozzanata ismert, míg másokról még csupán gyenge előfeltevések vannak.

A két legismertebb, napjaink szakirodalmában is létező hipotézis az autogenezis és a szimbiogenezis. Az autogén keletkezés elmélete szerint egyetlen leszármazási vonal fokozatos evolúciója vezetett az eukarióta sejt megjelenéséhez. Ennek az elméletnek számos továbbfejlesztett változata ismert, amelyek egy része a legutóbbi években keletkezett. Ezek egyik közös vonása, hogy nem feltételezik a mitokondrium szerepét a prokarióta-eukarióta átalakulásban. Az elméleteket jelentősen gyengítik a mitokondriumnak az eukarióta evolúcióban betöltött szerepére vonatkozó tudományos bizonyítékokkal alátámasztott érvek: ezek szerint bizonyos, hogy a mitokondrium már jelen volt az utolsó eukarióta közös ősben, sőt, energetikai okokból elengedhetetlen volt ahhoz, hogy az eukarióta sejtre jellemző komplexitás megvalósuljon.

A szimbiogenezis egy egysejtű gazdaszervezet és endoszimbiontája együttélése, szimbiózisa során egy minőségileg új élőlény létrejöttének folyamatát jelenti. A szimbiogenezis kifejezést Constantin Mereschkowsky vezette be az általa tanulmányozott szervezetek vizsgálatából levont következtetések alapján. Az eukarióták szimbiogenezis útján történő kialakulására is két elméletcsoport létezik. Az egyik ugyancsak szükségtelennek tartja a mitokondrium szerepét a folyamatban, és a sejtmagot tartja szimbionta eredetűnek. E szerint a sejtmag szimbiogenezis révén történő kialakulásával keletkezett az eukarióta sejt, majd ezt követően zajlott le az egyik eukarióta csoportban a mitokondriumot eredményező szimbiogenezis. A mitokondriummal nem rendelkező eukarióta leszármazási vonalak pedig kihaltak, hiszen ma már tudjuk, hogy minden recens eukariótában elsődlegesen jelen van a mitokondrium. Azonban a sejtmag, mint egykor önállóan létező élőlény léte még közvetett bizonyítékokkal sem támasztható alá.

A szimbiogén eredet elméletének másik alcsoportja a mitokondrium kialakulását tartja kulcstényezőnek az eukarióták létrejötténél. A befogadó sejt valamilyen egyszerű ősbaktérium, Thermoplasma vagy metanogén baktériumok rokonsága lehetett. A sejtmag kialakulása szimbiogenezis nélkül történhetett, autogén módon.

Az utóbbi elképzelés tulajdonképpen a mára széleskörben elfogadott, szűkebb értelemben vett endoszimbionta elmélet, amelynek a lényege, hogy a szemiautonóm organellumok, a mitokondrium és a kloroplasztisz baktériumok bekebelezésével került be a fagocitózisra képes, sejtfallal már nem rendelkező ősbaktérium-sejtbe. (Vannak amellett szóló érvek, hogy a fagocitózis képessége csak később, már az endoszimbiózis megvalósulása után jelent meg: erre utaló közvetett bizonyíték egy mai, sejtfallal rendelkező cianobaktérimban élő szimbionta baktérium létezése. Itt a szimbionta baktérium nyilván nem bekebelezéssel jutott a gazdasejt belsejébe, minthogy a cianobaktériumok körében a fagocitózis ismeretlen. A fizikai akadályt jelentő sejtfal leküzdésének módjáról egyelőre még feltevések sincsenek.)

1.2.2. A mitokondrium kialakulása

A mitokondrium lehetséges ősét vizsgálva a Rickettsia-baktériumok, vagy a fakultatív anaerob, Rhodobacter-szerű alfa-proteobaktériumok tűnnek valószínűnek. A szimbiogenezis folyamata során a mitokondrium kialakulása egyszer következett be. A ma létező mitokondriumok, a hidrogenoszómák és a mitoszóma mind ennek az egyszeri lépésnek az evolúció során változatos formában jelentkező eredményei. Az is valószínű, hogy a mitokondrium szimbiontává alakulása relatíve rövid idő alatt következhetett be, átmeneti alakok nem maradtak fenn, ahogyan többszöri „próbálkozásnak” sem ismerjük nyomát.

Az eukarióta sejt szimbiogenezissel létrejött komplexitása tette lehetővé a kambriumi evolúciós robbanást (542 millió éve), amellyel kezdetét vette az eukarióta élővilág látványos diverzifikálódása és a bolygónkon lehetséges niche-ek korábbiaknál sokkal hatékonyabb betöltése. Ennek jelentősége tehát túlmutat a protisztákon, valamennyi eukariótát érinti, így érdemes egy kicsit közelebbről áttekinteni.

Miben áll az eukarióta sejtek komplexitása?

Egy új (Lane 2011) hipotézis szerint az első endoszimbionták egy része elpusztult az ősbaktérium-gazda citoplazmájában és a szimbionta nukleinsavainak egy része plazmidok és más mozgó genetikai elemek révén bekerülhetett a gazda DNS-ébe. Ezen elképzelés szerint a sejtmaghártya ennek a gyakran káros mutációkat eredményező „bombázásnak” az elkerülésére létrejött adaptációnak tekinthető. (Fontos, hogy ebben az időszakban más prokariótákból származó „hasznos” gének is gyarapíthatták a leendő eukarióta DNS-ét.) Az így elkülönülő sejtmag már tartalmazhatta a szimbionták genomjának a tetemes részét. A leendő mitokondriumokban megmaradó gének viszont továbbra (jelenleg) is kódolják az oxidatív foszforilációhoz szükséges fehérjéket, amellyel villámgyors visszacsatolásra képesek a gyorsan változó környezeti feltételek között. Ez tehát a gazdán belüli fennmaradásukhoz elengedhetetlen volt, ahogy a gazdasejt számára is az aeróbbá váláshoz. Így jöhetett létre a mitokondrium genomjának a megosztottsága az organellum és a sejt között, ami miatt a hasonló sorsú kloroplasztisszal együtt „szemiautonóm organellum[1]”-nak nevezzük. A mitokondriumok, rendszerint sokadmagukkal a gazda citoplazmájában mindenhol előfordulhatnak. Így a sejt méretét már nem korlátozza az energia-ellátás kényszere. Az eukarióta sejt tehát nagyobb méretet ölthetett, mint a prokarióták egyetlen sejtje. (Az olykor hatalmas cianobaktériumok nem magányos sejtek, hanem több sejtből kialakuló kolóniák.) A méretnövekedés és a különböző típusú anyagcsere-utak számának növekedése viszont lökést adott a sejten belüli anyagtranszport és molekuláris szintű mozgások kifejlődéséhez, valamint a folyamatok térbeli izolálásához (kompartimentáció) vezető evolúciónak, kialakítva az endomembrán-rendszereket valamint a sejtvázat. Az ősi eukariótánál valószínűleg az ivaros folyamat is megjelent, a kariogámiával együtt. A rekombináció adta lehetőségek a korai eukarióta-biodiverzitás növekedéséhez vezethettek, ugyanakkor gátat szabtak a káros mutációk manifesztálódásának. A cirkuláris helyett a lineáris kromoszómák megjelenésénél az elpusztult prokariótákból származó plazmidok inszerciós helyei játszhattak szerepet, amelyek a gazda DNS-ét mintegy feldarabolták. A telomeráz-enzimek a kromoszómavégek reparálásával lehetővé tették a lineáris forma stabilizálását. A DNS mennyisége a sokszorosára nőtt, nemkódoló szakaszok és intronok jelentek meg benne, génduplikációk, új génváltozatok születtek. Az eukarióta csilló (ostor) kialakulása valószínűleg a mitotikus apparátusban megjelenő magorsófonalak létrejöttéhez köthető. Mint ilyen, az ősi eukarióta része lehetett, már az utolsó közös eukarióta ősben. (A Lynn Margulis által évtizedek óta javasolt, a tudományos népszerűsítő irodalomban is permanensen jelenlévő szimbionta eredet mellett, amely epibionta Spirochaeta baktériumokból eredeztetné az eukarióta csillót, semmilyen hiteles bizonyíték nem szól. Ld. pl.: Margulis 2000).

A valódi szövetes élőlényeknél (állatok, növények) a szerveződés eme következő szintje a sejtek differenciálódását, majd a test funkcionális tagolódását eredményezte, jelentős méretnövekedéssel egybekötve. A protiszták a szövetes szerveződés és a szomatikus sejtek differenciálódása nélkül evolváltak a lehető legváltozatosabb élőhelyekhez történő sikeres adaptáció felé: bolygónk minden lehetséges élőhelyén ott vannak. Változatos együttélések jöttek létre a növények és állatok, sőt, protiszták testében a gazda és a protiszta között (mutualista és parazita kapcsolatok), amelyek az ősi, szabadonélő alakoktól mind életmódban, mint felépítésben messze elütő, komplex és specializált élőlényeket hoztak létre. Ezért nem is lehet egy általánosított protiszta képét felvázolni, legalább 5-6 morfológiai csoport az, ami közelítést ad a protiszták változatosságáról. A mai mikroeukarióta élővilág arculatának kialakulásában tehát a szövetes fejlődést mutató eukarióták is fontos szerepet játszottak. Mint látni fogjuk, az endozoikus szimbionta (parazita) életmód néhány gomba és állat esetében reduktív evolúcióval másodlagosan a protisztákra emlékeztető leegyszerűsödéshez is elvezetett (Microsporidia, Myxozoa).

1.2.3. A kloroplasztisz kialakulása

Mereschkowsky a 19-20. század fordulóján először kovaalgákban vizsgálta a kloroplasztiszok – vagy ahogyan akkoriban hívták: kromatofórák – számát, szerkezetét. Ezek, valamint kortársainak leíró morfológiai, fiziológiai munkái vezették el az 1905-ben megjelent „Über Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche” (A kromatofórák természete és eredete a növényvilágban) c. cikkéhez, amely a szimbiogenezis alapműve lett (noha a kortársak nem ismerték fel a mű jelentőségét). Az orosz tudós alapvető jelentőségű állításokat tesz 1905-ös cikkében: 1. a kloroplasztiszok nem újonnan keletkeznek a citoplazmában, hanem osztódnak. Hozzáteszi, hogy növényeknél az új hajtásokban a már jelenlévő leukoplasztiszokban a fény hatására kezd megjelenni a klorofill. A kloroplasztiszok a sejtmagtól függetlenül viselkednek, a szétroncsolt növényi sejtek kloroplasztiszai életben maradnak. 2. Megállapítja, hogy a kloroplasztiszok nem különböznek érdemben az egysejtűekben szimbiontaként ismert zoochlorelláktól. 3. Leírja, hogy léteznek olyan élőlények, amelyek tulajdonképpen szabadonélő „kromatofóráknak” tekinthetők. Az alfejezet végén nyomatékosan kijelenti, hogy a „kromatofórák” olyan Cyanophyceae-k (mai kifejezéssel élve cianobaktériumok), amelyek elárasztották a gazdasejt citoplazmáját. 4. A sejtben található „kromatofórák” szimbionta Cyanophyceae-k. A teljesség kedvéért megemlít olyan egysejtűeket, ahol a kromatofórák még a Cyanophyceae-k kékeszöld színét őrzik. Állítása szerint, ha a színük kékeszöld helyett fűzöld lenne, normál kloroplasztiszoknak tartanák őket. Példaszervezetei az ilyen átmeneti állapotra a Paulinella chromatophora házas amőba, a Cyanomonas americana (valójában Cyanophora paradoxa) ostoros és a Rhizosolenia styliformis kovaalga voltak. 1920-ig több közleménye is napvilágot látott, írásaiban később a sejtmag szimbionta eredetét is felvetette, ami jócskán rontott életműve korabeli fogadtatásán. Az I. Világháborút követően a téma feledésbe merült. Történt ez annak dacára, hogy Ivan Wallin amerikai tudós 1927-ben a mitokondriumok szimbionta eredetéről írt művében („Symbionticism and the Origin of Species”) röviden felidézte angol nyelven is Mereschkowsky eredményeit. A kor egyik meghatározó darwinista tudósa, E. B. Wilson, azonban Mereschkowsky szimbiogenezisét szórakoztató fantáziálásnak, a szárnyaló képzelet szüleményének nevezte. Bár Wallin hipotézisét is játékos elmefuttatásnak tartotta, nem zárta ki, hogy később tudományos megfontolás tárgya legyen. Ezt követően közel fél évszázados hallgatás következett, míg 1970-ben napvilágot látott Lynn Margulis: „Origin of Eukaryotic Cells” c. írása és ezzel a szimbiogenezis jelenkori újrafelfedezése.

A kloroplasztisz kialakulása után az eukarióták között több vonalon is létrejöttek autotróf élőlények. Az Archaeplastida klád ősi képviselőjénél alakult ki a kloroplasztisz, a kékeszöldalgák (Glaucophyceae), a zöldalgák (Chlorophyceae), a vörösalgák (Rhodophyceae) és a növények (Plantae) valamennyien ezen ős leszármazottai. A többi autotróf protiszta másodlagos és harmadlagos szimbiogenezissel szerezte meg az autotróf anyagcserét lehetővé tevő partnert. Másodlagos szimbiogenezisnek azt a folyamatot nevezik, amikor egy cianobaktérium-eredetű kloroplasztiszt tartalmazó eukarióta endoszimbionta alga – azaz egy Archaeplastida – alakul át organellummá a gazdában. Harmadlagos szimbiogenezisnél olyan endoszimbionta algából lesz sejtszervecske, amely már maga is eukarióta-eredetű plasztiszt tartalmaz. Másodlagos szimbiogenezis (zöldalga-partner felvétele) történt az Euglenozoa egyik csoportjában, amelyeket Euglenoidea algáknak vagy Euglenophyceae-nek neveznek, valamint a Chlorarachnea csoportban. (Az Euglenozoa másik nagy kládjában, a kinetoplasztidáknál, nem volt autotróf közjáték.) Másodlagos szimbiogenezis vörösalga felvételével több csoportban is megtörtént: a Stramenopila, a Haptophyta és a Cryptomonadea algáknál, továbbá a Myzozoa kládban (a spórás egysejtűeknél és a dinozoáknál). A Dinozoa törzsben teljesedik ki a plasztiszok diverzitása: harmadlagos szimbiogenezissel további, egykor szabadonélő, autotróf egysejtűt vettek fel és alakítottak organellummá: például a Durinskia dinoflagelláta kovaalgát, a Karlodinium mészmoszatot és a Dinophysis Cryptomonadea-t. A szeriális másodlagos szimbiogenezis során a Lepididinium nevű Dinozoa ismét egy endoszimbionta zöldalgából alakította ki második kloroplasztiszát (Keeling 2010).

1.3. ábra. Elsődleges és másodlagos szimbiogenezis.

1.2.4. A szimbiogenezis elmélet fogadtatása

Tudománytörténeti érdekesség, hogy a szimbiogenezis jelentőségét hosszú évtizedekkel annak első közlését követően ismerte el a tudományos közösség, pedig a kloroplasztisz eredetével kapcsolatos elmélet logikus és látványos érvelésen alapult, bár a perdöntő bizonyítékokkal szolgáló ultrastrukturális és biokémiai vizsgálatok csak fél évszázaddal később valósulhattak meg. A 19–20. század fordulóján a biológusok Darwin mutáción és szelekción alapuló evolúcióját népszerűsítették és elutasítottak vagy legalábbis figyelmen kívül hagytak minden alternatív elképzelést. Darwin a szimbiogenezis folyamatát még nem ismerhette, bár a szimbiózis jelenségéről és a zuzmók felépítéséről elvben tudhatott volna (Schwendener 1867-ben közölte a zuzmók kettős természetéről szóló írását, de Bary 1879-ben általánosította a szimbiózis kifejezést mint a nem azonos élőlények együttélését). Ő azonban nemigen érdeklődött a mikroszkopikus élővilág iránt. Műveiben ugyan megemlít olykor algákat vagy primitív élőlényeket, amelyek mind az állatvilág, mind a növényvilág részének tekinthetők és egyfajta köztes állapotot testesítenek meg a két nagy csoport között. Feltételezhető, hogy Darwin az akkortájt sok műkedvelő mikroszkopizáló tanulmányainak népszerű alanyaira, a mixotróf Euglenákra gondolt. Ez a Proto-Euglena hipotézisként emlegetett elgondolás (pl. Kutschera 2009), amely már születésekor is idejétmúlt volt – tekintettel pl. Darwin nagyhatású német népszerűsítőjének, egyben a korabeli protisztológia vezéralakjának Ernst Haeckelnek az életművére – , mélyen bevésődött a magyar természettudományos oktatásba. A XX. század tankönyveiben és az ismeretterjesztő irodalomban az Euglena a növény- és állatvilág közti kapocs szerepét töltötte be. Holott Darwint csupán a közös leszármazás gondolata vezette, amely szerint végső soron a növény- és állatvilág is egy univerzális közös őstől eredeztethető. Az Euglena-t és fotoszintetizáló rokonait ma már a szimbiogenezis iskolapéldái között tartjuk számon.

1.2.5. Az univerzális közös ős

Az univerzális közös ősről ezideig csak halvány elképzelések vannak. Feltételezhető, hogy az eukarióta sejt kialakulása során az utolsó univerzális közös ős már nem rendelkezett a prokariótákra jellemző sejtfallal. Erre utal az a tény, hogy a gombák, algák és protiszták sejtfala nem homológ. A dinamikus, aktinban és tubulinban gazdag sejtváz kialakulását elősegíthette a sejtfal eltűnése. A szimbiogenezis egyik szereplője, az ősbaktérium már fagocitózissal tett szert szimbiontákra. A fagocitózis szerepét ezért számos kutató döntő jelentőségűnek tartja a szimbiózis kialakulásában. Más nézet szerint a mitokondrium korábban kialakult, semhogy az ősi eukarióta képes lett volna bekebelezésre.

Az utolsó közös eukarióta ősre vonatkozó kutatások kizárólag molekuláris módszerekkel történnek. 27 eukarióta és 994 prokarióta genom vizsgálata során közel 600 olyan gént azonosítottak, amelyek jelen lehettek az utolsó közös eukarióta ősben és homológjaik megtalálhatók az ősbaktériumokban vagy az eubaktériumokban. A homológ gének vizsgálata során kiderült, hogy az ősbaktérium genomból származó gének többsége az eukarióta nukleáris génekkel áll testvércsoport-viszonyban és sok gén a genetikai információ tárolásával, ill. feldolgozásával kapcsolatos. Az eubaktérium genomból származó gének közül az alfa-proteobaktériumok génjei csoportosultak legtöbbször az eukarióta génekkel, főként az energetikai folyamatokkal összefüggők. Ezek az eredmények megerősítik, hogy az első eukarióta kialakulása során egy ősbaktérium és egy alfa-proteobaktérium szimbiogenezise történhetett. Nem meglepő módon azonban minden nagyobb prokarióta taxonból kerültek ki eukarióta génekkel testvércsoportot alkotó gének. Az eukarióták kialakulását követő mintegy kétmilliárd év alatt a baktériumok között számos gén cserélhetett gazdát horizontális géntranszferrel (Thiergart és mtsai 2012).

1.2.6. Az első protiszták megjelenése

A protiszták története egyidős az eukariótákéval. Az utolsó univerzális közös ős adaptív radiációjával létrejöttek a különböző egysejtű kládok. A legősibb egysejtűekről csak feltevésekkel rendelkezünk. Az biztos, hogy a legelső eukarióták a földtörténeti előidő (proterozoikum, 2500–542 millió éve) közepe ‑ során már jelen voltak. A kőzetekben talált ősmaradványok távolról sem olyan informatívak, mint a fanerozoikum elejétől, az óidővel kezdődő periódusban (542 millió évtől kezdődően). Sokszor azt sem könnyű eldönteni, hogy mikrofosszíliáról van-e szó, vagy ásványi eredetű-e a talált képlet. A már teljes biztonsággal egysejtűnek tekinthető első ősmaradványok nem régibbek 750–700 millió évnél. A mai protisztákkal megfeleltethető, fosszilizálódásra alkalmas képletek az ediacara-időszakban (~635–542 millió év) és a kambriumi evolúciós robbanás (542 millió éve) időszakából maradtak fenn nagyobb mennyiségben.

A kövületek mellett az ú.n. biomarker-molekulák jelenlétét tekintik valamely élőlénycsoport létezése közvetlen bizonyítékának. Az eukarióták kialakulása minden bizonnyal jóval a legrégebbi eukarióta-fosszíliák korát megelőzően megtörtént, a feltevések szerint körülbelül 2 milliárd éve. Más kutatók az eukarióták kialakulásának idejét azonban még korábbra, akár 2,7 milliárd évre teszik, az ú.n. acritarchák vizsgálata alapján. Ezek azonban olyan struktúrák, amelyekről még az sem állapítható meg teljes bizonyossággal, hogy élőlények maradványairól van-e szó.

Az acritarchák, savban nem oldódó, apró, mikroszkopikus szerves maradványok (>50 µm), amelyek karbonátot és szilikátot nem tartalmaznak, és amelyeket semmilyen ismert élőlénnyel nem lehet azonosítani. Nevet is adnak nekik, a hasonló alakúakat morfológiájuk alapján osztályozzák, de ezek a jobbára ismeretlen képződmények nem vethetők össze az ismert filogéniájú protisztákkal.

Az acritarchák között különböző morfológiájúak akadnak. Lehetnek különösebb mintázat nélküli (de belül komplex ultrastruktúrával rendelkező) sejtfalnak tűnő képletek, vagy összetett felszíni struktúrával rendelkezők, amelyeknél a nyúlványok szimmetrikus elrendeződését aszimmetrikusan elhelyezkedő nyúlványok törik meg. Az ilyen elrendeződés a kutatók szerint arra utal, hogy a sejt aktívan növekedett, így a sejthártya már képes volt növekedésre és a sejtváz alkalmas lehetett arra, hogy közreműködjön a sejt morfogenezisében és a felszíni struktúrák létrehozásában. A bonyolult felszíni struktúrák kialakítása tehát fejlett intracelluláris hátteret sejtet (endomembrán-rendszerek, sejtváz megléte), amely az ősi eukarióták jellemzője.

Milyen alapon tekinthető egy acritarcha prokariótának vagy eukariótának? Az eukariótának tartható maradványok rendszerint nagyobbak (50-300 µm), a felületükön tüskeszerű kinövések lehetnek (acanthomorph acritarchák) és burokszerű védőréteg található rajtuk. E három tulajdonság egyidejűleg soha nincs meg a prokariótáknál. A prokarióta sejtfal, a cianobaktériumoktól eltekintve, rendszerint nem tartalmaz olyan összetevőket, amelyek jól fosszilizálódnának. Az eukariótának tekintett acritarcháknál a sejtfalnak tekintett réteg többrétegű, bonyolult struktúrájú.

1.4. ábra. Acritarchák

1.4. ábra. Acritarchák ediakára-időszaki. kőzetekből (Ausztrália) (forrás: Grey 2005)

Valamennyi kontinensen szórványosan előfordulnak a proterozoikumból származó üledékek, így acritarchákat és más maradványokat is kimutattak már a világ legkülönbözőbb területein. A maradványok azonosítását nagyon megnehezíti, hogy azok a kőzetek, amelyek megfelelő korúak volnának, a földtörténet során erősen átkristályosodtak, és a rétegek felgyűrődtek, szétmállottak. Dél-Afrikában azonban sikerült egy kivételesen jó megtartású, kevés zavarást szenvedett üledékből mintát venni. Ez eredményezte az eddig ismert legrégebbi acritarchákat, amelyeket felfedezőik eukariótának tartanak. A 3,2 milliárd éves acritarchák hihetetlenül kitolják az eukarióták megjelenésének becsült időpontját. Ha ez bebizonyosodna, akkor az eukarióták nagyjából az első sztromatolitokkal – fotoszintetizáló cianobaktériumok által létrehozott üledékszerkezetekkel – lennének egyidősek, s ez a tény alapvetően megváltoztatná az élővilág kialakulásáról formált képünket (Buick 2010).

A jelenleg uralkodó egyik álláspont csak az 1,8 milliárd évnél fiatalabb acritarchák némelyikét tekinti a legkorábbi eukariótának (pl. az észak-kínai Changzhougou formáció Changcheng csoportjából).

Az eukarióták megjelenésének ideje tehát ma még vitatott, de általában 2 milliárd évvel ezelőttre teszik. Vannak érvek korábbi megjelenésük mellett is, azonban minél távolabbra megyünk vissza az időben, a bizonyítás annál nehezebb. Nyugat-Ausztráliában palakőzetben 2,7 milliárd éves, eukarióta-eredetre utaló szteránvázas vegyületeket találtak (biomarker-molekulák!), azonban mikrofosszíliák hiányában a lelet nem tekinthető bizonyítéknak az eukarióták ilyen korai létezése mellett (Knoll és mtsai 2006).

1.2.7. A modern protiszták megjelenése

A legkorábbi mikrofosszíliák nem feleltethetők meg a mai modern protiszta-csoportok egyikének sem. A modern protiszták, vagyis a recens kládok képviselőinek eddig talált legősibb fosszíliái az egykamrás foraminiferákra emlékeztető, 20-300 µm méretű képletek. Már a kambriumi evolúciós robbanást közvetlenül megelőző időszakból, a neoproterozoikumból ismeretesek, elsőként svédországi foszfátgumókban fedezték fel őket (Porter és Knoll 2000).

A kovavázzal rendelkező radioláriákat sokáig csak a földtörténeti óidő ordovícium időszakából ismerték. Újabban azonban Kína területén a földtörténeti óidő elejéről, a korai kambriumból származó egykori óceáni üledékben, fekete palában levő karbonát és foszfátgumókban, valamint az ú.n. szalagos radiolarit kőzetben sikerült gömbölyű radioláriaria-vázakat felfedezni, olyanokat, amilyeneket a közelmúltig csak az ordovíciumból származó kőzetekben találtak. Az ősmaradványok kinézete már a ma ismert formákra emlékeztet: szabályos kristálykinézetű gömbalak, tüskeszerű nyúlványokkal. A feltehetőleg planktonikus életmódú egysejtűek maradványai már hangsúlyosan részt vettek az óceán szilícium-körforgalmában, a szintén kovavázas üveg- és kovaszaru-szivacsokkal együtt. Az üledékek alapján ismert, hogy a nagyszabású fitoplankton-virágzásokat anoxikus ill. oxigénszegény periódusok követték a tengerfenéken. A nyílt víz lebegő élőlényközösségének, a planktonnak a létrejöttét úgy képzelik el, hogy a tengerfenéken tapasztalt oxigénhiány elől vándoroltak az alzat lakói a víztérbe. A kora kambriumi radiolária-leletek egybeesnek az ilyen, planktonvirágzást követő oxigénszegény alzatra utaló nyomokkal, alátámasztva az eleinte csak hipotetikus elképzelést a plankton eredetét illetően. Ezek a radiolária leletek azért is különlegesek, mert a legtöbb fosszília felismerhetetlenné vált a megkövesedett tengeri üledék átkristályosodása következtében (Braun és mtsai 2007).

A legidősebb algafosszíliák körülbelül 1,2 milliárd évesek. Jelen ismereteink szerint a legrégebbiek a 1,2 milliárd éves Bangiophyta-rokonságba tartozó vörösalga és a Stramenopila csoportba tartozó Paleovaucheria, amely szintén több mint 1 milliárd évvel ezelőttről származik. Egy, a dinoflagelláták ősi képviselőiből származó szteroid, az ú.n. dinoszterán biomarker-molekula már 1,1 milliárd éve jelen van, csakúgy, mint a sokszögletű, dinoflagelláta-cisztára emlékeztető struktúrák a mikrofosszíliák között, bizonyítva az alveoláták ősi eredetét. A legkorábbi csillósokra is közvetett módon, biomarker-molekulákból lehet következtetni: eszerint már a neoproterozoikumban létezhettek. Egyik csoportjuk, a lorika-típusú vázzal rendelkező tintinnidák maradványait például a legutóbbi időkben a mongóliai karbonátos üledékekben fennmaradt lorikák alapján azonosították, 715–635 millió éves üledékrétegekben (Bosak és mtsai 2011). A Cladophora-szerű zöldalgák maradványai 750–700 millió éves kőzetekből kerültek elő.

A korai foraminifera és radiolária ősmaradványok csakúgy, mint számos alga maradványa – akár az acritarchák között –, arra utal, hogy e csoportok legelső képviselői jóval korábban megjelenhettek, mint ahogy azt a fosszilis maradványaik mutatják. A fosszíliákból nem következtethetünk az első képviselők megjelenésének idejére, hiszen a leletek megtalálása mindig a véletlenen múlik.

Az egysejtűek paleomikrobiológiai vizsgálata sokáig a foraminiferák és radioláriák, és kisebb részben a tintinnidák kutatására, tehát elsősorban tengeri üledékek vizsgálatára korlátozódott. A nemrég megtalált, kivételesen jó állapotban fennmaradt neoproterozoikumbeli Tintinnida maradványok váza alakja recens fajokéra hasonlít, palack alakú, többnyire vastag gallérral, anyaga apró, szerves eredetű szemcsékből összeillesztett, akárcsak a mai leszármazottaké. A földtörténeti óidőből a fentieken kívül más csoportokból nem maradtak fenn ősmaradványok. A földtörténeti középidőből ellenben már nem csak tengeri, de szárazföldi és édesvízi eredetű maradványok, sőt, endobionták és paraziták is ismertek.

A földtörténeti középidő során képződött legkorábbi borostyánok nemcsak rovar-ősmaradványok és pollenszemcsék szempontjából jelentenek kincsesbányát. Az 1990-es évek közepétől egyre több ismeret gyűlt össze a borostányban megőrzött protiszta-fosszíliákról is. A borostyánba zárt mikrovilág rendszerint szárazföldi (ill. édesvízi) szervezeteket takar, de a közelmúltban találtak kivételt ez alól is: egy dél-franciaországi 100 millió éves borostyán a hajdani tengerpartot szegélyező erdő fáiból képződhetett, így esett meg, hogy a kisodort üledékből radioláriák, tengeri foraminiferák és kovaalgák őrződtek meg a tengeri szivacstűk és tüskésbőrűlárvák maradványai mellett (Girard és mtsai 2008). A különböző tudományos források a földtörténeti középidőből származó maradványok tanulmányozásának eredményeképpen egyöntetűen a mai morfológiai fajokkal való erős hasonlatosságról számolnak be. Állításuk szerint a vizsgált csoportokra morfológiai sztázis, azaz változatlanság jellemző az elmúlt 230 millió évben. A talált egysejtűeket rendszerint legalább rend szinten azonosítani lehet, de sokszor genuszról vagy fajról írnak, például „Chlamydomonas-szerű faj” megjelöléssel érzékeltetve, hogy csupán a morfológiai hasonlatosság bizonyos. Legtöbbet az erős sejtfalat vagy külső vázat hordozó egysejtűekről tudunk: az Euglenozoa autotróf képviselőiről, a különféle házas amőbákról, egyes ostorosokról és csillósokról. Kuriózumnak számít az első Trypanosomatida (Paleoleishmania proteus) felismerése egy krétaidőszaki borostyánban fennmaradt lepkeszúnyogból, egyrészt mint az első fosszilis kinetoplasztida, másfelől mint az endozoikus paraziták első ismert képviselője.

Egy, a felső triászban (230–220 millió évvel ezelőtt) képződött borostyán egy szemiakvatikus élőhely egysejtű közösségét őrizte meg: két baktérium és négy gomba mellett a következő protisztákat: két Euglenoidea, két Chlamydomonadina, kétféle kokkális zöldalga (pl. Chlorella), egy heterotróf ostoros és három házas amőba. A házas amőbáknál a megtalált morfofajok egyike teljesen megfelelt a ma létező Centropyxis aculeata faj oblonga alfajának, amely a vízi üledékek egyik leggyakoribb házas amőbája. Egy másik is azonosítható volt egy recens fajjal, míg a harmadikat csak genusz-szinten lehetett felismerni és új fajként írták le. Az alsó krétából származó borostyán elektronmikroszkópos és mikroszkópos tanulmányozása során a recens Euglena-hoz és Phacus-hoz hasonló egysejtűeket találtak. Egy zöldalga a mai Chlamydomonas morfológiájára emlékeztetett, és a csillósok között is genusz-szinten lehetett felismerni egyes élőlényeket, a Colpoda (Colpodea osztály) és Prorodon (Prostomatea osztály) genuszba tartozó fajokat. Ezek a leletek már a ma létező protiszták világára emlékeztetnek (Martín-González és mtsai 2008).

A fanerozoikumban a foraminiferák között ismeretes a legtöbb faj, közel 40 ezer. Mivel a kambrium óta követhetők az üledékrétegekben, a protiszták között egyedülálló módon a csoport egészének a története kirajzolódik a földtörténet során. Az állat- és növényvilághoz hasonlóan a globális jelentőségű változások a foraminifera mikrofosszíliákon keresztül is jól követhetők. Az óidőben jellemző csoportok között például az alzatlakó Fusulinida eltűnt a perm időszaki nagy kihalás során. A kréta-tercier kihalási eseménynél viszont a planktonikus foraminiferák sorsa ismert: a komplex felépítésű vázzal rendelkező fajok 75 százaléka kihalt, majd a maradék 25 százalék is fokozatosan eltűnt. A harmadidőszak eleje egy erős evolúciós palacknyak-hatást okozott a csoportban, ekkor volt a földtörténet során a legjelentősebb kihalási hullám a planktoni foraminiferák között (Molina és mtsai 1998). Ezzel ellentétben az alzatlakóknál a kréta-tercier kihalási esemény nem hozott globális jelentőségű változást (Culver 2003).

1.2.8. Mit mutat a molekuláris óra?

A nagy eukarióta-kládok szétválásának idejét rekonstruáló egyik legújabb törzsfa tizenöt, fehérjét kódoló gén alapján született. A hét nagy klád megjelenésének kora összhangban van a fosszilis leletekével. Eszerint az eukarióta utolsó közös ős 1866-1679 millió évvel ezelőtt még létezhetett. A nagy eukarióta-kládok kiágazása valószínűleg 1–1,2 milliárd éve történhetett. Az eddigi legrégebbi, bizonyosan eukariótának gondolt mikrofosszíliák körülbelül 800 millió évesek. A talált maradványok már nyilván abból az időből valók, amikor a különféle ősi eukarióta-csoportok már nagy földrajzi elterjedéssel és gyakorisággal rendelkeztek. Mindenesetre az eukarióták radiációját egy hosszú és lassú evolúciós periódus előzhette meg. Az Opisthokonta kiválása történt legkorábban, 1389–1240 millió éve. A többi nagy klád egy viszonylag szűk intervallum során, valamikor 1,2 milliárd éve válhatott szét egymástól (RAS, Excavata, Amoebozoa). Amennyiben az Archaikum eonból származó 3,2 milliárd éves eukariótának feltételezett acritarchák tényleg az eukarióták fejlődési vonalához tartozó maradványok, akkor az eukarióta-filogénia egyik kihalt ősi ágát képviselik, amely már a mai kládok szétválása előtt eltűnt.

Az ősi eukarióták evolúciójának feltételezett eseményei összefüggenek a bolygónk fejlődése során bekövetkező geokémiai változásokkal. Körülbelül 1,8 milliárd éve a világóceán vizének felszíni rétege már jelentős mennyiségű oxigént tartalmazott, míg az alzatközeli mélyebb vízrétegekben a vas és a szulfid volt az uralkodó. Az eukarióta-kládok 800 millió évvel ezelőtti expanziója egybeesik a világóceán maihoz hasonló geokémiai profiljának kialakulásával. Az ősi eukarióta létrejöttéhez, az anaerob metanogén ősbaktérium és a fakultatív aerob proteobaktérium vagy a szulfátredukáló baktérium szimbiózisához kedvező lehetett ez a szulfidban gazdag kémiai környezet. Valószínűnek látszik, hogy a fakultatív anaerob mitokondrium tette lehetővé az ősi eukarióta életben maradását a proterozoikum szulfid dominálta vizeiben. Az aerob eukariótáknál a szulfid gátolja a légzést, ezért szétterjedésük már a világóceán szulfidkoncentrációjának csökkenése után következhetett be, amely nagyjából 800 millió éve történt. Azonban nem zárható ki az sem, hogy a korai eukarióták evolúciója a sekély, magas oxigéntartalmú, szulfidban szegény vizekben történt, esetleg édesvízben. Földtani bizonyítékokat azonban nemigen találni az utóbbi elképzelésre. A Skóciában található 900-1200 millió éves tavi és az ausztráliai 1,4–1,5 milliárd éves sekélytengeri üledékrétegek meglehetősen szegények a mikrofosszíliákban.

A fotoszintetizáló eukarióták kialakulását hátráltathatta, hogy a vízben kevés volt az élőlények számára közvetlenül hozzáférhető nitrogén. A cianobaktériumok egy része és más baktériumok nitrogénkötése juttatott az eukarióták számára is felvehető nitrogénformákat a vízbe (nitrát, ammónia). Az algák növekvő számarányát tükröző biomarker-molekulák nagyjából akkortól észlelhetők, amikor a világóceán – a prokarióták fotoszintézisének köszönhetően – már oxigénben gazdag volt. A ma létező fotoszintetizáló eukarióták kládja 1670–1428 millió éve jöhetett létre, azonban a kládon belül a mai csoportok diverzifikálódása csak a proterozoikum vége felé történhetett meg, valószínűleg a világóceán redoxprofiljának oxidatívra történő átbillenését követően (Parfrey és mtsai 2010, 2011).

A modern protiszták több recens képviselőinek közös ősét is el tudjuk helyezni az időben. Az emlősök maláriát okozó Plasmodium fajainak közös őse 21–29 millió éve létezhetett, a harmadidőszak oligocén korában. Ezt az időszakot az intenzív emlősradiáció jellemzi, a kréta-tercier kihalási esemény után ekkorra alakult ki az új szárazföldi megafauna. Elképzelhető, hogy a gerinces gazdaszervezetek globális radiációja válthatta ki az emlősparazita Plasmodium fajok kialakulását (Hayakawa és mtsai 2012).



[1] Szemiautonóm organellum: olyan sejtszervecske, amelynek saját DNS-e van, amely az osztódásához szükséges géneket, továbbá egyes, a működéséhez kapcsolódó géneket tartalmaz (mitokondrium, plasztiszok). A szimbiogenezis során az egykori endoszimbionták genomjának nagy része bekerült a gazda sejtmagjába.