Győzhet-e a természetben az együttműködés az önző csalók felett?

A közösségeket stabilizáló erőkről régóta ismert, hogy nagyon hasonlóak az emberek és a társas állatok, illetve bármely közösséget alkotó szervezet esetében. A mikrobák, bár nem éppen az emberre illeszkedő modellek, fontosnak bizonyultak a közösségek kialakulásának és stabilitásának megértésében. A közösségekben (nem csak a mikrobiális közösségekben) a versengő és a kooperatív kölcsönhatásoktól kezdve meglepően sokféle kölcsönhatás van. Hasonlóan az emberi munkakörnyezethez, ahol az ember versenyezhet társaival a bónuszokért, de össze is foghat velük olyan kihívások megoldására, amelyeket egyedül senki sem tud megoldani. Egy egészséges szervezetben ezek a kölcsönhatások kiegyensúlyozottak, mind a munkavállalók, mind a munkáltatók javára.

Optimális esetben mind a munkáltatók, mind a szervezetek gyarapodnak és a tulajdonságaik elterjednek a populációban

(munkaetika, kultúra stb.).

A mikrobák is azért küzdenek a közösségekben, hogy jobban hozzáférjenek a korlátozott erőforrásokhoz – helyhez, tápanyaghoz, energiához –így elősegítve a növekedésüket és a szaporodásukat. Ugyanakkor a közösségek gyakran úgy épülnek fel, hogy egyes tagok közös erőfeszítéssel segítik egymás növekedését és túlélését. Ez az, amiben a mikrobák kiemelkednek: olyan közösségeket alkotnak, ahol a különböző fajok különböző feladatokra specializálódva működnek együtt.

Ez a képesség tette lehetővé számukra, hogy a Föld minden elképzelhető élőhelyét meghódítsák.

A kooperatív, „társas táplálkozás”, az úgynevezett szintrófia pedig rendkívül elterjedt a prokarióták körében. Úgy tűnik, a többség egyedül nem is képes megélni: anyagcserepartnereiktől függenek, akikerőforrásokat biztosítsanak számukra.

A döntő különbség a "munkavállalók" (tágabb értelemben a legtöbb makroszkopikus szervezet) és a mikrobák között amelyek lehetővé tették ezt az abszolút uralmat, hogy az utóbbiak képesek olyan anyagcsere-termékeket előállítani, amelyeket megoszthatnak egymással. Ráadásul a mikrobák képesek egymásba költözni; az emberek nem. Egyes hipotézisek szerint az ősi eukarióták két szabadon élő prokarióta ilyen gyümölcsöző kooperatív kapcsolatából fejlődtek ki. Amikor ezek az ősi partnerek végzetesen függeni kezdtek egymástól, az egyik sejt beköltözött a másikba, így alakult ki a mitokondrium, és az eukarióta sejt, s végezetül az összes mai eukarióta, köztük az ember is. Számos nagy evolúciós átmenetre jellemző az ilyen típusú integráció, ahol

az egyedek lemondanak az autonóm szaporodásukról a „nagyobb jó” érdekében.

Bár az emberi partnerskapcsolatok szerencsés módon nem járnak együtt ilyen endoszimbiózissal.

A mikrobák kontextusában azt várjuk, hogy a kölcsönösen együttműködő szintróf fajok erős szimbiózisokat alkotnak, amelyek ellenállnak a csalóknak. És ezt látjuk is: a szintrófia rendkívül elterjedt a prokarióták között. Az evolúciós átmenetek elmélete szerint a sikeres partnerségek annyira függővé válhatnak egymástól, hogy teljesen integrálódnak, és a pár az evolúció új egységévé válik. Egészen meglepő módon azonban, legjobb tudomásunk szerint, a szintróf egysejtűek soha nem költöznek egymásba véglegesen. Egyetlen autonóm endoszimbionta prokarióta partnerkapcsolatot sem ismerünk. Az eukarióta sejt kialakulása volt (2 milliárd éve) talán az egyetlen olyan eset, amelyben két prokarióta faj egyesítette erőit, hogy egy rendkívül sikeres új evolúciós egységet hozzanak létre.

A kutatók szerették volna jobban megérteni ennek a folyamatnak az okait. A Scientific Reportsban megjelent tanulmányukban egysejtű fajpárok közötti különböző kooperatív kölcsönhatások ökológiai és evolúciós stabilitását vizsgálták. Azt szerették volna feltárni, hogy a szintróf kölcsönhatásokban van-e olyan eredendő instabilitás, amely akadályozza a fajok további integrációját, és hogy ez az instabilitás az önző csalóknak köszönhető-e.

Ugyanis van egy elkerülhetetlen probléma minden együttműködéssel, legyen az mikrobiális vagy emberi. Együttműködni kockázatos: költséget kell vállalni azért, hogy mások számára előnyöket biztosítsunk, anélkül, hogy garantált lenne, hogy ezt valaha is visszakapjuk. Például egy egysejtű termelhet valamilyen tápanyagot egy másiknak, amely cserébe egy másik terméket termel az egyik számára. Ez kölcsönösen előnyös kereszt-táplálás (a szintrófia egyik esete), ahol a páros jobban tud fejlődni, mint az egyedek külön-külön. Ez azonban költséges: a másik táplálása energiát von el a növekedéstől. Ha megjelenik egy mutáns, amely nem termel semmit (és ezáltal költséget takarít meg), akkor az költségek nélkül élvezné a mások által termelt előnyöket. Egy ilyen „ingyenélő” csaló könnyen növelheti a rátermettségét és gyorsan felülnövekedi az együttműködő fajokat.

Ha nincsenek olyan mechanizmusok, amelyek az együttműködést előnyben részesítik a csalással szemben, akkor az együttműködés kudarcra van ítélve, ami a közösség végső széteséséhez vezet.

A kutatók arra keresték a választ, hogy melyik a jobb szintróf stratégia az önző csalókkal szemben: ha van olyan partnerünk, aki képes semlegesíteni (elfogyasztani) a mellékterméküket (kereszt-táplálás), vagy ha olyan partnerünk van, akivel hatékonyabban tudják együtt feldolgozni (pl. kiválasztott enzimek segítségével) a környezetben megtalálható erőforrásokat (kereszt-segítés).

Mint a kutatásból kiderült, a kereszt-segítés eredendően instabil a csalók miatt. Ezzel szemben az egymás melléktermékén (hulladékán) való kereszt-táplálás ökológiai és evolúciós szempontból is stabil a csalókkal szemben. „Ami nem meglepő. Egy a környezetbe kiválasztott enzim a termelő hasznát szolgálja, de ha a végeredményt (az elemésztett erőforrást) valaki más veszi fel, akkor ez a személyes haszon nullára csökken, így a termelő nettó veszteséget szenved. Ugyanakkor ha valaki a partnere mérgező hulladékát elfogyasztja, s ezzel eltávolítja a környezetéből, az azonnal olyan privát hasznot ad mindkét félnek, amelyet semmilyen opportunista csaló nem tud kihasználni. A csaló dönthet úgy, hogy nem veszi fel valaki más szemetét, de akkor egy új mutáns, aki mégis megeszi azt, gyorsabban nőhet, és így előnybe kerül a csalóval szemben. Ez teszi lehetővé a szimmetrikus együttműködést” – mondta Zachar István, az ELTE Biológiai Intézet Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék tudományos főmunkatársa.

Összefoglalva, a kereszt-táplálás alkalmasabb kiindulási állapot a mikrobiális szimbiózis, a fizikai integráció (endoszimbiózis), és végül az új sejtszervecskét eredményező nagy evolúciós átmenet felé vezető úton, mint pl. az enzimatikus kereszt-segítés. Ezek az eredmények nem zárják ki, hogy más mechanizmusok (is) játszanak szerepet az endoszimbiózisok kialakulásában (elvégre több mint 60 különböző hipotézis próbál magyarázatot találni a mitokondrium és az eukarióta sejtek eredetére).

Ugyanakkor azt sugallják, hogy ha a szintrófia volt a mitokondriális integráció első lépése, akkor valami más akadályozza meg, hogy a prokarióta szintrófiák tömegesen lépjenek endoszimbiózisra.

A tanulmányról készült blogbejegyzés eredetileg a Nature Ecology and Evolution oldalán jelent meg.