Tekhücreli canlılardan çokhücreli canlıların evrimi, evrimsel tarihin farklı zamanlarında, birbirinden bağımsız 25 farklı canlı grubunda gerçekleşmiş. Ancak çokhücreliliğe geçişin ilk aşamalarına dair bilgilerimiz sınırlı. Minnesota Üniversitesi’nden evrimsel biyologlar, bu yıl gerçekleştirdikleri bir deneysel evrim çalışmasında tekhücreli ortak bir atadan , basit çokhücreli kümelerin sadece 60 günlük laboratuvar seçilimi sonucunda evrilebileceğini gösterdiler. Çalışma çokhücreliliğe geçişin, daha önceki tahminlerin ötesinde, çok daha hızlı bir biçimde gerçekleşebileceğini göstermesi açısından bir ilk.
Dünya üzerinde yaşamın öncül birimi olan tekhücreli organizmalar 3 milyar yıl kadar önce ortaya çıktı, ve bugün insan türününde içinde olduğu yaşam formu olan çokhücreli organizmaların tümü, bu atasal tekhücreli formların karmaşık formlara evrilmesi ile meydana geldi. Diğer yandan tekhücreliden çokhücreli yapıların evrimine doğru atılmış ilk basit adımlar hakkında bildiklerimiz, modelleme çalışmalarının ve birkaç fosil örneğinin verdiği bilgiler ile sınırlı idi.
Minnesota Üniversitesi’nden iki araştırmacı, Michael Travisano ve William Ratcliff, laboratuvar deneylerinde model organizma olarak kullanılan tekhücreli maya hücrelerini (S. cerevisiae) kullanarak çokhücreli yaşamın ilk basit adımlarına dair birbirini tamamlayan çok ilginç birkaç çalışma yayınladılar.
Araştırmacılar gerçekleştirdikleri deneysel evrim çalışmasında çokhücreli yapıların seçilimi için ‘yerçekimi’nden yararlandılar. Deneylerde tekhücreli organizma 24 saat boyunca sıvı besin ortamında çalkalanarak büyütüldü. Bir günlük büyüme süresinin ardından bölünerek milyonlarca bireyi oluşturan hücreler sıvı deney tüpü içerisinde bir süre çalkalanmadan sabit biçimde bekletildi. Hücreler deney tüpünün dibine çökeldikten sonra, araştırmacılar çökeltinin en altındaki bir miktar hücreyi alarak, tekrar taze sıvı besin ortamına aktarıp 24 saatlik büyüme işlemini tekrarladılar. Sıvı ortamda büyütme ve yerçekimi etkisi ile en dipteki hücrelerin yeni nesli oluşturacak hücreler olarak transfer edilme işlemi 60 gün boyunca tekrarlandı.
Yerçekiminin, laboratuvarda seçilim yöntemi olarak, çokhücreli yapıları tekhücreli atadan evrimsel olarak seçebileceği hipotezi basit bir mantık yürütmeye dayanıyor: Sıvı içinde homojen olarak dağılmış hücrelerin bulundugu deney tüpleri çalkalayıcıdan çıkarılıp sabit olarak bekletildiklerinde, yerçekiminden en çabuk etkilenen yapılar, ya küçük hücrelere göre daha büyük olan tekhücreli yapılar olacaktır ya da birden fazla hücrenin birbirine tutunması ile oluşturdukları yapılar erken çökeleceklerdir. Bunun sonucunda, eğer araştırmacı çökelen hücre kümesinin en dibindeki kısımdan bir miktar hücreyi seçip yeni sıvı besin ortamına aktarırsa, sürekli daha büyük veya birbirlerine tutunmuş hücre kümeleri içeren yapıları seçmiş olacaktı.
Şekil 1. 60 günlük seçilim sonucunda en-üst-soldaki tekhücreli atadan evrilmiş çokhücreli yapılar. 1’den 5’e kadar numaralanmış fotoğraflar, 5 farkli deney tüpünde, birbirinden bağımsız ve paralel olarak evrilmiş çokhücreli kar tanesi yapıları görülmekte.
Bu işlemi 10 farklı deney tüpü için tekrarlayan araştırmacılar, sadece 60 gün (yaklaşık 500 nesil) süren transferlerin sonunda 10 deney tüpünün herbirinde tek bir yapının seçilim sonunda baskın biçim olduğunu gördüler: ‘Kar Tanesi’ görünümündeki hücre kümeleri (Şekil 1).
Anahtar: Anneye tutunma
Basit çokhücreli yapılar olarak evrilmiş bu yapıları elde eden araştırmacılar, ilk soru olarak, çokhücreli kümelenmelerin sıvı ortamdaki farklı hücrelerin tek tek biraraya gelip tutunmaları yoluyla mı, yoksa hücrelerin bölünmesi sırasında yavru hücrelerin anne hücrelere tutunup ayrılmaması yoluyla mı kar tanesi yapılarını oluşturduğunu sordular.
Bunu cevaplamak için kar tanesi kümelerinden tek tek hücreleri ayıklayıp mikroskop altında izlediler ve kar tanesi kümelerinin hücrelerin bölünme sonrası anne hücrelerden ayrılmaması ile oluştuğunu gözlediler. Bu örnek doğada çokhücreli yapılar evrilirken, farklı hücrelerin biraraya gelip çokhücreliliği oluşturabilecegi hipotezi yerine, aynı genetik dizileri içeren hücrelerin hücre bölünmesi sonrasında birbirlerine tutunmaları ile organize oldukları hipotezine destek sağlamakta.
Peki laboratuvarda evrilen basit çokhücreli kar tanesi yapılar nasıl çoğalıyorlar? Hücre kümesinden tek bir hücrenin kopup sürekli bölünerek yeni kar tanesi kümelerini oluşturması olasılıklardan birisi idi. Fakat çalışmada çoğalmanın, büyük hücre kümelerinin kendisinden küçük kar tanesi şeklindeki hücre kümelerini ayırarak gerçekleştirdikleri gösterildi (video: https://www.youtube.com/watch?v=vbTsl3S5qX8). Büyük kar tanesi yapısının asimetrik olarak bölünmesi sonucu oluşan daha küçük ve “genç” kar tanesi yapısı, ileriki nesil kar tanelerini, ancak kendi ebeveyninin boyutuna ulaştıktan sonra yine ayni biçimde ayrılma ile gerçekleştiriyordu. Yani, kar tanesi yapıları kendilerine özgü bir yaşam döngüsünü içermekteydiler.
Bir tür işbölümü
Hücresel farklılaşma ve iş-bölümünün evrimi çokhücreli karmaşık organizmaları tekhücreli organizmalardan veya sonradan kümelenen hücrelerden ayıran en önemli özelliklerden. İnsan vücudunda 200 kadar farklı hücre tipinin bulunması ve herbirinin farklı bir iş görmesi –işbölümü- çokhücreliliğin en önemli yapıtaşlarından. Bu noktada tek tek hücrelerin nesillerini devam ettirmekten “vazgeçip”, sadece belli hücre tiplerinin türün devamlılığında görev alması, yine tekhücrelilikten çokhücreliliğe geçişte en önemli adımlardan birisi (insandaki sperm ve yumurta örneği gibi). Ve çokhücrelilik tanımı için gerekli birkaç özellik, en basit formunda da olsa, deneyde evrilen kar tanesi yapılarında, 60 günlük laboratuvar seçilimi sonunda ortaya çıkmış.
Kar tanesi yapılarının asimetrik olarak ayrılıp birden fazla kar tanesi ürettiğini söylemiştik. Araştırmacılar kar tanelerinin birbirinden ayrıldığı noktalardaki hücreleri incelediklerinde, ayrılma noktalarında bulunan belirli hücrelerin ölüme gittiklerini gözlemişler. Bu da yine başta bahsedilen iş-bölümünün/farklılaşmanın ve organizmanın belli hücrelerinin kendi devamlılıklarından “vazgeçmelerinin” evriminde ilk basit adımlar olarak görülebilir.
Deney sürdükçe arttıkça evrimsel değişim arttı
Kar tanesi yapısı içinde ölüme giden hücreler en yaşlı hücreler değil – çeperlerdeki genç hücrelerin de ölüme gittikleri deneylerde gösteriliyor. 14 gün transfer edilmiş kar tanesi yapılarında hücre ölümü oranı %0.2 oranında iken, 60 gün transfer edilmiş yapılarda %2.7 oranında, ki bu veri hücre ölümünün seçilimin sonraki aşamalarında ortaya çıktığını göstermekte.
Kar tanesi yapılarının biçimleri incelendiğinde düzensiz şekillerde oldukları düşünülebilir. Araştırmacılar sonradan yayınladıkları bir çalışmada ise, kar tanesi yapılarının evrimini devam ettirip 227 günlük aşamaya ulaştırdıklarında, 60 gün evrilmiş yapılarla karşılaştırıldıklarında, hidrodinamik olarak daha hızlı çökelen, daha düzenli ve küre biçimli yapılara evrildiklerini de gösteriyorlar.
Araştırmacılar kar tanesi kümeleri ile seçilim deneylerine devam edeceklerini belirtiyorlar. Sırada tekhücreli atasal maya hücresinden başlayıp, on farklı deney tüpünün hepsinde birden evrilen kar tanesi yapılarının, DNA üzerinde hangi mutasyonlar ile seçildiklerinin araştırılması var. Hücre duvarını oluşturan proteinleri sentezleyen genlerin incelenmesi ilk incelenecek gen bölgelerinden olacaktır. Bunun yanında hücre ölümünün nasıl tetiklendiği yine ilginç sorulardan.
Sonuç olarak, çalışmada tekhücrelilikten basit çokhücreli yapıların evriminde ilk adımların hangi aşamalardan geçerek oluşabileceğine dair çok önemli veriler sunulmakta. Bunun yanında, biyolojik çeşitliliğin evriminde en önemli adımlardan birisi olan tekhücreli yapılardan çokhücreli daha karmaşık yapılara evrimin, “uygun” çevresel koşullarda, sanılandan çok daha hızlı bir biçimde gerçekleşebileceği gösterilmiş oluyor. Araştırmacılar evrimsel tarihte yerçekiminin doğada çokhücreliliği seçen koşul olduğunu iddia etmiyorlar; bunun yanında farklı araştırmacılar tarafından gerçekleştirilen deneysel evrim çalışmaları ile doğada çokhücreliliği seçmiş olabilecek çevresel koşulları taklit eden yeni ve heyecan verici çalışmalar da yayınlamakta.
Kaynaklar:
- Ratcliff, W.C. ve M. Travisano. 2014. Experimental evolution of multicellular complexity in Saccharomyces cerevisiae. BioScience, 64 (5), 383-393. doi: 10.1093/biosci/biu04
- Ratcliff, W.C., R. F. Denison, M. Borrello ve M. Travisano. 2012. Experimental evolution of multicellularity. PNAS, 109:5, 1595-1600 doi:10.1073/pnas.1115323109
- Ratcliff, W.C., J.T. Pentz, ve M. Travisano. 2013. Tempo and mode of multicellular adaptation in experimentally-evolved Saccharomyces cerevisiae. Evolution, 67: 1573–1581. doi: 10.1111/evo.12101
