II. Törzsfejlődés és rendszertan
Az első élő sejt megjelenését több milliárd éves fejlődési út köti össze a manapság élő (és időközben kihalt) fajok millióival. A legrégibb időktől napjainkig számos teológust, filozófust és biológust tartott szüntelen igézetében az élővilág sokféleségének rejtélye. A kérdésre az első megnyugtató választ a múlt század nagy biológusa, Charles Darwin adta A fajok eredetében. A későbbiek során a paleontológia, a biokémia, a genetika és a molekuláris biológia fáradhatatlan szakembereinek kutatásai támasztották alá Darwin meglátásait.
A KLASSZIKUS BIOLÓGIA KORSZAKA
Alapos megfigyelések alapján már csaknem négy évszázada megállapították, hogy az élőlények – közös sajátosságaik alapján – meghatározott csoportokba oszthatók. Ezeket a csoportokat fajoknak nevezték el. Hosszú ideig az a nézet uralkodott, hogy a fajok nem változtathatók, véglesek. Ez a felfogás csábítónak is tűnt, valahányszor teljesen különböző csoportokat vizsgáltak. De az elmélet nem tudott magyarázatot adni arra, hogy a legtöbb esetben miért éppoly nehéz megkülönböztetni egymástól a kitenyésztett („háziasított”) változatokat, mint a vad fajokat. Ez a tényállás vezette Lamarckot arra a következtetésre, hogy nincs semminemű különbség a változatok és fajok között, legalábbis abban az értelemben, hogy egy nagyszámú változat előállítható egyetlen közös alapkészletből. Innen már csak egy lépés hiányzott annak kikövetkeztetéséig, hogy a fajok – akárcsak a változatok – igenis kitehetők bizonyos változásoknak. Hogy ezt a nézetet alátámassza, Darwin – a Beagle-hajón tett expedíciója során – három fontos megfigyelést jegyzett fel. A Galapagos-szigeteken megfigyelte, hogy a Geospiza pintyőkét hat faj képviseli. Ezek közül egyesek, noha azonos általános típusúak, nem találhatók együtt ugyanazon szigeten, s a különbség nő a szigetek közötti távolsággal. Darwinban felmerült a kérdés: ha minden faj külön keletkezett, miként lehetséges, hogy egy annyira kis földfolton ennyi fajta él, amely csak lényegtelen eltérést mutat egymás között? Feltételezve, hogy a szigetek közötti távolság elég nagy ahhoz, hogy korlátozza a szigetközti tömeges vándorlást, megfogalmazta első tételét: az elszigeteltség változatossághoz vezet. Az összehasonlító bonctan volt Darwin elméletének második főpillére. Élőlények és kövületek vizsgálatai nyomán arra a következtetésre jutott, hogy számos fajnak közös őse létezett (vagy létezik), bizonyos szerkezetek nagyszámú szervezetben közösek. Például az emlősök végtagjai járásra, futásra, repülésre és úszásra szolgálnak; a fóka „mancsai” nagymértékben különböznek a ló lábaitól, de mindkettőnél ugyanazt a csont-„berendezést” leljük fel, pusztán méret- és alakbeli különbségekkel. Ez a megfeleltetés csakis egy közös ős feltételezésével magyarázható.
Darwinnal körülbelül egyidőben Alfréd Russel Wallace is eljutott hasonló gondolatokhoz. Az ő érvelésének egyik fő pontja az volt, hogy az osztályozási rendszerben, amelyben a fajokat egy nagyobb csoporthoz tartozó kisebb csoportokba osztják, megfigyelhető a nagyobb csoportok (Osztályok és Rendek) világméretű elterjedése és ezzel ellentétben az, hogy a kisebb csoportok (Fajok és Nemek) gyakran csak a világ kisebb területeire szorítkoznak. Továbbá Wallace a kövületek vizsgálatakor azt is megfigyelte, hogy miután egy faj az alsóbb rétegekből eltűnik, sohasem fordul elő a magasabbakban. Wallace meggyőződésének az volt a lényege, hogy a fajok folytonosan jelennek meg, mégpedig az őket megelőző hasonló fajok elterjedési területéhez közel. Darwinnal egyetemben vallotta, hogy az osztályozás – mint a csoportok ranglétrája – egyúttal tükrözi az időrendet is, amelyben a fajok megjelentek.
Az állatvilág fejlődése két fő úton zajlott le. Az evolúciós családfa alapjánál a baktériumok és protozoák (protos görögül elsőt jelent; tehát: ősállatok) állanak. Ezeknek a szervezeteknek a szerkezete az egysejthez hasonlatos, de mivel a test különböző részei összetettek és funkcióik szerint a többsejtű szervezet részeinek felelnek meg, a protozoákat inkább celluláris (sejtmentes), semmint egysejtű szervezetekként írják le. Gyakorta nehéz eldönteni, hogy egy protozoát növényként vagy állatként kell-e osztályozni, s ezért ezen a szerveződési szinten a növénytan és állattan valóban „egybeépült”. A legtöbb szakember szerint a többsejtűek a protozoáktól származnak. Erre két elmélet született. Az egyik szerint több különálló protozoa aggregálódott (tömörült) és egy sejttömeget képezett; az aggregációs felfogásnak azonban meg kell küzdenie egy komoly nehézséggel: miként koordinálódtak az egyedi sejtek egy egységes szervezet egészévé?
Éppen ezért a második elmélet szerint ez a koordináció (összehangolás) jobban megvalósulhatott azáltal, hogy egyetlen – több magvú – protozoa osztódás útján több különálló sejttömeggé fejlődött. Nem tudjuk, melyik volt a tényleges út, de valószínű, hogy mindkettő elfogadható. Úgy tűnik ugyanis, hogy a protozoák két külön úton vezettek el többsejtű állatokhoz. Az egyik út a poriferák (szivacsok) törzsének a megjelenéséhez vezetett; a szivacsok elég nagy többsejtű szervezetek, amelyekben különféle célokra (élelemzsákmányolás, emésztés vagy szaporodás) alkalmazkodott és alig koordinált sejtek találhatók. Ez arra enged következtetni, hogy a poriferák sejtjei különböző eredetűek. A másik többsejtű állatsor a cölenteráták (tengeri rózsa és hidra) törzse; ezek két sejtrétegből, az ektodermából és endodermából állnak. Az egyetlen testüreg a „gyomor”, amelynek egy nyílása van a külvilág felé. A platyhelmintheseknél (lapos férgek), már megjelenik a harmadik sejtréteg, a mezoderma is. A későbbi fejlődés során ismét kétfelé ágazik a családfa: egyrészt az annelidák (gyűrűsférgek: földi giliszta), a molluscák (puhatestűek) és az arthropodák (ízeltlábúak) törzséhez, másrészt az echinodermaták (tüskésbőrűek) törzséhez vezet. A chordáták (gerinchúrosok) törzse, amely protochordátákból (őshúrosokból) és gerincesekből áll, ugyanazon az evolúciós vonalon helyezkedik el, mint a tüskésbőrűeké. Első látásra talán valószerűtlennek tűnik, hogy az echinodermaták és a gerincesek ugyanahhoz a fejlődési vonalhoz tartoznak, de a két csoport olyan közös vonásokat nyilvánít, amelyek alátámasztják ezt: a tüskésbőrűek és a chordáták petéi azonos módon – szabálytalan sugaras osztódással – fejlődnek, tehát embrionális fejlődésük megegyezik.
A gerincesek a továbbiakban több változatos formát alakítottak ki. Elsőkként a halak jelentek meg. Az első kétéltűek (Amphibia) a „száraz” devon-korban jelentek meg, ámbár nem szakadtak el teljesen a víztől. A „modern” kétéltűek (békák és varangyok, szalamandrák és gőték) csupán egy hajdani változatos csoport kevés és specializált maradványait képviselik. A szárazföld teljes elözönlése a hüllők megjelenésével állt elő; a mezozoikumban a hüllők az uralkodó gerincesek voltak, és a maiak (gyíkok, teknősök, kígyók, krokodilusok, alligátorok stb.) szintén „halvány fényei” csupán a „dicső múltnak”. Az őstörténet perm-korában három evolúciós vonal származott a hüllőktől: az egyik a „szaladó” hüllőké, a másik a „repülő” hüllőké, azaz a későbbi madaraké (ezek egy része elvesztette repülési képességét és vagy a szárazföldhöz – például a kiwi-madár –, vagy a vízhez – például a pingvin – alkalmazkodott). A harmadik fejlődési vonal vezetett az emlősökhöz, amelyek átvették a hüllők uralmát mint „vezető” gerincesek.
A TÖRZSFEJLŐDÉS ÉS RENDSZERTAN MOLEKULÁRIS ALAPJAI
Nem szükségtelen talán megismételni, hogy a faji adottságokat az örökletes sajátosságok összessége adja meg. S minthogy az utóbbiak a dezoxiribonukleinsav (DNS) láncában tömörülnek (amelyet a Nobel-díjas John C. Kendrew nem kis költőiességgel az „élet fonalá”-nak nevezett), logikusnak tűnt, hogy az élővilág evolúciós kalandját ezen a szinten nyomozzák ki. Mindez a nukleinsavkémia és a modern molekuláris biológia korszerű vívmányai nyomán vált lehetővé.
A szervezetek vegyi összetétele, biokémiai sajátosságai és a rendszertani helyzete, törzsfejlődési származása és fejlődése közötti kapcsolat már régóta felkeltette a biológusok figyelmét.
Az egyik legnagyobb szovjet botanikus, V. L. Kotnarov akadémikus írja A fajokról szóló tan című könyvében: „Valamennyi eddig ismert »tiszta« morfológiai jegy alapjánál éppen a biokémiai különbségek állnak.” A mikrobiológiában – eltérően a növénytantól és állattantól – már régóta használatos a biokémiai és élettani jegyek felhasználása a mikrobák rendszertanának felállításában, de a taxonómusok (rendszertannal foglalkozók) már itt is válságba jutottak, ugyanis módszereik elsősorban a fenotípust (fehérjék stb.) és nem a genotípust (sejtgenom) érintették. Így, amikor az ötvenes évek elején a biokémia és a biológia kibővült a nukleinsavak fajlagosságának felfedezésével, már várható volt, hogy a rendszertan és a szervezetek vegyi összetétele közötti kapcsolat tanulmányozásában valami új fog bekövetkezni.
A DNS nyilvánvalóan nemcsak az élet megjelenésében játszott elsőrendű fontosságú szerepet, hanem az új és újabb fajok differenciálódási és különválási folyamataiban is. Egyrészt azért, mert állandósága folytán biztosítja a hordozott örökletes tulajdonságok stabilitását (vagyis: a faji specificitást), másrészt azért, mert a lineáris szerkezet – a bázisszekvencia – csaknem végtelen számú kombinációs lehetőségének köszönhetően óriási faji változatosságot hozhat létre. Masatoski Nei japán genetikus, 1988-ban, a Nature-ben közölt cikkében (Gén-megkettőződés és nukleotidhelyettesítés a fejlődésben) kifejti, hogy „molekuláris szinten a fejlődés olyan folyamatnak tekinthető, amelynek során a csírasejtek DNS-tartalma nő, és a bázisszekvencia változik – az összgenetikai információ növelésének irányában. A DNS növekedése gén-megkettőződés útján állt elő… Másfelől a DNS-beli bázisok helyettesítése (szubsztitúció) mutáció és szelekció, vagy mutáció és véletlenszerű fixáció (rögződés) által történt.” Továbbá, nézetének alátámasztására Nei kimutatja, hogy az Escherichia coli bacilusban 2,5×109 (két és fél milliárd) daltonnyi (tömegegységnyi) DNS található, ami 3,8×106 (három egész nyolc millió) bázispárnak felel meg, míg a fejlődéstani szempontból jóval távolibb emlősök 2×1012 (kétezer milliárd) daltonnyi DNS-t, illetve 3,2 milliárd bázispárt, a kolibacilusénak ezerszeresét, tartalmazzák sejtenként; kétségtelen tehát, hogy az evolúció az örökletes anyag mennyiségi növekedésével járt.
S. Ohno, egy másik japán molekuláris genetikus szerint a DNS mennyiségének növekedése genom- vagy kromoszómakettőződéssel állt elő, mivel a magasabbrendű szervezetek DNS-tartalma diszkréten, azaz nem folytonosan változik (a sejtgenom a kromoszómák összessége). Ohno, a gerincesek különböző osztályainak sejttani és biokémiai vizsgálataiból arra következtet, hogy ilyen kromoszómakettőződések a gerincesek ősi vonalainál közel háromszáz millió éve következtek be, ami nagyjából egybeesik a gerincesek származtatásának paleontológiai kormegállapításával.
A fajok molekuláris filogenetikai eredetében szerepet játszhatott továbbá egy másik genetikai jelenség: a géntranszlokáció is, amelynek során a kromoszómák átrendeződéséből kifolyólag eredetileg szorosan kapcsolt, egymáshoz közeli gének – azaz örökletes sajátságok – elszakadtak és eltávolodtak egymástól, s ez a maga során nyilván új fajlagosság – tehát új faj – megjelenését eredményezhette.
A molekuláris taxonómia – a fajok molekuláris biológiai alapokon való osztályozása – nagyot nyert a nukleinsavkémia egy viszonylag új technikai módja: a nukleinsav-hibridizáció felfedezésével. A DNS kettős hélix szerkezetű: két komplementer (egymást kiegészítő) nukleinsavlánc szoros és stabil egymásra csavarodása. Várható tehát, hogy ha két rokon fajból kivont – közel azonos összetételű – DNS hélixeit „lecsavarjuk” egymásról (például oldatban való melegítéssel) és összekeverjük őket, akkor keverék (hibrid) kettős hélixek keletkeznek. A hibridek keletkezésének feltétele a DNS-forrásanyag faji közelsége, szoros rokonsága. Rendszertani szempontból minél közelebb álló élő egyedekből származik a DNS, annál stabilabb az előállt hibrid kettős hélix. Hoyer és mások matematikai szigorral mutatták ki, hogy két különböző faj DNS-e közötti hasonlóság, amelyet a fenti hibridképződéssel követtek, exponenciálisan csökken azzal az idővel, amely a két faj fejlődéstani elágazódása óta eltelt. Laikus nyelvre fordítva: minél régebben vált külön két faj, annál kevésbé rokonok – ami egyszerű logikai meggondolás alapján is nyilvánvaló.
1956-ban Belozerszkij és Szpirin szovjet, valamint tőlük függetlenül Ky Yong-Li, Weil és Barbu francia kutatók (a Pasteur Intézettől) a különböző baktériumok DNS-összetételét vizsgálva rámutattak, hogy a nukleinsavak bázisösszetétele rendszertani jelentőséggel bír. A későbbiekben a megállapítás érvényessé vált a növény- és állatvilág különböző csoportjaira is. Ez a módszer különösen értékesnek bizonyul a vírusok osztályozásában, ahol a „faji” jegyeket a legtöbbször lehetetlen morfológiai jellegzetességekből kibogozni, nemcsak a vírusok mikroszkopikus volta, hanem gyakori hasonlósága miatt is.
MIT„MONDANAK” A FEHÉRJÉK?
Ismeretes, hogy a modern molekuláris biológia „kirobbanása” előtt a faji sajátságok hordozó elemeinek a fehérjéket tekintették. S ebben van is tudományos megalapozottság, ha tekintetbe vesszük, hogy a fehérjék: a genetikai potencialitás (genotípus) effektíve kifejezett (fenotípus) formái, amelyek a szintézisüket irányító és összetételüket meghatározó nukleinsavakkal párhuzamosan természetszerűen követték az evolúciós természetes kiválasztódás eseményeit – ám mindig egy lépéssel az „első frontvonal” mögött. A nukleinsavakhoz való „hűségüknek” és szerkezeti (így egyúttal működési) stabilitásuknak köszönhetően tehát a fehérjék megbízható törzsfejlődési útjelzők.
A fehérjék fejlődéstörténetében ma általában két szakaszt különböztetnek meg: a) egy ősi, kiindulási forma: a „primitív” fehérje kialakulását – ez funkcionális szempontból megszab minden olyan tulajdonságot, ami a sejtanyagcserebeli feladatokat meghatározza; b) azt a folyamatot, amelynek során a „primitív” láncból elágazó fejlődés útján egyidejűleg különböző specifikus tulajdonságokkal rendelkező, de hasonló szerkezetű és összefüggő működésű fehérjék képződnek. Ezt leginkább a hemoglobin (a vér egyik alapvető fehérjekomplexuma) fejlődésénél lehet megfigyelni. Az ember és a gorilla hemoglobinjának két (alfa és béta) láncában egy-egy aminosav eltérés van; amennyiben ezek az eltérések nem járnak kirívó makroszkopikus következményekkel, vagyis élettani rendellenességekkel, molekulaszerkezeti szempontból például a béta láncot mindkét fajnál általánosan elterjedtnek vehetjük. Zuckerkandl és Pauling szerint ha az emberi hemoglobin bétaláncait a gorilláéval kicserélnénk, az emberben továbbra is normális, működőképes hemoglobint nyernénk. A majomfélék hemoglobinjának törzsfejlődéstani rokonságát az aminosav-sorrend vizsgálata is alátámasztja. Megállapították, hogy a hemoglobinban kimutatott szerkezeti eltérések mennyiségi szempontból az ember és a félmajmok (Prosinii) közötti filogenetikai távolságot tükrözik.
A FEJLŐDÉS MOLEKULÁRIS TARTALÉKAI
M. Nei idézett cikkét a következő szavakkal zárja: „… várható, hogy a magasabbrendű szervezetek, beleértve az embert is, óriási fejlődési lehetőségekkel rendelkeznek… más szóval: jelenleg a DNS-molekulák által felhalmozott genetikai információnak csupán elenyésző hányadát használják”. S hogy ez mennyire józan következtetés, azt talán alátámasztja az alábbi – még a szakemberek által is kevéssé felmért – felfedezés.
A felfedezés a maga egészében magán viseli a nonkonformizmus jegyét. Helyszín: a washingtoni Carnegie Intézet Föld-mágnességtani (!) Osztályának biofizikai szekciója. Történik 1962–64-ben. Szerzők: Ellis T. Bolton, Brian J. McCarthy, Bill T. Hoyer, Roy J. Britten és David E. Kohne. 1962-ben, miközben a különböző fajok közötti rendszertani kapcsolatot vizsgálta a már idézett DNS-hibridképződés módszerével, az első három kutató megfigyelte, hogy az emlősök (például az egér) DNS-énél a hibridképződés sokkal gyorsabb, mint a baktériumoknál. Lázas vita kezdődött, hiszen az emlősök DNS-fonala sokkal hosszabb, mint a baktériumoké, tehát a kettős hélixek újra-alakulásához több időre volna szükség. A mentőötlet csak 1964 nyarának közepén támadt Britten és Kohne fejében: a kémiai reakció-kinetikával való látszólagos ellentmondás kulcsa abban rejlik, hogy az egér-DNS-lánc hosszában ugyanazon szekvenciák (bázissorrendek) többször megismétlődnek! De minek tulajdonítható ez a pazar fényűzés a természet háztartásában? A rejtély – hisz a felfedezés még viszonylag új – még nem teljesen megoldott, de feltehetően éppen ez az a háztartási „tartalék”, amelyet a fajok a különféle változó – és sokszor fennmaradásukra nézve ellenséges – környezeti feltételekhez való alkalmazkodásra, vagy éppenséggel további fejlődésükre tartalékolnak.
Talán nincs messze az a nap, amikor Zuckerkandl és Pauling „molekuláris fejlődéstörténete”, „vegyi paleogenetikája” elvezet egy végleges formába öntött molekuláris taxonómiai algoritmushoz, amelyet a jövő biológushallgatója épp olyan természetesen használhat majd a fajok „levezetésében” és osztályozásában, amilyen természetesen ma a vegyészhallgató használja a kristálytani osztályok levezetésében a szimmetria- és csoportelméleti tulajdonságokat.
Megjelent A Hét IV. évfolyama 4. számában, 1973. január 26-án.