Joukko yksisoluisia leviä takertuu kiinni toisiinsa ja muodostaa tiiviin pallomaisen kasan. Sitten kasa hajoaa osiksi ja osat alkavat muodostaa omia leväpallojaan. Näin yksisoluiset olivat kehittäneet monisoluisen elämän muodon.
Tämä mullistava evoluution käänne ei kestänyt miljoonia vuosia vaan 350 päivää. Mullistus tapahtui yhdysvaltalaisen tutkijaryhmän laboratoriossa.
Vuonna 2017 tehdyssä kokeessa tutkijat saivat pakotettua yksisoluiset viherlevät monisoluisiksi altistamalla ne petojen hyökkäyksille. Petona oli mikroskooppisen pieniin ripsieläimiin kuuluva tohvelieläin, joka syö pieniä levähiukkasia.
Tohvelieläimen ollessa paikalla levien eloonjäämismahdollisuudet kaksinkertaistuivat, kun ne lyöttäytyivät yhteen.
Kun yksisoluinen viherlevä Chlamydomonas altistettiin ravintohiukkasia pyydystävän tohvelieläimen hyökkäyksille, levät muodostivat pian monisoluisen yhdyskunnan. Yhdyskuntana niillä oli 2,5 kertaa niin suuri mahdollisuus selviytyä tohvelieläimen hyökkäyksestä kuin yksin.
Siirtyminen monisoluiseen elämään on elämän kehityksen merkittävimpiä käännekohtia. Leväkokeessa se paljastui yllättävän helpoksi.
Dna-analyysit ja fossiililöydöt osoittavat, että tämä käänne on tapahtunut eliökunnan historiassa ainakin 25 kertaa – ilmeisesti paljon useamminkin. Nyt tutkijoille on alkanut valjeta, miksi yksisoluiset eliöt ovat kuin luotuja toimimaan yhdessä.
Monisoluisuus viipyi kauan
Lähes kaikki elämän muodot, joihin ihminen törmää arjessaan, ovat monisoluisia: ihminen itse, pihalla lennähtelevä mustarastas, ruukussa kasvavat kukat ja metsänpohjan sienet. Jotkin monisoluiset eliöt ovat hyvin yksinkertaisia: ne ovat yksinkertaisesti yksisoluisten eliöiden muodostamia yhdyskuntia.
Toiset, kuten ihmiset, taas ovat paljon mutkikkaampia kokonaisuuksia. Niille on tyypillistä muun muassa se, että ne voivat tuottaa uusia valmiita jälkeläisiä sukusoluista. Lisäksi niiden solut ovat erikoistuneita eri tehtäviin, vaikka niissä kaikissa on sama dna.
Erikoistuminen tarkoittaa sitä, että solut kehittyvät hoitamaan tiettyjä tehtäviä. Esimerkiksi hermosolut erikoistuvat välittämään sähköärsykkeitä elimistön osasta toiseen ja immuunijärjestelmän solut erikoistuvat torjumaan taudinaiheuttajia. Maakasveilla ja monisoluisilla sienillä on yleensä 10–20 eri solutyyppiä. Ihmisillä ja muilla eläimillä solutyyppejä voi olla 200.
Kun on tutkittu nykyisten monisoluisten lajien kirjoa, on ilmennyt, että monet niistä ovat kehittyneet monisoluisiksi toisistaan riippumatta.
Monisoluisuus tarjoaa monia hyötyjä. Monisoluiset eliöt liikkuvat paremmin kuin yksisoluiset ja pystyvät hakeutumaan suotuisiin elinympäristöihin. Tutkijat eivät ole saaneet selville, milloin ensimmäiset monisoluiset eliöt ilmestyivät Maan päälle.
Joidenkin löytöjen perusteella on esitetty, että alkeellisia monisoluisia eliöitä eli jo 2–3 miljardia vuotta sitten. Ne olivat todennäköisesti yksisoluisten eliöiden, kuten levien, muodostamia löyhiä yhdyskuntia pikemminkin kuin eläimiä, kasveja tai sieniä.
Ensimmäiset kehittyneet monisoluiset eliöt ilmestyivät maapallolle 750–660 miljoonaa vuotta sitten. Siinä vaiheessa yksisoluisia eliöitä oli ollut olemassa jo yli kolme miljardia vuotta.
Pitkä odotusaika viittaa siihen, että siirtymä ei ollut helppo. Toisaalta on myös viitteitä siitä, että yksisoluiset muuttuvat monisoluisiksi helpostikin.
Varhaisimmat monisoluiset eliöt olivat hyvin yksinkertaisia. Kuvassa on 560 miljoonaa vuotta vanha Dickinsonia tenuis.
Kun on tutkittu nykyisten monisoluisten lajien kirjoa, on ilmennyt, että monet niistä ovat kehittyneet monisoluisiksi toisistaan riippumatta. Kasveilla, eläimillä ja sienillä on kolme eri yksisoluista esivanhempaa.
Punalevien, viherlevien, ruskolevien ja piilevien sukupuussa monisoluisuus on kehittynyt ainakin viisi kertaa. Kaikkiaan nykyiset monisoluiset lajit polveutuvat vähintään 25:stä eri yksisoluisesta esivanhemmasta – todennäköisesti esivanhempia on yli 50.
Tutkijat etsivätkin kuumeisesti vastausta kysymykseen, mikä viivytti monisoluisuutta kolme miljardia vuotta.
Elämän puu
Monisoluisten eliöiden geeneistä näkyy, että monet lajeista ovat kehittyneet monisoluisiksi toisistaan riippumatta.
Levä kehittyi monta kertaa
Kasvit ja monisoluiset levät ovat kehittyneet useista eri yksisoluisista levistä. Monet näistä yksisoluisista kantamuodoista eivät ole edes erityisen läheisiä sukulaisia.
Monisoluisuus syntyi ainakin 9 kertaa.
Sienillä on kirjava tausta
Limasienet, munasienet, aitosienet ja monet muutkin eliöt luokiteltiin ennen yksinkertaisesti sieniksi. Nykyään tiedetään, että erityyppiset sienet ovat kehittyneet eri kantamuodoista.
Monisoluisuus syntyi ainakin 6 kertaa.
Eläimillä on yksi kantamuoto
Eläimet – alkeellisimmasta meduusasta valaisiin – ovat eliökunnassa poikkeus: ne ovat ilmeisesti kaikki kehittyneet samasta monisoluisesta eliöstä, joka eli noin 800 miljoonaa vuotta sitten.
Monisoluisuus syntyi vain 1 kerran.
Alkueliöt elävät yhteisöissä
Alkueliöiksi sanotaan aitotumallisia eliöitä, jotka eivät ole kasveja, eläimiä, sieniä eivätkä bakteereja. Alkueliöt ovat yksisoluisia, mutta niiden yhdyskunnat ovat yksi versio monisoluisuudesta.
Monisoluisuus syntyi ainakin 5 kertaa.
Bakteereista kasvaa kukkia
Bakteerit ja niin sanotut arkeonit ovat yleensä yksisoluisia, mutta esimerkiksi Myxococcales-lahkon bakteerit voivat muodostaa kukkamaisia rakenteita, jotka voi erottaa paljain silmin.
Monisoluisuus syntyi ainakin 4 kertaa.
Yhteisö tuo turvaa
Maan ilmakehän happipitoisuus oli ensimmäiset 3–4 miljardia vuotta paljon alhaisempi kuin nykyään. Hapen määrä alkoi kasvaa vasta noin 850 miljoonaa vuotta sitten – eli juuri ennen kuin monisoluiset eliöt alkoivat yleistyä.
Tästä jotkut tutkijat ovat päätelleet, että alhainen happipitoisuus jarrutti monisoluisuuden syntyä. Brittipaleontologi Nicholas Butterfield ei pidä päätelmää uskottavana.
Hänen mukaansa monisoluiset eliöt olisivat voineet kiertää ilmakehän vähähappisuuden kehittämällä pinnan, joka pystyy ottamaan happea vedestä niin kuin kalat kiduksillaan.
Butterfieldin mukaan todennäköisempi syy monisoluisuuden viipymiselle oli se, että sitä varten solujen oli ensin opittava ohjaamaan itseään.
Esimerkiksi ihmisen elimistössä soluilla on kyky huomata, mitä proteiineja niiden pitää tuottaa missäkin kehitysvaiheessa. Näin solut voivat hoitaa erilaisia tehtäviä, vaikka niissä kaikissa on sama dna.
Ne osaavat myös lakata jakautumasta, kun niiden ei enää tarvitse kasvaa, ja osa niistä osaa jopa tehdä itsemurhan, jos elimistön etu niin vaatii. Solujen itseohjauskyvyn puute saattoi siis viivyttää monisoluisuuden kehittymistä, mutta se ei selitä sitä, miksi monisoluisia eliöitä yhtäkkiä alkoi kehittyä joukoittain.
Selitys voi olla se, että siirtymä monisoluisuuteen ei olekaan järin hankalaa, jos vain siihen on riittävä motivaatio.
Video: Näin solusi jakavat työt
Monisoluisuuden etuna on se, että monisoluisen eliön on helpompi puolustautua petoja vastaan.
Ensimmäisten kolmen miljardin vuoden aikana pedot olivat pieniä ja alkeellisia, joten yksisoluisilla eliöillä ei ollut suurta tarvetta hakea turvaa monisoluisuudesta.
Vasta noin 800 miljoonaa vuotta sitten kehittyi sellainen peto, joka sai muut eliöt hakemaan turvaa toisistaan. Lyhyen ajan kuluessa iso joukko erilaisia eliöryhmiä muuttui monisoluisiksi. Yhdysvaltalainen biologi Nicole King uskoo löytäneensä selityksen nopealle muutokselle.
Varhaiset pedot, kuten tämä 530 miljoonaa vuotta vanha Anomalocaris, panivat vauhtia monisoluisten eliöiden kehitykseen.
King kollegoineen on tutkinut kaulussiimaeliöitä. Ne ovat yksisoluisia eliöitä, mutta niillä on versioita monista samoista geeneistä, jotka ovat tärkeitä myös monisoluisille.
Nämä geenit muun muassa pitävät elimistön solut yhdessä, antavat soluille kyvyn viestiä keskenään tai tarpeen tullen tuhota itsensä, jos syövän tai muun sairauden torjuminen sitä edellyttää.
Yksisoluisia eliöitä nämä geenit auttavat pyydystämään ravintoa tai aistimaan ympäristöään, mutta jo pieni mutaatio muuttaa niiden tehtävän.
Solut ovat syntyneet yhteistyöhön
1. Saalistusväline pitää solut yhdessä
Kaulussiimaeliöillä on pinnassaan kadheriineiksi (vaaleat läiskät) sanottuja proteiineja, joiden avulla ne pyydystävät bakteereja. Ihmisen elimistössä kadheriinit auttavat soluja pysymään kiinni toisissaan.
2. Havaintoväline ja vastaanotin
Kaulussiimaeliöt käyttävät niin sanottuja tyrosiinikinaasireseptoreja (vaaleanvihreät) ympäröivän veden molekyylien aistimiseen. Ihmisen soluissa samat reseptorit vastaanottavat hormoneja ja muita kemiallisia viestejä muilta soluilta.
3. Korjaustyökalu ehkäisee syöpää
Sekä ihmisen että kaulussiimaeliön proteiini p53 (turkoosi) korjaa dna:n (punainen) vaurioita. Ihmisessä se voi myös panna solun tuhoamaan itsensä, jos dna:ta ei voida korjata. Näin vaurioitunut solu ei pääse kehittymään syöpäsoluksi.
Jo yksisoluisilla eliöillä on siis kaikki välineet, joita tarvitaan monisoluisiksi muuttumiseen. Siksi monisoluisuus on voinut syntyä eliökunnassa monta kertaa.
Sen jälkeen kun ihmisen ja muiden eläinten esivanhemmat muinoin ryhtyivät monisoluisiksi, ne ovat jalostaneet geenejään miljoonia kertoja. Ihmisessä sen tuloksena on ällistyttävän hyvä yhteistyö noin 37 biljoonan solun välillä. Joskus ihmisenkin elimistössä kuitenkin tapahtuu taantuma yksisoluisen tasolle.
Syöpä on jäänne yksisoluisuudesta
Australiassa David Gooden johtama tutkijaryhmä selvitti 2017, miten tietyt geenit toimivat syöpäsoluissa ja terveissä soluissa.
Kävi ilmi, että syöpäsoluissa vaikuttavat hyvin aktiivisesti ne geenit, jotka ovat muuttuneet vähiten niistä ajoista, jolloin kaikki elämä oli yksisoluista. Eniten kehittyneet geenit taas olivat syöpäsoluissa passiivisia.
Tutkijoiden päätelmä oli, että syöpä saa alkunsa, kun geenimuunnos rikkoo ne mekanismit, joilla solut tekevät yhteistyötä, ja käynnistää ne itsekkäät selviytymismekanismit, joita yksisoluinen eliö tarvitsee.
Syöpäsolut jakautuvat hallitsemattomasti ja tuhoavat ympärillään olevaa tervettä kudosta.
Syöpä on siis eräänlainen taantuma monisoluisesta yhteisöllisyydestä yksisoluiseen itsekkyyteen. Siksi syöpäsolut käyvät muiden solujen kimppuun.
On olemassa jopa syöpätyyppejä, kuten Stickerin sarkooma eli koirien sukuelinkasvain, joka leviää yksilöstä toiseen sukupuoliyhteydessä samoin kuin tippuri tai muu bakteerisairaus.
Samalla kun tutkijat ovat päässeet jyvälle eliökunnan evoluutiosta, sivutuotteena on siis kasvanut tietämys oman elimistömme solujen käyttäytymisestä. Se taas voi poikia uusia syövän hoitokeinoja.