W życiu są podobno tylko dwie rzeczy naprawdę pewne: śmierć i podatki. No, chyba że jesteś pantofelkiem.
Śmierć może przyjść na wiele sposobów. Większość z nas, czytających te słowa, umrze wskutek chorób serca lub choroby nowotworowej, ale Międzynarodowa Klasyfikacja Chorób ICD-10 przewiduje również bardziej egzotyczne ewentualności, takie jak zgon spowodowany toksycznym działaniem mydła (kod T55), erupcja wulkanu (kod X35) czy zbyt długie przebywanie w stanie nieważkości (kod X52). Tak czy inaczej, wraz z upływem czasu współczynnik śmiertelności zdąża do 100%. Oczywiste, prawda? Niekoniecznie.
Nieśmiertelność nie jest wyłącznie fantazją mitologii i science fiction; można próbować się jej doszukiwać w realnym świecie biologicznym. W królestwie zwierząt podejrzane są zwłaszcza najprostsze organizmy, takie jak parzydełkowce czy płazińce, które potrafią – teoretycznie w nieskończoność – regenerować uszkodzone fragmenty swojego ciała, a nawet wracać do wcześniejszych etapów rozwojowych, niejako „włamując się” do mechanizmów swojej embriogenezy. Zaobserwowanie takiego przypadku jest jednak niełatwe – jak stwierdzić, że złowiona w Bałtyku stułbia żyje od 100 mln lat?
Szczególnie elegancką formą nieśmiertelności jest ta, która wydaje się występować u organizmów jednokomórkowych rozmnażających się bezpłciowo. Aby zrozumieć, jak bakteria albo pantofelek mogłyby uniknąć śmierci, spróbujmy się najpierw upewnić, że mamy dobry obraz ich życia.
Stary, ale jary
Zasadnicza różnica między rozmnażającym się płciowo wielokomórkowym organizmem, takim jak człowiek, a bezpłciowym jednokomórkowcem polega na roli w ich życiu ciała. Organizm ludzki składa się z dwóch fundamentalnych typów komórek: somatycznych i płciowych (gamet). Te pierwsze budują moją skórę i kości, mózg i pozostałe narządy wewnętrzne, moją krew i limfę. Te drugie – występujące w dwóch odmianach: komórki jajowe u kobiety i plemniki u mężczyzny – mają tylko jedną funkcję: utworzenie nowego człowieka. Co istotne, w momencie złączenia się gamet i powstania embrionu rola ciał, z których gamety te pochodzą, mogłaby się w zasadzie skończyć. Jasne, w wielu przypadkach tak nie jest. Ciało samicy bywa inkubatorem dla embrionu, a ciała obojga rodziców – czy nawet osobników niespokrewnionych! – potrafią walnie przyczyniać się do przeżywalności młodych. W tak ciekawym gatunku jak Homo sapiens nawet babcie odgrywają ważną ewolucyjnie rolę, a rozwijające się młode otoczone jest wianuszkiem dorosłych ciał ułatwiających mu start w życiu. Bez trudu można jednak wyobrazić sobie gatunek, u którego inwestycja dorosłych osobników w młode kończy się w momencie powstania zygoty. Taką strategię stosują rośliny – dorosły dąb nie inwestuje rodzicielsko w swoje potomstwo, a jego wysiłek kończy się na wyposażeniu kasztana w powitalny pakiecik pokarmu. Potem – radź sobie sam.
Choć może to brzmieć okrutnie, ciało wielokomórkowego, rozmnażającego się płciowo organizmu staje się po wydaniu potomstwa z każdym rokiem coraz bardziej zbędne. Tu wkracza to, co określamy jako starzenie – stopniowe, nieodwracalne zużywanie się ciał, których nieograniczone istnienie nie było nigdy ewolucji do niczego potrzebne.
Zauważmy, jak odmienne jest życie jednokomórkowego organizmu, który rozmnaża się przez podział komórki. Chodzi przede wszystkim o bakterie, ale też o nieprzeliczony zastęp pierwotniaków (formalnie: „protistów”), z których powszechnie znane są choćby orzęski, np. pantofelek, oraz ameby. (Dodajmy dla porządku, że istnieją również protisty rozmnażające się płciowo oraz takie, które są wielokomórkowe – o tych jednak nie będziemy dalej mówić). Jak wygląda życie tego typu jednokomórkowej, bezpłciowej istotki? Gdy tylko przyjdzie odpowiedni moment – pokarmu nie brakuje, a warunki pogodowe są korzystne – dzieli się ona na pół, po czym każda z połówek radośnie odpływa w swoją stronę, będąc nowym samodzielnym organizmem. Każdy pantofelek to potencjalny buhaj rozpłodowy, ewolucja ma więc wiele powodów, aby wyposażać te stworzenia w możliwość dowolnie długiego podtrzymywania ciał w zdrowiu.
Śmierć może też przyjść w postaci lawiny, ognia czy szczęk drapieżnika; tego typu przyczyny, nawiasem mówiąc, klasyfikacja ICD-10 określa jako zewnętrzne. Żadne techniki regeneracji nie pomogą, gdy wpadnie się do wrzącej lawy. Co jednak, gdy uda się uniknąć tego losu? Czy jednokomórkowiec może umrzeć „ze starości”, czyli – mówiąc technicznie – z przyczyn „wewnętrznych”? Moment, czy pantofelek może w ogóle… zachorować?
Przychodzi ameba do doktora
W literaturze naukowej na temat protistów tylko z rzadka rozrzucone są wzmianki na temat osobników niezdrowych. Najprościej stwierdzić infekcję. W 1976 r. protozoolog S. Franca zaobserwował u wybrzeży Portugalii populację bruzdnic z gatunku Gyrodinium resplendens – jednokomórkowych, uwicionych glonów mających piękne żeberkowane skorupki – zmagających się z infekcją wirusową, co zaburzyło pracę ich mitochondriów. W kategoriach ludzkich skutkiem byłoby ogólne osłabienie.
Pierwotniaki miewają także infekcje bakteryjne i grzybice. C.T. Ingold w 1944 r. złowił w angielskim jeziorze Windermere bruzdnice z gatunku Ceratium hirundinella, w których skorupki wczepione były strzępki grzyba z rodzaju Amphicypellus. Ta łagodna choroba nie wydawała się wywoływać poważnych zmian patologicznych, podobnie zresztą jak większość infekcji bakteryjnych opisywanych przez protozoologów. Ba, bakterie żyjące na powierzchni i we wnętrzu ciał protistów są zwykle pożytecznymi symbiontami, a podjęta w 2006 r. przez grupę japońskich badaczy pod przewodnictwem S. Nody heroiczna próba „wyleczenia” antybiotykami pewnego pierwotniaka z żyjących na powierzchni jego ciała bakterii spowodowała co prawda śmierć tych mikroorganizmów, jednak niedługo później również i ogołoconego z nich gospodarza. To trochę tak, jak gdyby wybić całą naszą florę jelitową i mikrobiom skórny. Ogólnie rzecz biorąc, wydaje się więc, że pierwotniaki są w podobnej relacji z innymi mikroorganizmami jak my sami, co oznacza też, że choroba i śmierć w wyniku infekcji mogą przydarzyć się nawet pantofelkowi.
A co ze starzeniem się? Czy hipotetyczny organizm jednokomórkowy, który nie zostałby pożarty, zgnieciony, spopielony ani zamrożony i którego nie zainfekowałyby wirusy, bakterie ani grzyby, miałby szansę żyć wiecznie albo przynajmniej dowolnie długo? Nie jest to wcale proste do ustalenia.
Dziadek pod mikroskopem
Zacznijmy od tego, że dla badaczy dynamiki życiowej mikroorganizmów elementarną jednostką doświadczalną jest kolonia. Gdy zaś na szklanej płytce pełzają setki i tysiące komórek, ustalenie losów jednej z nich nie jest wcale trywialne. Obiekty zbliżone wymiarami do 1 µm nie są wyraźnie widoczne w mikroskopie optycznym. Wszystkie te piękne zdjęcia mikroorganizmów, ukazujące najdrobniejsze szczegóły, powstały dopiero po ich zamordowaniu i chemicznym utrwaleniu – co pozwala na bombardowanie preparatów strumieniem elektronów w mikroskopie elektronowym. Stoi to w niejakiej sprzeczności z ideą, aby śledzić bardzo długie życie, nie zaburzając go.
Co więcej, kolonię eksperymentalną trzeba by obserwować 24 godziny na dobę, a z samej idei takiego projektu wynika, że musiałby trwać bardzo długo. Nieśmiertelności nie sposób stwierdzić doświadczalnie w toku skończonego eksperymentu, ale nawet kilka lat byłoby w przypadku bakterii czy pierwotniaka niezłym przybliżeniem. To jednak oznacza konieczność pilnego monitorowania jednej płytki Petriego latami!
Naprawdę systematycznego poszukiwania odpowiedzi na pytanie o nieśmiertelność jednokomórkowców podjęli się dotychczas wyłącznie badacze jednej grupy protistów: orzęsków – to dlatego zresztą dotychczas w tym tekście tak często odwołuję się do pantofelka. Nie jest to wybór przypadkowy. Orzęski są nie tylko jednymi z najlepiej zbadanych protistów, lecz także organizmami względnie dużymi (osiągają nawet setki mikrometrów, co oznacza, że bywają widoczne gołym okiem!), a to ułatwia śledzenie ich cyklu życiowego.
Pierwszy solidny eksperyment tego typu opisał w 1888 r. protozoolog Émile Maupas, stwierdziwszy, że zamkniętą kolonię orzęsków – wywodzącą się od jednego osobnika i taką, do której nie wpuszcza się nowych osobników – można utrzymywać przez kilkaset dni, w czasie których będzie dochodziło do regularnych podziałów komórki, ale prędzej czy później stworzonka zaczynają zdradzać objawy starości. Komórki robią się wykrzywione lub pomarszczone, spada im apetyt, przestają się rozmnażać, a ostatecznie kolonia ginie.
Eksperymenty francuskiego naukowca wywołały burzę w środowisku protozoologów, którzy zaczęli prześcigać się w prowadzeniu coraz to bardziej długowiecznych kolonii orzęsków. Tak nastała złota era badań nad pierwotniaczą nieśmiertelnością. Tytaniczne wysiłki kolejnych pokoleń badaczy opisał Graham Bell w książce o wymownym tytule Sex and Death in Protozoa. The History of an Obsession, od której zapożyczyłem tytuł niniejszego artykułu. Z jego badań wynika, że latach 1888–1935 przeprowadzono przynajmniej 29 tego typu eksperymentów, trwających zwykle kilka miesięcy, nierzadko ponad rok, a w jednym spektakularnym przypadku – o którym za chwilę – ponad 11 lat.
Ogółem w doświadczeniach tych zaobserwowano 15 przypadków wymarcia kolonii i 14 przypadków jej przetrwania. Hipoteza Émile’a Maupas zdawała się obalona, ale wyniki wcale nie były jednoznaczne. Wciąż nie udawało się znaleźć jasnego „przepisu na długowieczność”. Na początku XX w. w tym chaosie danych powoli zaczął się jednak wyłaniać pewien wzorzec: czyżby do nieśmiertelności potrzebny był… seks?
Życie seksualne dzikich pantofelków
Ktoś mógłby słusznie zapytać, skąd ta wzmianka o seksie, skoro ustaliliśmy już, że skupimy się na organizmach rozmnażających się bezpłciowo? W tym momencie należy się wyjaśnienie: orzęski są szczególnymi organizmami.
W przeciwieństwie do typowych organizmów jądrowych, jak choćby my, mają dwa różne jądra komórkowe, określane jako makronukleus i mikronukleus, czyli „makrojądro” i „mikrojądro”. Makrojądro – faktycznie spore – służy na co dzień do realizowania funkcji komórkowych, dostarczając przepisów genetycznych pozwalających orzęskowi na przeżycie i rozwój. Co ciekawe, w makrojądrze znajduje się olbrzymia liczba kopii wszystkich chromosomów. Gdy więc przychodzi do podziału komórki, makrojądro dzielone jest na oko na pół, a gdy robi się za małe (również na oko), pozostała porcja materiału genetycznego zostaje podwojona. Jest to dość rzadki przykład niefrasobliwości matki natury w kwestiach genetycznych, który jednak wydaje się sprawdzać.
Ów „normalny” sposób rozmnażania bezpłciowego to jednak tylko połowa historii. Od czasu do czasu dwa orzęski zbliżają się do siebie i dochodzi do tzw. koniugacji. W typowym przypadku przebiega ona następująco: pierwotniaki wymieniają się kopiami swojego mikrojądra, po czym u każdego z nich mikrojądro „własne” zlewa się z mikrojądrem „cudzym”. U każdego powstaje w ten sposób nowe mikrojądro zawierające koktajl genetyczny, na podstawie którego generowane jest nowe makrojądro (stare zostaje komisyjnie zniszczone). Dodajmy, że aby dwa orzęski mogły ze sobą koniugować, muszą należeć do tego samego „typu koniugacyjnego”. Orzęsek „typu A” może koniugować wyłącznie z innym orzęskiem „typu A”, nigdy zaś „typu B”. „Typ koniugacyjny” to więc coś jak płeć – przy czym w takim razie orzęski byłyby zatwardziałymi homoseksualistami.
Koniugacja jest to więc w gruncie rzeczy forma rozmnażania płciowego, chociaż nieco inna od tego, co zwykle występuje w świecie biologicznym. Przypominam: gdy spotyka się dwoje ludzi i dochodzi do połączenia ich materiałów genetycznych, skutkiem tego jest powstanie trzeciego człowieka. Gdy spotykają się dwa orzęski i wymieniają DNA, z randki wychodzą wciąż dwa osobniki, choć odmienione. Orzęski nie produkują więc gamet, one same jak gdyby po trochu nimi są.
Ponieważ koniugacja doprowadza do „odświeżenia” jądra orzęska, po kilku pierwszych rundach systematycznych badań nad długowiecznością pierwotniaków zaczął rysować się następujący model. Rozmnażanie bezpłciowe miałoby stanowić szybką, niechlujną metodę rozmnażania, pozwalającą na przetrwanie i rozwój w nowym środowisku. Tyle że mikrouszkodzenia organelli narastają, błędy kopiowania materiału genetycznego akumulują się – krótko mówiąc, organizm starzeje się. Koniugacja miałaby stanowić „nowy początek”.
Zauważmy, że osobniki rozchodzące się po koniugacji wcale nie mają młodych ciał. Po przetłumaczeniu koniugacji na sferę rzeczywistości ludzkiej, należałoby ją sobie wyobrazić jako spotkanie dwójki jednopłciowych dorosłych – dwóch mężczyzn albo dwóch kobiet – którzy stykają się brzuchami na kilkanaście godzin, a między ich ciałami dochodzi do przepływu materiału genetycznego. Nie ma tu żadnej świeżej krwi! Mimo tych ograniczeń protozoolodzy odetchnęli z ulgą; seks wydawał się zręcznym wyjaśnieniem nieśmiertelności orzęsków.
I wtedy na scenę wkroczył Siergiej Mietalnikow.
Nieśmiertelne orzęski Mietalnikowa
Mietalnikow był rosyjskim bakteriologiem i protozoologiem mającym niebywałe doświadczenie w hodowaniu jednokomórkowców. Gdy innym kolonie zamierały, u niego kwitły. Zapoznawszy się z wynikami dotychczasowych badań, stwierdził, że do sfalsyfikowania hipotezy „nieśmiertelności poprzez seks” – w którą nie wierzył – wystarczy jeden eksperyment. A co, gdyby utrzymać przy życiu kolonię pantofelka – tak długo, aby było dla wszystkich jasne, że osiągnięta została „prawie nieśmiertelność” – jednak zorganizować eksperyment w taki sposób, żeby uniemożliwić koniugację? Na początku XX w. szczegóły życia płciowego orzęsków były dopiero poznawane, ale stawało się jasne, że koniugacja nie zachodzi przy byle okazji. Czasem dochodzi do niej tylko wtedy, gdy warunki środowiskowe pogarszają się, np. temperatura spada poniżej określonej wartości progowej czy zaczyna brakować pokarmu. Niektóre orzęski sygnalizują ponadto zamiar koniugacji, w charakterystyczny sposób modyfikując kształt ciała, nawet z 24-godzinnym wyprzedzeniem. Później okazało się, że istnieją orzęski, u których w ogóle do niej nie dochodzi – dziś więc, gdy bada się życie seksualne pierwotniaków, zwykle brak koniugacji zapewnia się przez wybór odpowiedniego gatunku.
Mietalnikow postawił na rygorystyczną kontrolę środowiskową, uzyskując spektakularny wynik: jego kolonia pantofelka Paramecium caudatum rozwijała się przez 4090 dni (!), czyli 11 lat i 75 dni, bez żadnych śladów degeneracji i przy codziennym monitoringu, czy nie dochodzi do koniugacji. W 1919 r. (co oznacza, że przetrwała pierwszą wojnę światową!) triumfalnie ogłosił wyniki swojej benedyktyńskiej pracy w artykule L’immortalité des organismes unicellulaires, w którym stwierdził złośliwie, że śmierć kolonii Maupas nie wynikała ze śmiertelności orzęsków, lecz niezrozumienia ich potrzeb życiowych przez eksperymentatora.
Pojedyncza anomalia? Ani trochę. Zachęceni przez Mietalnikowa protozoolodzy zaczęli masowo przeprowadzać nowe eksperymenty nad pierwotniaczą długowiecznością, zapewniając im stuprocentowy celibat. Wisienką na torcie było badanie z 1929 r., w którym J.B. Lackey wyszedł w końcu poza świat orzęsków i przez 630 dni pilnie monitorował trzy kolonie pierwotniaka Entosiphon sulcatum. Jest to niespokrewniony z orzęskami wiciowiec ze zwinnym, wysuwanym ryjkiem do chwytania bakterii, który nie ma w swoim repertuarze żadnych zachowań seksualnych. Kolonie entosiphonów radośnie kwitły bez śladów utraty żywotności, a jedna z nich zdawała się nawet jej nabierać.
I teraz puenta – tyleż zaskakująca, co rozczarowująca. Skoro po dekadach żmudnych badań wykazano, że seks jednak nie jest potrzebny jednokomórkowcom, aby zapewnić nieśmiertelność swojej linii komórkowej, mogłoby się wydawać, że następnym logicznym krokiem byłoby sprawdzenie, czy dowolnie długo może żyć również pierwotniak, któremu nie pozwoli się na czysto bezpłciowy podział komórki. Bądź co bądź, wszystkie opisywane wyżej stworzenia regularnie dzieliły się i umierały, a celem badaczy nigdy nie była stuprocentowa przeżywalność! Łatwo policzyć, że gdyby protozoolodzy pozwolili pantofelkom dzielić się raz na dobę, a każdy organizm potomny by przeżył, to już po paru tygodniach nasza planeta byłaby pokryta grubym oceanem orzęsków. „Nieśmiertelność” jednokomórkowca, w duchu kolektywnego trybu życia tych istot, od początku oznaczała nieśmiertelność linii komórkowej. Mimo że w opisanych koloniach mógł się znaleźć osobnik żyjący latami bez objawów starości, nie ma sposobu, aby się o tym przekonać.
No dobrze, można powiedzieć, ale to było prawie 100 lat temu. Co od tego czasu? Czy nie ma jakichś sprytnych technik biotechnologicznego „oznaczania” orzęsków, kamer o superrozdzielczości lub algorytmów zdolnych do automatycznego śledzenia wszystkich osobników w danej kolonii? I tutaj pojawia się element rozczarowania. Pewnie dałoby się to zrobić, ale nikt się tego jeszcze nie podjął. Po „orzęskowym szaleństwie”, które wygasło w latach 30. XX w., protozoolodzy zajęli się czymś innym. Powojenni badacze, wyposażeni w mikroskop elektronowy, rzucili się ku badaniom anatomicznym, mogąc zejść z opisem protistów praktycznie do skali atomowej.
Jak ubolewa Bell w swojej książce, bywa, że stare problemy nie zostają rozwiązane, lecz zapomniane. Pilne monitorowanie pojedynczych, odseparowanych od siebie pierwotniaków, którym w dodatku trzeba by uniemożliwić podział komórki, a także zapewnić indywidualne wspaniałe, luksusowe wręcz warunki, aby wykluczyć infekcję czy śmierć z głodu, nikogo nie interesuje. W nauce obok pytań: „Ale jak jest naprawdę?” oraz „Jak to zbadać?” pojawia się w końcu również takie: „Kto to sfinansuje?”. Pytanie o nieśmiertelność jednokomórkowców jeszcze nie zostało rozstrzygnięte.
Czytaj również:
