Jak kvasinky přežívají miliony let: Klíčem je střídání hojnosti a hladu

Vědecký tým vedený Tetsuhiro Hatakeyamou z Institutu věd v Tokiu odhalil, jak se kvasinkám podařilo udržet zdánlivě sebedestruktivní strategii přežití po stovky milionů let.

Vědecký tým vedený Tetsuhiro Hatakeyamou z Institutu věd v Tokiu odhalil, jak se kvasinkám podařilo udržet zdánlivě sebedestruktivní strategii přežití po stovky milionů let. Kombinací teorie populační dynamiky s experimentálními pozorováními vědci zjistili, že střídání období bohatých na živiny a období hladovění může toto neobvyklé chování stabilizovat v evolučních časových měřítkách. Zjištění byla publikována v časopise Journal of the Royal Society Interface.

Studie se zabývá dlouhodobou záhadou v evoluční biologii. Kvasinky pivní a kvasinky štěpné se oddělily přibližně před 300–600 miliony let, přesto si obě zachovaly stejnou strategii „zabíjení opozdilců“ a používají stejné autotoxiny. Proč se tak nákladné chování zachovalo napříč tak vzdálenými druhy, zůstávalo nevysvětleno. Tato strategie spočívá v tom, že když je glukózy málo, kvasinkové buňky uvolňují toxiny do svého okolí. Buňky, které se již těmto toxinům přizpůsobily, přežijí, zatímco geneticky identické buňky, které dorazí později, než se přizpůsobí, jsou zabity. To umožňuje buňkám, které se již přizpůsobily prostředí hladovění, vyloučit pozdě příchozí, na toxiny citlivé konkurenty.

Na první pohled se však tato strategie jeví jako evolučně nestabilní. Produkce toxinů i odolnost vůči nim s sebou nesou náklady. Evoluční teorie předpovídá, že „podvodníci“ – buňky, které si zachovají odolnost, ale vyhnou se nákladům na produkci toxinů – by měly nakonec převýšit počet buněk produkujících toxiny. Pokud by tomu tak bylo, systém by měl časem zmizet.

K vyřešení tohoto paradoxu vědci vyvinuli model populační dynamiky, který simuloval populace kvasinek za různých podmínek prostředí. Výsledky ukázaly, že ani konstantní podmínky bohaté na živiny, ani nepřetržité hladovění nemohly systém adaptace na toxiny udržet. Evoluční stabilita se objevila pouze tehdy, když se prostředí střídalo mezi dlouhými obdobími bohatými na živiny a kratšími epizodami hladovění.

Během období hojnosti se buňky se systémem adaptace na toxiny chovají podobně jako buňky citlivé na toxiny, zatímco podvodníci stále platí náklady na udržení odolnosti a jsou postupně z populace odstraňováni. Když se vrátí hladovění, buňky s adaptací na toxiny začnou produkovat toxiny a odolávat jim, což jim umožňuje eliminovat buňky citlivé na toxiny. Tímto způsobem dlouhá období hojnosti potlačují podvodníky, zatímco kratší epizody hladovění potlačují citlivé buňky, čímž se strategie zachovává po dlouhé evoluční časové škále.

„Překvapivým výsledkem bylo, že ani konstantní hojnost, ani konstantní hladovění nemohly tento systém udržet,“ uvedl Hatakeyama. „Pouze když se prostředí střídalo mezi těmito dvěma stavy, stala se strategie adaptace na toxiny evolučně stabilní. To ukazuje, že dlouhodobé environmentální fluktuace mohou formovat přežití biologických strategií, které by jinak zmizely.“