W jaki sposób wielkość komórek wpływa na funkcjonowanie organizmów i ich ewolucyjne przystosowanie do środowiska? Odpowiedzi na to pytanie udziela uniwersalna zasada rządząca ekologią i ewolucją życia, która została zaproponowana przez teorię optymalnego rozmiaru komórek (TOCS). Jej współtwórcą jest prof. Marcin Czarnołęski z Uniwersytetu Jagiellońskiego, kierujący zespołem badawczym Ewolucja Strategii Życiowych w Instytucie Nauk o Środowisku Wydziału Biologii UJ.

Z komórkami w ciele organizmów jest trochę jak z imprezowaniem. Z jednej strony możesz wybrać się do klubu, w którym tłum szalejących ludzi zlewa się ze sobą, wszyscy tańczą, światła migają, muzyka gra, a bar serwuje napoje i przekąski, które podkręcają tempo i energię. Z drugiej masz do wyboru kameralną domówkę, gdzie kilka osób spokojnie rozmawia, każdy ma swoje miejsce, nikt nie krzyczy, a na koniec i tak wszyscy lądują w kuchni. Niby nie brzmi to aż tak ekscytująco, ale zdecydowanie jest mniej wymagające energetycznie i lepiej sprawdza się np. w przypadku introwertyków.

Z komórkami, które budują ciała wszystkich organizmów na Ziemi, jest podobnie. Małe komórki są trochę jak tłum na hucznej imprezie - szybkie, energiczne i reagują na zmiany w mgnieniu oka. Innymi słowy, warunki idealne dla organizmów z wysokim metabolizmem. Wymagają one jednak stałego dopływu energii i zasobów, wystarczy wszak jedno potknięcie w dostawie tlenu i cały rytm życia może sromotnie się zaburzyć.

Duże komórki to z kolei spokojna domówka. Wolniejsze, mniej podatne na nagłe braki w zaopatrzeniu, oszczędniejsze w utrzymaniu (o ile oczywiście nie trzymasz kryształów po babci w zasięgu gości). Doskonale więc sprawdzają się u organizmów, które żyją powoli i niespiesznie, na przykład takich jak żółwie, wieloryby czy niektóre rośliny. Wolniejszy przepływ substancji wcale im nie przeszkadza, bo tu nikt nie hasa po parkiecie w oparach potu i sztucznej mgły.

I właśnie w tym tkwi sedno Teorii Optymalnej Wielkości Komórek (TOCS). Według niej żadna komórka nie jest przypadkowa - każda ma taki rozmiar, jaki najbardziej opłaca jej się posiadać. Biologia to wszak nic innego, jak znajdowanie balansu między opłacalnością inwestycji a jej rozmachem. A ewolucja od milionów lat testuje różne strategie, zaś efektem tej selekcji naturalnej są rozmiary komórek, które pozwalają organizmom działać jak najlepiej w swoim środowisku.

W miejscach, gdzie zasoby są ograniczone i trzeba je „wydzierać przed innymi”, najlepiej sprawdzają się więc komórki niewielkie, które potrafią szybko przetwarzać substancje, utrzymać cały system w ruchu i dostosować się do tego, że nie zawsze da się "usiąść na sofie". W spokojniejszych i stabilnych warunkach dominują z kolei większe komórki – wolniejsze, mniej wymagające, ale za to wytrzymałe i odporne na chwilowe braki. Natura, niczym świetny gospodarz, dopasowuje więc "rodzaj przyjęcia" do istniejących warunków: czasem lepiej się jej sprawdza duża i tłoczna impreza, a czasem kameralna domówka. Dzięki temu, każdy mikroskopijny uczestnik takiego "przyjęcia" ma swoje tempo i swoje miejsce, a cały organizm funkcjonuje harmonijnie, niezależnie od tego, czy jest wypełnioną po brzegi salą, czy posiadówką w domowym zaciszu.

To właśnie dlatego w wymagających warunkach energetycznych komórki pozostają małe – wówczas szybciej pobierają tlen i składniki odżywcze, utrzymując cały system w ruchu. Kiedy zaś warunki stają się spokojniejsze i stabilniejsze, albo kiedy trzeba przetrwać długie okresy bez dostępu do jakichkolwiek zasobów, komórki pozostają większe. Patrząc na historię życia na Ziemi widać również, że komórki mogą "zebrać się w grupki" i poprzez stałą współpracę radzić sobie z wyzwaniami środowiska. U takich wielokomórkowców, jakimi zresztą jesteśmy my czy koty, możliwa jest specjalizacja komórek w pełnienie różnych funkcji na rzecz wspólnego dobra, jakim jest organizm. I tu przyda się Teoria Optymalnej Wielkości Komórki - pomaga zrozumieć, dlaczego jedne komórki kota są małe a inne większe. Udział jednych i drugich komórek determinuje funkcjonowanie tkanek i organów, a w skali ewolucyjnej, wpływa na historię i przetrwanie gatunków.

Przykłady? Komórki mikroskopijnych wielokomórkowych wrotków w ciepłych i źle natlenionych jeziorach są niewielkie i dzięki temu szybciej i skuteczniej uzyskują energię. Podobnie mają ptaki i zwierzęta o wysokim metabolizmie, które potrzebują małych komórek nadążających za szybkim tempem życia swoich właścicieli. "Leniwe" olbrzymy jak wieloryby czy rośliny żyjące w chłodnych miejscach mają z kolei większe komórki – działają one wolniej, ale za to oszczędzają wydatki energetyczne, a ich właściciele moją pozwolić sobie na spokój i monotonię, a nawet wydłużone życie.

Życie na Ziemi trwa nieprzerwanie od około 4 miliardów lat, a każda jego zmiana ewolucyjna, czy pojawienie się zwierząt ciepłokrwistych, czy rozwój roślin naczyniowych, była powiązana z przemianą rozmiarów komórek, pozwalając organizmom lepiej wykorzystać dostępne zasoby. Zrozumienie tej ewolucji oraz tego, dlaczego komórki mają takie, a nie inne wielkości, pozwala wyjaśnić wiele zjawisk biologicznych, którymi interesujemy się na co dzień - od reakcji życia na globalne zmiany klimatu, po tempo starzenia się organizmów czy rozwój nowotworów.

Poprzez tysiące i miliony lat ewolucji, natura ukształtowała organizmy, które radzą sobie z najbardziej wymagającymi warunkami panującymi na Ziemi. Być może gdzieś na innych planetach też jest życie, ale tam również dzieje się to samo – zachodzi ewolucja. W czasie takiej ewolucji dochodzi do nabywania zdolności do radzenia sobie z przeróżnymi wyzwaniami, co w ogromnej mierze wynika z działania komórek, które budują życie. Dobrze działające komórki mają rozmiary „wychodzące naprzeciw” zapotrzebowaniu na energię oraz dostępowi do jej źródeł w środowisku. I właśnie dlatego komórki nie są ani za duże, ani za małe - tylko w sam raz. Niby nic takiego, a jednak tak wiele!