Katera je najbolj stabilna in najmočnejša oblika življenja v našem svetu? Ščurki slovijo po svoji vitalnosti - marsikdo je prepričan, da bi lahko celo preživel jedrsko apokalipso. Tardigrade ali vodni medvedi so še bolj odporne. V vesolju lahko celo preživijo. V vrelih kislih izvirih nacionalnega parka Yellowstone živi ena alga. Okoli je kavstična voda, aromatizirana z arzenom in težkimi kovinami. Da bi ostala živa na tem smrtonosnem kraju, je uporabila nepričakovan trik.
V čem je njena skrivnost? Kraja. Iz drugih življenjskih oblik krade gene za preživetje. In ta taktika je veliko bolj pogosta, kot bi si kdo mislil.
Večina živih bitij, ki živijo v skrajnih krajih, so enocelični organizmi - bakterije ali arheje. Te preproste in starodavne oblike življenja nimajo zapletene biologije živali, vendar je njihova preprostost prednost: veliko bolje obvladujejo ekstremne pogoje.
Milijarde let so se skrivali v najbolj negostoljubnih krajih - globoko pod zemljo, na dnu oceana, v permafrostu ali v vrelih vrelcih. Dolgo so napredovali, svoje gene so razvili v milijonih ali milijardah let, zdaj pa jim pomagajo obvladati skoraj vse.
Kaj pa, če bi lahko druga, bolj zapletena bitja kar prišla in ukradla te gene? Dosegli bi evolucijski podvig. Z enim zamahom bi pridobili genetiko, ki jim je omogočila preživetje v skrajnih krajih. Tja bi prišli, ne da bi šli skozi milijone let dolgočasnega in mučnega razvoja, ki je običajno potreben za razvoj teh sposobnosti.
In tudi rdeče alge Galdieria sulphuraria. Najdemo ga v vročih žveplovih izvirih v Italiji, Rusiji, Yellowstone parku v ZDA in na Islandiji.
Promocijski video:
Temperature v teh vročih izvirih se dvignejo na 56 stopinj Celzija. Medtem ko nekatere bakterije lahko živijo v bazenih pri temperaturah okoli 100 stopinj, nekatere pa se spopadajo s temperaturami okoli 110 stopinj, blizu globokomorskih izvirov, je izjemno, da so evkarionti skupina kompleksnejših oblik življenja, vključno z živalmi in rastlinami (rdeče alge - ta rastlina) - lahko živi pri temperaturi 56 stopinj.
Večina rastlin in živali z dobrim razlogom ni zmogla teh temperatur. Toplota vodi do uničenja kemičnih vezi znotraj beljakovin, kar vodi do njihovega propada. To katastrofalno vpliva na encime, ki katalizirajo kemične reakcije telesa. Membrane, ki obdajajo celico, začnejo puščati. Ko dosežemo določeno temperaturo, se membrana poruši in celica razpade.
Še bolj impresivna pa je sposobnost alg, da prenašajo kislo okolje. Nekateri vroči izviri imajo vrednosti pH med 0 in 1. Pozitivno nabiti vodikovi ioni, znani tudi kot protoni, tvorijo snov kislo. Ti nabiti protoni posegajo v beljakovine in encime v celicah, kar moti kemijske reakcije, ki so življenjsko pomembne.
Temperature v teh vročih izvirih se dvignejo na 56 stopinj Celzija. Medtem ko nekatere bakterije lahko živijo v bazenih pri temperaturah okoli 100 stopinj, nekatere pa se spopadajo s temperaturami okoli 110 stopinj, blizu globokomorskih izvirov, je izjemno, da so evkarionti skupina kompleksnejših oblik življenja, vključno z živalmi in rastlinami (rdeče alge - ta rastlina) - lahko živi pri temperaturi 56 stopinj.
Večina rastlin in živali z dobrim razlogom ni zmogla teh temperatur. Toplota vodi do uničenja kemičnih vezi znotraj beljakovin, kar vodi do njihovega propada. To katastrofalno vpliva na encime, ki katalizirajo kemične reakcije telesa. Membrane, ki obdajajo celico, začnejo puščati. Ko dosežemo določeno temperaturo, se membrana poruši in celica razpade.
Še bolj impresivna pa je sposobnost alg, da prenašajo kislo okolje. Nekateri vroči izviri imajo vrednosti pH med 0 in 1. Pozitivno nabiti vodikovi ioni, znani tudi kot protoni, tvorijo snov kislo. Ti nabiti protoni posegajo v beljakovine in encime v celicah, kar moti kemijske reakcije, ki so življenjsko pomembne.
Ta pojav genskega prenosa je znan kot "horizontalni genski prenos". Geni življenjske oblike so običajno podedovani od staršev. Pri ljudeh je točno tako: svoje značilnosti lahko po vejah družinskega drevesa izsledite do prvih ljudi.
Kljub temu se izkaže, da je mogoče v DNK vključiti tudi tujerodne gene popolnoma različnih vrst. Ta postopek je pogost pri bakterijah. Nekateri trdijo, da se to dogaja celo pri ljudeh, čeprav je sporno.
Ko DNK nekoga drugega pridobi novega lastnika, mu ni treba sedeti križem rok. Namesto tega lahko začne delati na biologiji gostitelja in jo spodbuja k ustvarjanju novih beljakovin. To lahko lastniku da nove veščine in mu omogoči preživetje v novih situacijah. Gostiteljski organizem se lahko poda na povsem novo evolucijsko pot.
Skupno je Schoinknecht identificiral 75 ukradenih genov iz morskih alg, ki si jih je sposodil od bakterij ali arhej. Vsi geni ne dajejo jasnih evolucijskih prednosti algam in natančna funkcija mnogih genov ni znana. Toda mnogi izmed njih pomagajo Galdierii preživeti v ekstremnih okoljih.
Njegova sposobnost obvladovanja strupenih kemikalij, kot sta živo srebro in arzen, prihaja iz genov, sposojenih od bakterij.
Eden od teh genov je odgovoren za "arzensko črpalko", ki omogoča algam, da učinkovito odstranjujejo arzen iz celic. Drugi ukradeni geni med drugim omogočajo, da alge sproščajo strupene kovine, hkrati pa iz okolja pridobivajo pomembne kovine. Drugi ukradeni geni nadzorujejo encime, ki algam omogočajo razstrupljanje kovin, kot je živo srebro.
Alge so ukradle tudi gene, ki jim omogočajo, da prenesejo visoke koncentracije soli. V normalnih okoliščinah bo slano okolje sesalo vodo iz celice in jo ubijalo. Toda s sintezo spojin v celici, da izenači "osmotski tlak", se Galdieria izogne tej usodi.
Domneva se, da je Galdierijina sposobnost prenašanja izredno kislih vročih vrelcev posledica njegove neprepustnosti za protone. Z drugimi besedami, lahko preprosto prepreči vstop kisline v njene celice. V ta namen preprosto vključuje manj genov, ki kodirajo kanale v celični membrani, skozi katere običajno prehajajo protoni. Ti kanali običajno omogočajo prehod pozitivno nabitih delcev, kot je kalij, kar celice potrebujejo, omogočajo pa tudi prehod protonov.
"Zdi se, da je bila prilagoditev nizkemu pH dosežena z odstranitvijo vseh membranskih transportnih beljakovin iz plazemske membrane, ki bi protonom omogočile vstop v celico," pravi Scheunknecht. »Večina evkariontov ima v plazemskih membranah več kalijevih kanalov, vendar ima Galdieria samo en gen, ki kodira kalijev kanal. Ožji kanal vam omogoča, da se spopadete z visoko kislostjo."
Vendar ti kalijevi kanali opravljajo pomembno delo, absorbirajo kalij ali ohranjajo potencialno razliko med celico in njenim okoljem. Kako alge ostajajo zdrave brez kalijevih kanalov, še ni jasno.
Prav tako nihče ne ve, kako se alge spopadajo z visoko vročino. Znanstveniki niso mogli identificirati genov, ki bi pojasnili to posebno značilnost njene biologije.
Bakterije in arheje, ki lahko živijo pri zelo visokih temperaturah, imajo popolnoma drugačne beljakovine in membrane, a alge so doživele bolj subtilne spremembe, pravi Scheunknecht. Sumi, da spreminja metabolizem membranskih lipidov pri različnih povišanjih temperature, vendar še ne ve natančno, kako se to zgodi in kako mu omogoča prilagajanje na toploto.
Jasno je, da kopiranje genov daje Galdierii izjemno evolucijsko prednost. Medtem ko večina enoceličnih rdečih alg, povezanih z G. sulphuraria, živi na vulkanskih območjih in se spopada z zmerno toploto in kislinami, malo njenih sorodnikov prenese toliko toplote, kisline in toksičnosti kot G. sulphuraria. Dejansko ta vrsta ponekod predstavlja do 80-90% življenja - to kaže, kako težko je, da bi kdo drug hišo G. sulphuraria imenoval svojo.
Ostaja še eno očitno in zanimivo vprašanje: kako so alge ukradle toliko genov?
Ta alga živi v okolju, ki vsebuje veliko bakterij in arhej, zato ima v nekem smislu sposobnost kraje genov. Toda znanstveniki ne vedo natančno, kako je DNK iz bakterij skočila v tako drugačen organizem. Da bi lahko uspešno prišla do gostitelja, mora DNA najprej priti v celico, nato pa v jedro - in šele nato vključiti v gostiteljski genom.
»Trenutno je najboljše ugibanje, da bi virusi lahko genski material iz bakterij in arhej prenesli v alge. Toda to so zgolj špekulacije, «pravi Scheunknecht. »Morda je najtežji korak v kletko. Ko pridete v celico, vstop v jedro in vključitev v genom morda ne bo tako težaven.
Horizontalni prenos genov se pogosto zgodi pri bakterijah. Zato imamo težave z odpornostjo na antibiotike. Ko se odporni gen pojavi, se hitro širi med bakterijami. Verjeli pa so, da se pri naprednejših organizmih izmenjava genov pojavlja manj pogosto kot pri evkariontih. Veljalo je, da imajo bakterije posebne sisteme, ki jim omogočajo sprejemanje nukleinskih kislin, kakršni evkarionti ne.
Vendar pa so že našli druge primere naprednih bitij, ki ukradejo gene za preživetje v ekstremnih razmerah. Vrsta snežnih alg Chloromonas brevispina, ki živi v snegu in ledu Antarktike, nosi gene, ki so jih verjetno odvzeli bakterijam, arhejam ali celo glivam.
Ostri ledeni kristali lahko prebodejo in perforirajo celične membrane, zato morajo bitja, ki živijo v hladnem podnebju, najti način za boj proti temu. Eden od načinov je izdelava beljakovin, ki vežejo led (IBP), ki se izločajo v celici, ki se drži ledu in ustavi rast ledenih kristalov.
James Raymond z Univerze v Nevadi v Las Vegasu je preslikal genom snežne alge in ugotovil, da so si geni za ledvezujoče beljakovine izredno podobni pri bakterijah, arhejah in glivah, kar kaže na to, da so si vsi izmenjali sposobnost preživetja v hladnih razmerah v vodoravnem položaju. prenos genov.
"Ti geni so bistvenega pomena za preživetje, ker so jih našli v vseh hladno odpornih algah in nobenih v toplih pogojih," pravi Raymond.
Obstaja še več primerov horizontalnega prenosa genov pri evkariontih. Zdi se, da so to raven pridobili tudi drobni raki, ki živijo v antarktičnem morskem ledu. Te stephos longipes lahko živijo v tekočih solnih kanalih v ledu.
"Terenske meritve so pokazale, da C. longipes živi v prehlajenih slanicah na površinskem sloju ledu," pravi Rainer Kiko, znanstvenik z Inštituta za polarno ekologijo na univerzi v Kielu v Nemčiji. "Podhlajeno pomeni, da je temperatura te tekočine pod lediščem in je odvisna od slanosti."
Da bi preživeli in se preprečili, da bi se zamrznili, so v krvi S. longipes in drugih telesnih tekočin prisotne molekule, ki znižajo ledišče, da se ujemajo z okoliško vodo. Hkrati raki proizvajajo beljakovine, ki ne zmrzujejo, ki preprečujejo nastanek ledenih kristalov v krvi.
Predpostavlja se, da je bil tudi ta protein pridobljen s horizontalnim prenosom genov.
Tudi čudoviti metulj monarh je lahko ukradel gene, a tokrat iz parazitske ose.
Svetleča osa iz družine Braconid je znana po vnosu jajčec skupaj z virusom v gostiteljsko žuželko. DNK virusa vdre v možgane gostitelja in ga spremeni v zombija, ki nato deluje kot inkubator za osino jajčece. Znanstveniki so pri metuljih odkrili gene drakonidov, četudi ti metulji niso nikoli srečali os. Menijo, da so metulji bolj odporni na bolezni.
Evkarioti ne kradejo samo posameznih genov. Včasih so tatvine množične.
Verjame se, da je svetlo zeleno morsko življenje Elysia chlorotica pridobilo sposobnost fotosinteze z uživanjem alg. Ta morski polž kloroplaste - organele, ki izvajajo fotosintezo - zaužije cele in jih shrani v prebavne žleze. Ko pritisnemo in ne moremo pojesti alg, lahko morski polž preživi z uporabo energije sončne svetlobe za pretvorbo ogljikovega dioksida in vode v hrano.
Ena študija kaže, da morski polži gene jemljejo tudi iz alg. Znanstveniki v genom alg vstavijo fluorescentne DNA markerje, da natančno vidijo, kje so bili geni. Po hranjenju z algami je morski polž pridobil gen za regeneracijo kloroplasta.
Hkrati celice v našem telesu vsebujejo drobne strukture, ki proizvajajo energijo, mitohondrije, ki se razlikujejo od preostalih naših celičnih struktur. Mitohondrije imajo celo svojo DNK.
Obstaja teorija, da so mitohondrije obstajale kot samostojne oblike življenja pred milijardami let, potem pa so jih nekako začeli vključevati v celice prvih evkariontov - morda so mitohondrije pogoltnili, vendar jih niso prebavili. Domneva se, da se je ta dogodek zgodil pred približno 1,5 milijarde leti in je bil ključni mejnik v razvoju vseh višjih oblik življenja, rastlin in živali.
Genetsko krajo je lahko pogosta evolucijska taktika. Navsezadnje drugim pusti, da za vas storijo vse težko delo, medtem ko vi izkoristite prednosti. Horizontalni prenos genov lahko pospeši evolucijski proces, ki se je že začel.
"Organizem, ki se ni prilagodil toploti ali kislini, verjetno ne bo nenadoma naselil vulkanskih bazenov zgolj zato, ker ima gene, ki jih potrebuje," pravi Scheunknecht. "Toda evolucija je skoraj vedno korak za korakom in horizontalni prenos genov omogoča velike korake naprej."
ILYA KHEL
