Jaka jest najbardziej stabilna i najsilniejsza forma życia w naszym świecie? Karaluchy słyną ze swojej witalności - wiele osób jest przekonanych, że mogą nawet przetrwać nuklearną apokalipsę. Niesporczaki, czyli niedźwiedzie wodne, są jeszcze bardziej odporne. Mogą nawet przetrwać w kosmosie. W wrzących kwaśnych źródłach Parku Narodowego Yellowstone żyje jedna alga. Wokół jest woda żrąca, arszenikiem i metalami ciężkimi. Aby pozostać przy życiu w tym śmiertelnym miejscu, użyła nieoczekiwanej sztuczki.
Jaki jest jej sekret? Kradzież. Kradnie geny dla przetrwania z innych form życia. Ta taktyka jest znacznie bardziej powszechna, niż mogłoby się wydawać.
Większość żywych istot żyjących w ekstremalnych miejscach to organizmy jednokomórkowe - bakterie lub archeony. Te proste i starożytne formy życia nie mają złożonej biologii zwierząt, ale ich prostota jest zaletą: znacznie lepiej radzą sobie w ekstremalnych warunkach.
Przez miliardy lat ukrywali się w najbardziej niegościnnych miejscach - głęboko pod ziemią, na dnie oceanu, w wiecznej zmarzlinie czy w wrzących gorących źródłach. Przeszli długą drogę, ewoluując swoje geny przez miliony lub miliardy lat, a teraz pomagają im radzić sobie z prawie wszystkim.
Ale co by było, gdyby inne, bardziej złożone stworzenia mogły po prostu przyjść i ukraść te geny? Dokonaliby ewolucyjnego wyczynu. Za jednym zamachem nabyliby genetykę, która pozwoliłaby im przetrwać w ekstremalnych miejscach. Dostaliby się tam bez przechodzenia przez miliony lat żmudnej i żmudnej ewolucji, która jest zwykle wymagana do rozwinięcia tych zdolności.
Tak samo zrobiły czerwone algi Galdieria sulphuraria. Występuje w gorących źródłach siarkowych we Włoszech, Rosji, Parku Yellowstone w Stanach Zjednoczonych i na Islandii.
Film promocyjny:
Temperatury w tych gorących źródłach sięgają 56 stopni Celsjusza. Chociaż niektóre bakterie mogą żyć w basenach w temperaturze około 100 stopni, a inne radzą sobie z temperaturami około 110 stopni, w pobliżu źródeł głębinowych, jest dość niezwykłe, że eukarionty to grupa bardziej złożonych form życia, które obejmują zwierzęta i rośliny (krasnorosty - ta roślina) - może żyć w temperaturze 56 stopni.
Większość roślin i zwierząt nie byłaby w stanie wytrzymać tych temperatur i nie bez powodu. Ciepło prowadzi do zniszczenia wiązań chemicznych w białkach, co prowadzi do ich rozpadu. Ma to katastrofalny wpływ na enzymy katalizujące reakcje chemiczne organizmu. Błony otaczające komórkę zaczynają przeciekać. Po osiągnięciu określonej temperatury błona zapada się, a komórka rozpada się.
Jeszcze bardziej imponująca jest jednak zdolność alg do tolerowania kwaśnego środowiska. Niektóre gorące źródła mają wartości pH od 0 do 1. Dodatnio naładowane jony wodoru, znane również jako protony, powodują zakwaszenie substancji. Te naładowane protony zakłócają białka i enzymy wewnątrz komórek, zakłócając niezbędne do życia reakcje chemiczne.
Temperatury w tych gorących źródłach sięgają 56 stopni Celsjusza. Chociaż niektóre bakterie mogą żyć w basenach w temperaturze około 100 stopni, a inne radzą sobie z temperaturami około 110 stopni, w pobliżu źródeł głębinowych, jest dość niezwykłe, że eukarionty to grupa bardziej złożonych form życia, które obejmują zwierzęta i rośliny (krasnorosty - ta roślina) - może żyć w temperaturze 56 stopni.
Większość roślin i zwierząt nie byłaby w stanie wytrzymać tych temperatur i nie bez powodu. Ciepło prowadzi do zniszczenia wiązań chemicznych w białkach, co prowadzi do ich rozpadu. Ma to katastrofalny wpływ na enzymy katalizujące reakcje chemiczne organizmu. Błony otaczające komórkę zaczynają przeciekać. Po osiągnięciu określonej temperatury błona zapada się, a komórka rozpada się.
Jeszcze bardziej imponująca jest jednak zdolność alg do tolerowania kwaśnego środowiska. Niektóre gorące źródła mają wartości pH od 0 do 1. Dodatnio naładowane jony wodoru, znane również jako protony, powodują zakwaszenie substancji. Te naładowane protony zakłócają białka i enzymy wewnątrz komórek, zakłócając niezbędne do życia reakcje chemiczne.
To zjawisko transferu genów jest znane jako „poziomy transfer genów”. Zazwyczaj geny form życia są dziedziczone od rodziców. U ludzi tak właśnie jest: możesz prześledzić swoje cechy wzdłuż gałęzi swojego drzewa genealogicznego do pierwszych osób.
Niemniej jednak okazuje się, że zarówno teraz, jak i wtedy, do DNA można włączyć „obce” geny zupełnie innych gatunków. Ten proces jest powszechny u bakterii. Niektórzy twierdzą, że występuje to nawet u ludzi, chociaż jest to kwestionowane.
Kiedy czyjeś DNA pozyskuje nowego właściciela, nie musi siedzieć bezczynnie. Zamiast tego może rozpocząć pracę nad biologią żywiciela, zachęcając ją do tworzenia nowych białek. Może to dać właścicielowi nowe umiejętności i pozwolić mu przetrwać w nowych sytuacjach. Organizm żywiciela może wyruszyć na zupełnie nową ścieżkę ewolucyjną.
W sumie Schoinknecht zidentyfikował 75 skradzionych genów z wodorostów, które pożyczył od bakterii lub archeonów. Nie wszystkie geny dają algom wyraźną przewagę ewolucyjną, a dokładna funkcja wielu genów jest nieznana. Ale wielu z nich pomaga Galdierii przetrwać w ekstremalnych warunkach.
Jego zdolność do radzenia sobie z toksycznymi chemikaliami, takimi jak rtęć i arsen, pochodzi z genów zapożyczonych z bakterii.
Jeden z tych genów odpowiada za „pompę arsenu”, która umożliwia algom skuteczne usuwanie arsenu z komórek. Inne skradzione geny, między innymi, pozwalają glonom uwalniać toksyczne metale, jednocześnie wydobywając ważne metale ze środowiska. Inne skradzione geny kontrolują enzymy, które pozwalają algom na detoksykację metali, takich jak rtęć.
Glony ukradły również geny, które pozwalają im wytrzymać wysokie stężenia soli. W normalnych warunkach środowisko zasolone wysysa wodę z celi i ją zabija. Ale dzięki syntezowaniu związków wewnątrz komórki w celu wyrównania „ciśnienia osmotycznego” Galdieria unika tego losu.
Uważa się, że zdolność Galdierii do tolerowania niezwykle kwaśnych gorących źródeł wynika z jej nieprzepuszczalności dla protonów. Innymi słowy, może po prostu zapobiegać przedostawaniu się kwasu do jej komórek. Aby to zrobić, po prostu zawiera mniej genów kodujących kanały w błonie komórkowej, przez które normalnie przechodzą protony. Kanały te zwykle pozwalają na przechodzenie dodatnio naładowanych cząstek, takich jak potas, których potrzebują komórki, ale umożliwiają także przejście protonów.
„Wydaje się, że adaptacja do niskiego pH została dokonana poprzez usunięcie z błony komórkowej białka transportującego błonę, które pozwoliłoby protonom dostać się do komórki” - mówi Scheunknecht. „Większość eukariontów ma wiele kanałów potasowych w błonach plazmatycznych, ale Galdieria ma tylko jeden gen, który koduje kanał potasowy. Węższy kanał pozwala poradzić sobie z wysoką kwasowością”.
Niemniej jednak te kanały potasowe wykonują ważną pracę, pobierają potas lub utrzymują potencjalną różnicę między komórką a jej środowiskiem. Wciąż niejasne jest, w jaki sposób glony pozostają zdrowe bez kanałów potasowych.
Nikt też nie wie, jak glony radzą sobie z wysoką temperaturą. Naukowcom nie udało się zidentyfikować genów, które wyjaśniałyby tę szczególną cechę jej biologii.
Bakterie i archeony, które mogą żyć w bardzo wysokich temperaturach, mają zupełnie inny rodzaj białka i błony, ale glony przeszły bardziej subtelne zmiany, mówi Scheunknecht. Podejrzewa, że zmienia metabolizm lipidów błonowych przy różnym wzroście temperatury, ale nie wie jeszcze dokładnie, jak to się dzieje i jak pozwala mu przystosować się do ciepła.
Jest jasne, że kopiowanie genów daje Galdierii ogromną przewagę ewolucyjną. Podczas gdy większość jednokomórkowych krasnorostów pokrewnych G. sulphuraria żyje na obszarach wulkanicznych i radzi sobie z umiarkowanymi temperaturami i kwasami, niewielu ich krewnych jest w stanie wytrzymać tak samo ciepło, kwas i toksyczność jak G. sulphuraria. W rzeczywistości w niektórych miejscach gatunek ten odpowiada za 80-90% życia - wskazuje to, jak trudno komuś innemu nazwać dom G. sulphuraria swoim.
Pozostaje jeszcze jedno oczywiste i interesujące pytanie: w jaki sposób glony ukradły tak wiele genów?
Ta alga żyje w środowisku, które zawiera wiele bakterii i archeonów, więc w pewnym sensie ma zdolność kradzieży genów. Ale naukowcy nie wiedzą dokładnie, w jaki sposób DNA przeskoczyło z bakterii do tak różnych organizmów. Aby pomyślnie dotrzeć do gospodarza, DNA musi najpierw dostać się do komórki, a następnie do jądra - i dopiero wtedy włączyć się do genomu gospodarza.
„Obecnie można przypuszczać, że wirusy mogą przenosić materiał genetyczny z bakterii i archeonów do alg. Ale to czysta spekulacja”- mówi Scheunknecht. „Może najtrudniejszym krokiem jest wejście do klatki. Wewnątrz komórki dostanie się do jądra i integracja z genomem może nie być takie trudne.
Poziomy transfer genów często występuje u bakterii. Dlatego mamy problem z opornością na antybiotyki. Gdy pojawi się oporny gen, szybko rozprzestrzenia się wśród bakterii. Uważano jednak, że wymiana genów występuje rzadziej w organizmach bardziej zaawansowanych niż u eukariotów. Uważano, że bakterie mają specjalne systemy, które pozwalają im przyjmować kwasy nukleinowe, na przykład eukarionty nie.
Jednak znaleziono już inne przykłady zaawansowanych stworzeń, które kradną geny, aby przetrwać w ekstremalnych warunkach. Algi śnieżne Chloromonas brevispina, które żyją w śniegu i lodzie Antarktydy, są nosicielami genów, które prawdopodobnie pochodzą z bakterii, archeonów, a nawet grzybów.
Ostre kryształki lodu mogą przebić i przebić błony komórkowe, więc stworzenia żyjące w zimnym klimacie muszą znaleźć sposób, aby temu zaradzić. Jednym ze sposobów jest wytworzenie białek wiążących lód (IBP), które są wydzielane w komórce, która przylega do lodu, zatrzymując wzrost kryształków lodu.
James Raymond z University of Nevada w Las Vegas zmapował genom śnieżnej algi i odkrył, że geny białek wiążących lód były niezwykle podobne u bakterii, archeonów i grzybów, co sugeruje, że wszystkie one wymieniły zdolność przetrwania w zimnych warunkach podczas poziomego transfer genów.
„Te geny są niezbędne do przetrwania, ponieważ znaleziono je u wszystkich przystosowanych do zimna glonów, a żadnego w ciepłych warunkach” - mówi Raymond.
Istnieje kilka innych przykładów poziomego transferu genów u eukariontów. Wydaje się, że małe skorupiaki żyjące w lodzie morskim Antarktyki również nabyły tę umiejętność. Te longipes Stephos mogą żyć w płynnych kanałach solnych w lodzie.
„Pomiary terenowe wykazały, że C. longipes żyje w przechłodzonych solankach na powierzchniowej warstwie lodu” - mówi Rainer Kiko, naukowiec z Instytutu Ekologii Polarnej Uniwersytetu w Kilonii w Niemczech. „Przechłodzenie” oznacza, że temperatura tej cieczy jest poniżej zera i zależy od zasolenia.
Aby przetrwać i zapobiec zamarzaniu, we krwi S. longipes i innych płynach ustrojowych obecne są cząsteczki, które obniżają temperaturę zamarzania, aby dopasować się do wody wokół. W tym samym czasie skorupiaki wytwarzają niezamarzające białka, które zapobiegają tworzeniu się kryształków lodu we krwi.
Zakłada się, że białko to zostało również uzyskane poprzez poziomy transfer genów.
Piękny motyl monarcha również mógł ukraść geny, ale tym razem od pasożytniczej osy.
Lśniąca osa z rodziny Braconidów jest znana z wprowadzania jaja wraz z wirusem do owada żywiciela. DNA wirusa włamuje się do mózgu żywiciela, zamieniając go w zombie, który następnie działa jako inkubator dla jaja osy. Naukowcy odkryli geny drakonidów u motyli, nawet jeśli motyle te nigdy nie spotkały os. Uważa się, że sprawiają, że motyle są bardziej odporne na choroby.
Eukarionty nie kradną tylko pojedynczych genów. Czasami kradzieże są masowe.
Uważa się, że jasnozielony mieszkaniec morza Elysia chlorotica nabył zdolność fotosyntezy poprzez zjadanie alg. Ten ślimak morski zjada chloroplasty - organelle, które przeprowadzają fotosyntezę - w całości i gromadzi je w gruczołach trawiennych. Po naciśnięciu i braku glonów do zjedzenia ślimak morski może przetrwać, wykorzystując energię słoneczną do przekształcania dwutlenku węgla i wody w pożywienie.
Jedno z badań pokazuje, że ślimaki morskie również pobierają geny z alg. Naukowcy wstawiają fluorescencyjne markery DNA do genomu glonów, aby zobaczyć dokładnie, gdzie znajdują się geny. Po żerowaniu na algach ślimak morski uzyskał gen regeneracji chloroplastów.
Jednocześnie komórki naszego ciała zawierają maleńkie struktury wytwarzające energię, mitochondria, które różnią się od reszty naszych struktur komórkowych. Mitochondria mają nawet własne DNA.
Istnieje teoria, że mitochondria istniały miliardy lat temu jako niezależne formy życia, ale potem w jakiś sposób zaczęły być włączane do komórek pierwszych eukariontów - być może mitochondria zostały połknięte, ale nie zostały strawione. Uważa się, że wydarzenie to miało miejsce około 1,5 miliarda lat temu i było kluczowym kamieniem milowym w ewolucji wszystkich wyższych form życia, roślin i zwierząt.
Kradzież genów może być dość powszechną taktyką ewolucyjną. W końcu pozwala innym wykonywać całą ciężką pracę za Ciebie, a Ty czerpiesz z tego korzyści. Alternatywnie, poziomy transfer genów może przyspieszyć proces ewolucyjny, który już się rozpoczął.
„Jest mało prawdopodobne, aby organizm, który nie przystosował się do ciepła lub kwasu, nagle zaludnił baseny wulkaniczne tylko dlatego, że ma potrzebne mu geny” - mówi Scheunknecht. „Ale ewolucja jest prawie zawsze procesem krok po kroku, a poziomy transfer genów pozwala na duży krok naprzód”.
ILYA KHEL