Mi a legstabilabb és legerősebb életforma világunkban? A csótányok híresek vitalitásukról - sokan meg vannak győződve arról, hogy akár egy nukleáris apokalipszist is túlélhetnek. A tardigrádok vagy a vízmedvék még ellenállóbbak. Akár az űrben is életben maradhatnak. Egy algák élnek a Yellowstone Nemzeti Park forrásban lévő savanyú forrásaiban. Körülötte maró víz, amelyet arzénnal és nehézfémekkel ízesítenek. Hogy életben maradjon ezen a halálos helyen, váratlan trükköt alkalmazott.
Mi a titka? Lopás. A túléléshez szükséges géneket ellopja más életformáktól. És ez a taktika sokkal gyakoribb, mint gondolnánk.
A legtöbb élőlény, amely extrém helyeken él, egysejtű organizmus - baktérium vagy archaea. Ezeknek az egyszerű és ősi életformáknak nincs összetett állatbiológiája, egyszerűségük azonban előnyt jelent: sokkal jobban megbirkóznak az extrém körülmények között.
Évmilliárdokig rejtőzködtek a legvendégtelenebb helyeken - mélyen a föld alatt, az óceán fenekén, örökfagyban vagy forrásban lévő forró forrásokban. Hosszú utat tettek meg, több millió vagy milliárd év alatt fejlődtek a génjeik, és most már szinte bármivel segítenek megbirkózni.
De mi lenne, ha más, bonyolultabb lények csak eljönnének és ellopnák ezeket a géneket? Evolúciós bravúrot értek volna el. Egy csapásra megszerezték volna azt a genetikát, amely lehetővé tette számukra a túlélést a szélsőséges helyeken. Úgy jutnának el oda, hogy nem mennek keresztül a több millió éves fárasztó és fáradságos fejlődésen, amely általában szükséges e képességek fejlesztéséhez.
Pontosan ezt tette a vörös alga, a Galdieria sulphuraria. Forró kénforrásokban található Olaszországban, Oroszországban, az Egyesült Államok Yellowstone Parkban és Izlandon.
Promóciós videó:
Ezekben a forró forrásokban a hőmérséklet 56 Celsius fokig emelkedik. Míg egyes baktériumok 100 fok körüli medencékben élhetnek, mások pedig 110 fok körüli hőmérsékleten tudnak megbirkózni, közel a mélytengeri forrásokhoz, egészen figyelemre méltó, hogy az eukarióták az összetettebb életformák csoportja, amelyek magukba foglalják az állatokat és a növényeket (vörös algák - ez a növény) - 56 fokos hőmérsékleten élhet.
A legtöbb növény és állat nem tudta kezelni ezeket a hőmérsékleteket, és jó okkal. A hő a fehérjékben lévő kémiai kötések elpusztításához vezet, ami összeomlásukhoz vezet. Ennek katasztrofális hatása van a szervezet kémiai reakcióit katalizáló enzimekre. A sejtet körülvevő membránok szivárogni kezdenek. Egy bizonyos hőmérséklet elérésekor a membrán összeomlik és a sejt szétesik.
Ennél is lenyűgözőbb azonban az algák képessége a savas környezet elviselésére. Egyes forró források pH-értéke 0 és 1 között van. A pozitív töltésű hidrogénionok, más néven protonok savanyúvá teszik az anyagot. Ezek a töltött protonok megzavarják a sejtekben lévő fehérjéket és enzimeket, megzavarva az élet szempontjából létfontosságú kémiai reakciókat.
Ezekben a forró forrásokban a hőmérséklet 56 Celsius fokig emelkedik. Míg egyes baktériumok 100 fok körüli medencékben élhetnek, mások pedig 110 fok körüli hőmérsékleten tudnak megbirkózni, közel a mélytengeri forrásokhoz, egészen figyelemre méltó, hogy az eukarióták az összetettebb életformák csoportja, amelyek magukba foglalják az állatokat és a növényeket (vörös algák - ez a növény) - 56 fokos hőmérsékleten élhet.
A legtöbb növény és állat nem tudta kezelni ezeket a hőmérsékleteket, és jó okkal. A hő a fehérjékben lévő kémiai kötések elpusztításához vezet, ami összeomlásukhoz vezet. Ennek katasztrofális hatása van a szervezet kémiai reakcióit katalizáló enzimekre. A sejtet körülvevő membránok szivárogni kezdenek. Egy bizonyos hőmérséklet elérésekor a membrán összeomlik és a sejt szétesik.
Ennél is lenyűgözőbb azonban az algák képessége a savas környezet elviselésére. Egyes forró források pH-értéke 0 és 1 között van. A pozitív töltésű hidrogénionok, más néven protonok savanyúvá teszik az anyagot. Ezek a töltött protonok megzavarják a sejtekben lévő fehérjéket és enzimeket, megzavarva az élet szempontjából létfontosságú kémiai reakciókat.
Ezt a géntranszfer jelenséget "horizontális géntranszfernek" nevezik. Általában az életforma génjeit a szülők örökölik. Az embereknél ez pontosan így van: családfája ágai mentén nyomon követheti jellemzőit a legelső emberekig.
Mindazonáltal kiderült, hogy a DNS-ben most és akkor teljesen különböző fajok "idegen" génjei is szerepelhetnek. Ez a folyamat gyakori a baktériumokban. Egyesek szerint ez még az embereknél is előfordul, bár vitatott.
Amikor valaki más DNS-e új tulajdonosra tesz szert, annak nem kell tétlenül ülnie. Ehelyett elkezdhet dolgozni a gazdaszervezet biológiáján, ösztönözve új fehérjék létrehozására. Ez új képességeket adhat a tulajdonosnak, és lehetővé teheti a túlélést új helyzetekben. A gazdaszervezet elindulhat egy teljesen új evolúciós úton.
Összességében Schoinknecht 75 ellopott gént azonosított a hínárból, amelyeket baktériumoktól vagy archeáktól kölcsönzött. Nem minden gén ad egyértelmű evolúciós előnyöket az algák számára, és sok gén pontos funkciója nem ismert. De sokan közülük segít Galdieriának a túlélésben extrém körülmények között.
A mérgező vegyi anyagokkal, például a higanygal és az arzénnel való képessége a baktériumoktól kölcsönzött génekből származik.
Ezen gének egyike felelős az "arzénszivattyúért", amely lehetővé teszi az algák számára az arzén hatékony eltávolítását a sejtekből. Más ellopott gének többek között lehetővé teszik az algák számára, hogy mérgező fémeket válasszanak ki, miközben fontos fémeket vonnak ki a környezetből. Más ellopott gének szabályozzák az enzimeket, amelyek lehetővé teszik az algák számára a fémek, például a higany méregtelenítését.
Az algák ellopták azokat a géneket is, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy ellenálljanak a magas sótartalomnak. Normál körülmények között a sós környezet kiszívja a vizet a sejtből és megöli. De a sejt belsejében lévő vegyületek szintetizálásával az "ozmotikus nyomás" kiegyenlítése érdekében Galdieria elkerüli ezt a sorsot.
Úgy gondolják, hogy Galdieria rendkívül savanykás forró források elviselésének oka a protonok számára való áthatolhatatlansága. Más szavakkal, egyszerűen megakadályozhatja a sav bejutását a sejtjeibe. Ehhez egyszerűen kevesebb gént tartalmaz, amelyek kódolják a sejtmembrán azon csatornáit, amelyeken keresztül a protonok normálisan átjutnak. Ezek a csatornák általában lehetővé teszik a pozitív töltésű részecskék - például a kálium - áthaladását, amelyekre a sejteknek szüksége van, de lehetővé teszik a protonok átjutását is.
"Úgy tűnik, hogy az alacsony pH-hoz való alkalmazkodást úgy sikerült elérni, hogy eltávolítottunk minden olyan membrántranszportfehérjét a plazmamembránból, amely lehetővé tenné a protonok bejutását a sejtbe" - mondja Scheunknecht. „A legtöbb eukarióta plazmamembránjában több káliumcsatorna található, de a Galdieria csak egy gént tartalmaz, amely káliumcsatornát kódol. A keskenyebb csatorna lehetővé teszi, hogy megbirkózzon a magas savtartalommal."
Mindazonáltal ezek a káliumcsatornák fontos munkát végeznek, felveszik a káliumot, vagy fenntartják a sejt és környezete közötti potenciális különbséget. Még mindig nem világos, hogy az algák hogyan maradnak egészséges káliumcsatornák nélkül.
Senki sem tudja, hogyan birkózik meg az algák a nagy hővel. A tudósok nem tudták azonosítani azokat a géneket, amelyek megmagyaráznák biológiájának ezt a sajátosságát.
A nagyon magas hőmérsékleten élő baktériumok és archeák fehérjéje és membránja teljesen eltér, az algák azonban finomabb változásokon mentek keresztül - mondja Scheunknecht. Gyanítja, hogy ez megváltoztatja a membrán lipidjeinek anyagcseréjét, különböző hőmérsékleti emelkedések esetén, de még nem tudja pontosan, hogyan történik ez, és hogyan teszi lehetővé a hőhöz való alkalmazkodást.
Nyilvánvaló, hogy a génmásolás óriási evolúciós előnyt jelent Galdieriának. Míg a G. sulphuraria-hoz kapcsolódó egysejtű vörös algák nagy része vulkanikus területeken él, és mérsékelt hővel és savakkal birkózik meg, rokonai közül kevesen képesek ellenállni annyi hőnek, savnak és mérgező hatásnak, mint a G. sulphuraria. Valójában egyes helyeken ez a faj az élet 80-90% -át teszi ki - ez azt jelzi, milyen nehéz másnak a G. sulphuraria házát az övének nevezni.
Marad még egy kézenfekvő és érdekes kérdés: hogyan loptak el az algák ennyi gént?
Ez az algák olyan környezetben élnek, amely sok baktériumot és archeát tartalmaz, így bizonyos értelemben képes géneket lopni. De a tudósok nem tudják pontosan, hogy a DNS hogyan ugrott át a baktériumokból egy ilyen más organizmusba. A gazdához való sikeres eljutáshoz a DNS-nek először be kell jutnia a sejtbe, majd a sejtmagba - és csak ezután kell beépülnie a gazda genomjába.
„A legjobb találgatások ekkor az, hogy a vírusok genetikai anyagot képesek átvinni a baktériumokból és az archeákból az algákba. De ez tiszta spekuláció”- mondja Scheunknecht. - Talán egy ketrecbe kerülés a legnehezebb lépés. A sejtbe kerülve a magba való bejutás és a genomba történő beilleszkedés nem lehet olyan nehéz.
A horizontális géntranszfer gyakran bekövetkezik a baktériumokban. Ezért vannak problémáink az antibiotikum-rezisztenciával. Amint megjelenik egy rezisztens gén, gyorsan terjed a baktériumok között. Úgy gondolták azonban, hogy a fejlettebb organizmusokban ritkábban fordul elő géncsere, mint az eukariótákban. Úgy gondolták, hogy a baktériumok speciális rendszerekkel rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a nukleinsavak befogadását, például az eukarióták nem.
Azonban olyan fejlett lényekre más példákat találtak, amelyek géneket lopnak, hogy extrém körülmények között életben maradjanak. Az Antarktisz havában és jégében élő Chloromonas brevispina hóalgák olyan géneket hordoznak, amelyek valószínűleg baktériumokból, archeákból vagy akár gombákból származnak.
Az éles jégkristályok átszúrhatják és átlyukaszthatják a sejtmembránokat, ezért a hideg éghajlaton élő lényeknek meg kell találniuk a módját ennek leküzdésére. Az egyik módszer a jéghez kötődő fehérjék (IBP) előállítása, amelyek a jéghez tapadó sejtben választódnak ki, megállítva a jégkristályok növekedését.
James Raymond, a Las Vegas-i Nevada Egyetemről feltérképezte a hóalgák genomját, és megállapította, hogy a jégmegkötő fehérjék génjei baktériumok, archeák és gombák esetében rendkívül hasonlóak, ami arra utal, hogy mindannyian cserélték a hideg körülmények közötti túlélés képességét a vízszintes alatt géntranszfer.
"Ezek a gének elengedhetetlenek a túléléshez, mivel minden hidegre adaptált algában megtalálhatók, meleg körülmények között pedig egyikben sem" - mondja Raymond.
Az eukariótákban számos más példa van a horizontális géntranszferre. Úgy tűnik, hogy az Antarktisz tengeri jégén élő apró rákfélék is megszerezték ezt a képességet. Ezek a Stephos longipes jég folyékony sócsatornáiban élhetnek.
"A terepi mérések azt mutatták, hogy a C. longipes túlhűtött sóoldatban él a jég felszínén" - mondja Rainer Kiko, a németországi Kieli Egyetem sarkiökológiai intézetének tudósa. "A túlhűtött azt jelenti, hogy ennek a folyadéknak a hőmérséklete fagypont alatt van, és a sótartalomtól függ."
A túlélés és a fagyás megakadályozása érdekében molekulák vannak a S. longipes és más testnedvek vérében, amelyek csökkentik a fagyáspontot, hogy megfeleljenek a körülötte lévő víznek. Ugyanakkor a rákfélék nem fagyasztó fehérjéket termelnek, amelyek megakadályozzák a jégkristályok képződését a vérben.
Feltételezzük, hogy ezt a fehérjét vízszintes géntranszfer révén is nyertük.
A gyönyörű uralkodó pillangónak is lehetnek lopott génjei, de ezúttal egy parazita darázsból.
A Braconid család fényes darazsáról ismert, hogy egy petesejtet vírussal együtt egy gazda rovarba vezet be. A vírus DNS-e a gazda agyába csapódik be, és zombivá változtatja, amely ezután a darázs tojásának inkubátora. A tudósok felfedezték a drakonidák génjeit a pillangókban, még akkor is, ha ezek a pillangók még soha nem találkoztak darazsakkal. Úgy gondolják, hogy a pillangók ellenállóbbak a betegségekkel szemben.
Az eukarióták nemcsak egyedi géneket lopnak. Néha a lopások hatalmasak.
Az élénkzöld tengeri élőlényről az Elysia chlorotica feltehetően algák fogyasztásával nyerte el a fotoszintetizálás képességét. Ez a tengeri csiga kloroplasztokat - a fotoszintézist végző organellákat - egészben nyeli el és tárolja az emésztőrendszerben. Ha megnyomják, és nincs enni való alga, a tengeri csiga túlélheti, ha a napfény energiáját felhasználva a szén-dioxidot és a vizet élelmiszerré alakítja.
Az egyik tanulmány azt mutatja, hogy a tengeri csigák algákból is géneket vesznek fel. A tudósok fluoreszcens DNS-markereket helyeznek az alggenomba, hogy pontosan lássák, hol vannak a gének. Az algákkal való táplálkozás után a tengeri csiga megszerezte a kloroplaszt regeneráció génjét.
Ugyanakkor a testünk sejtjei apró energiát termelő struktúrákat, mitokondriumokat tartalmaznak, amelyek különböznek a többi sejtszerkezetünktől. A mitokondriumok még saját DNS-sel is rendelkeznek.
Van egy elmélet, miszerint a mitokondrium több milliárd évvel ezelőtt létezett önálló életformaként, de aztán valahogy elkezdtek bekerülni az első eukarióták sejtjeibe - talán a mitokondriumokat lenyelték, de nem emésztették meg. Úgy gondolják, hogy ez az esemény körülbelül 1,5 milliárd évvel ezelőtt következett be, és kulcsfontosságú mérföldkő volt minden magasabb életforma, növény és állat evolúciójában.
A génlopás meglehetősen általános evolúciós taktika lehet. Végül is hagyja, hogy mások minden nehéz munkát végezzenek helyetted, miközben te kihasználod az előnyeit. Alternatív megoldásként a horizontális géntranszfer felgyorsíthatja a már megkezdett evolúciós folyamatot.
"Az a szervezet, amely nem alkalmazkodott hőhöz vagy savhoz, valószínűleg nem fogja hirtelen benépesíteni a vulkáni medencéket pusztán azért, mert rendelkezik a szükséges génekkel" - mondja Scheunknecht. "De az evolúció szinte mindig lépésről lépésre zajlik, és a horizontális géntranszfer nagy előrelépéseket tesz lehetővé."
KHEL ILYA