Koji je najstabilniji i najjači oblik života u našem svijetu? Žohari su poznati po svojoj vitalnosti - mnogi su ljudi uvjereni da bi čak mogli preživjeti i nuklearnu apokalipsu. Tardigrade ili vodeni medvjedi su još otpornije. Mogu preživjeti i u svemiru. U kipućim kiselim izvorima nacionalnog parka Yellowstone živi jedna alga. Oko nje je kaustična voda, aromatizirana arsenom i teškim metalima. Da bi ostala živa na ovom smrtonosnom mjestu, poslužila se neočekivanim trikom.
U čemu je njezina tajna? Krađa. Ona krade gene za preživljavanje iz drugih oblika života. A ta je taktika daleko češća nego što bi se moglo pomisliti.
Većina živih bića koja žive na ekstremnim mjestima su jednoćelijski organizmi - bakterije ili arheje. Ovi jednostavni i drevni oblici života nemaju složenu biologiju životinja, ali njihova je jednostavnost prednost: puno se bolje nose s ekstremnim uvjetima.
Milijardama godina skrivali su se na najnegostoljubivijim mjestima - duboko pod zemljom, na dnu oceana, u vječnom mrazu ili u vrelim vrelim izvorima. Prešli su dugačak put, evoluirajući svoje gene tijekom milijuna ili milijardi godina, a sada im pomažu da se nose s gotovo svime.
Ali što ako bi druga, složenija bića mogla jednostavno doći i ukrasti te gene? Postigli bi evolucijski podvig. Jednim bi mahom stekli genetiku koja im je omogućila preživljavanje na ekstremnim mjestima. Došli bi tamo ne prolazeći milijune godina zamorne i mučne evolucije koja je obično potrebna da bi se razvile ove sposobnosti.
I crvene alge Galdieria sulphuraria. Može se naći u vrućim izvorima sumpora u Italiji, Rusiji, Yellowstone parku u Sjedinjenim Državama i na Islandu.
Promotivni video:
Temperature u ovim vrućim izvorima rastu do 56 Celzijevih stupnjeva. Iako neke bakterije mogu živjeti u bazenima na oko 100 stupnjeva, a neke se mogu nositi s temperaturama oko 110 stupnjeva, u blizini izvora dubokog mora, prilično je izvanredno da su eukarioti skupina složenijih oblika života koji uključuju životinje i biljke (crvene alge - ova biljka) - može živjeti na temperaturi od 56 stupnjeva.
Većina biljaka i životinja ne bi mogli podnijeti ove temperature, i to s dobrim razlogom. Toplina dovodi do uništavanja kemijskih veza unutar bjelančevina, što dovodi do njihova kolapsa. To ima katastrofalan učinak na enzime koji kataliziraju kemijske reakcije tijela. Membrane koje okružuju stanicu počinju curiti. Po postizanju određene temperature membrana se ruši i stanica se raspada.
Još je impresivnija sposobnost algi da podnose kiselo okruženje. Neki vrući izvori imaju pH vrijednosti između 0 i 1. Pozitivno nabijeni ioni vodika, poznati i kao protoni, tvar čine kiselinom. Ovi nabijeni protoni ometaju proteine i enzime unutar stanica, remeti kemijske reakcije vitalne za život.
Temperature u ovim vrućim izvorima rastu do 56 Celzijevih stupnjeva. Iako neke bakterije mogu živjeti u bazenima na oko 100 stupnjeva, a neke se mogu nositi s temperaturama oko 110 stupnjeva, u blizini izvora dubokog mora, prilično je izvanredno da su eukarioti skupina složenijih oblika života koji uključuju životinje i biljke (crvene alge - ova biljka) - može živjeti na temperaturi od 56 stupnjeva.
Većina biljaka i životinja ne bi mogli podnijeti ove temperature, i to s dobrim razlogom. Toplina dovodi do uništavanja kemijskih veza unutar bjelančevina, što dovodi do njihova kolapsa. To ima katastrofalan učinak na enzime koji kataliziraju kemijske reakcije tijela. Membrane koje okružuju stanicu počinju curiti. Po postizanju određene temperature membrana se ruši i stanica se raspada.
Još je impresivnija sposobnost algi da podnose kiselo okruženje. Neki vrući izvori imaju pH vrijednosti između 0 i 1. Pozitivno nabijeni ioni vodika, poznati i kao protoni, tvar čine kiselinom. Ovi nabijeni protoni ometaju proteine i enzime unutar stanica, remeti kemijske reakcije vitalne za život.
Ovaj fenomen prijenosa gena poznat je pod nazivom "vodoravni prijenos gena". Geni oblika života obično se nasljeđuju od roditelja. U ljudi je to točno tako: možete pratiti svoje karakteristike duž grana vašeg obiteljskog stabla do prvih ljudi.
Unatoč tome, ispada da se i tada i tada "strani" geni potpuno različitih vrsta mogu uključiti u DNK. Ovaj proces je čest kod bakterija. Neki tvrde da se to događa čak i kod ljudi, iako se osporava.
Kad tuđi DNK stekne novog vlasnika, ne mora sjediti skrštenih ruku. Umjesto toga, ona može početi raditi na biologiji domaćina, potičući je da stvara nove proteine. To vlasniku može dati nove vještine i omogućiti mu preživljavanje u novim situacijama. Organizam domaćin može krenuti na potpuno novi evolucijski put.
Ukupno je Schoinknecht identificirao 75 ukradenih gena iz algi koje je posudio od bakterija ili arheja. Ne daju svi geni algama jasnu evolucijsku prednost, a točna funkcija mnogih gena nije poznata. Ali mnogi od njih pomažu Galdieriji da preživi u ekstremnim okruženjima.
Njegova sposobnost da se nosi s otrovnim kemikalijama poput žive i arsena dolazi od gena posuđenih od bakterija.
Jedan od ovih gena odgovoran je za "pumpu arsena" koja algama omogućuje učinkovito uklanjanje arsena iz stanica. Ostali ukradeni geni, između ostalog, omogućuju algama oslobađanje otrovnih metala, dok vade važne metale iz okoliša. Ostali ukradeni geni kontroliraju enzime koji algama omogućuju detoksikaciju metala poput žive.
Alge su također ukrale gene koji im omogućuju podnošenje visoke koncentracije soli. U normalnim okolnostima, slano okruženje će isisati vodu iz stanice i ubiti je. Ali sintetizirajući spojeve unutar stanice kako bi izjednačio "osmotski tlak", Galdieria izbjegava tu sudbinu.
Vjeruje se da je Galdierijina sposobnost podnošenja izuzetno kiselih vrućih izvora posljedica njegove nepropusnosti za protone. Drugim riječima, ona jednostavno može spriječiti ulazak kiseline u njezine stanice. Da bi to učinio, on jednostavno uključuje manje gena koji kodiraju kanale u staničnoj membrani kroz koje protoni normalno prolaze. Ti kanali obično omogućuju prolazak pozitivno nabijenih čestica, poput kalija, što je stanicama potrebno, ali omogućuju i prolazak protona.
"Čini se da je prilagodba na nizak pH postignuta uklanjanjem bilo kakvog membranskog transportnog proteina iz plazmatske membrane koji bi protonima omogućio ulazak u stanicu", kaže Scheunknecht. “Većina eukariota ima više kalijevih kanala u plazemskim membranama, ali Galdieria ima samo jedan gen koji kodira kalijev kanal. Uži kanal omogućuje vam suočavanje s visokom kiselošću."
Međutim, ti kalijevi kanali obavljaju važan posao, uzimaju kalij ili održavaju potencijalnu razliku između stanice i njezine okoline. Još uvijek nije jasno kako alge ostaju zdrave bez kalijevih kanala.
Također, nitko ne zna kako se alge nose s velikom vrućinom. Znanstvenici nisu uspjeli identificirati gene koji bi objasnili ovu posebnost njene biologije.
Bakterije i arheje, koje mogu živjeti na vrlo visokim temperaturama, imaju potpuno različite proteine i membrane, ali alge su prošle suptilnije promjene, kaže Scheunknecht. Sumnja da mijenja metabolizam membrana lipida pri različitim porastima temperature, ali još ne zna kako se to točno događa i kako mu omogućuje prilagodbu na toplinu.
Jasno je da kopiranje gena daje Galdieriji ogromnu evolucijsku prednost. Dok većina jednoćelijskih crvenih algi povezanih s G. sulphuraria živi u vulkanskim područjima i nosi se s umjerenom toplinom i kiselinama, malo njezinih rođaka može podnijeti toliko topline, kiselina i toksičnosti kao G. sulphuraria. U stvari, na nekim mjestima ova vrsta čini i do 80-90% života - to ukazuje na to koliko je teško nekome drugom kuću G. sulphuraria nazvati svojom.
Ostaje još jedno očito i zanimljivo pitanje: kako su alge ukrale toliko gena?
Ova alga živi u okruženju koje sadrži puno bakterija i arheja, pa u određenom smislu ima sposobnost krađe gena. No, znanstvenici ne znaju točno kako je DNA preskočila iz bakterija u tako drugačiji organizam. Da bi uspješno došla do domaćina, DNK prvo mora ući u stanicu, a zatim u jezgru - a tek onda se uklopiti u genom domaćina.
„Najbolje su pretpostavke u ovom trenutku da bi virusi mogli prenositi genetski materijal iz bakterija i arheja u alge. Ali ovo su čista nagađanja”, kaže Scheunknecht. “Možda je ulazak u kavez najteži korak. Kad uđete u stanicu, ulazak u jezgru i integriranje u genom možda neće biti tako teško.
Horizontalni prijenos gena često se događa kod bakterija. Zbog toga imamo problema s rezistencijom na antibiotike. Jednom kada se pojavi rezistentni gen, brzo se širi među bakterijama. Međutim, vjerovalo se da se izmjena gena rjeđe događa kod naprednijih organizama nego kod eukariota. Vjerovalo se da bakterije imaju posebne sustave koji im omogućuju prihvaćanje nukleinskih kiselina, poput eukariota.
Međutim, drugi primjeri naprednih bića koja kradu gene da bi preživjeli u ekstremnim uvjetima već su pronađeni. Snježna alga Chloromonas brevispina, koja živi u snijegu i ledu Antarktika, nosi gene koji su vjerojatno uzeti iz bakterija, arheja ili čak gljivica.
Oštri kristali leda mogu probiti i perforirati stanične membrane, pa stvorenja koja žive u hladnoj klimi moraju pronaći način da se s tim suzbiju. Jedan od načina je stvaranje proteina koji vežu led (IBP), a koji se izlučuju u stanici koja se lijepi za led, zaustavljajući rast kristala leda.
James Raymond sa Sveučilišta Nevada u Las Vegasu mapirao je genom snježne alge i otkrio da su geni za proteine koji vežu led izuzetno slični bakterijama, arhejama i gljivama, što sugerira da su svi razmijenili sposobnost preživljavanja u hladnim uvjetima tijekom horizontale prijenos gena.
"Ti su geni neophodni za preživljavanje, jer su pronađeni u svim algama otpornim na hladnoću, a niti u toplim uvjetima", kaže Raymond.
Postoji nekoliko drugih primjera vodoravnog prijenosa gena u eukariota. Čini se da su i maleni rakovi koji žive u morskom ledu Antarktika stekli ovu vještinu. Ove stephos longipes mogu živjeti u tekućim solnim kanalima u ledu.
"Terenska mjerenja pokazala su da C. longipes živi u prehlađenim salamurama na površini leda", kaže Rainer Kiko, znanstvenik s Instituta za polarnu ekologiju na Sveučilištu u Kielu u Njemačkoj. "Pothlađeno znači da je temperatura ove tekućine ispod točke smrzavanja i ovisi o slanosti."
Da bi preživjeli i spriječili se od smrzavanja, molekule su prisutne u krvi S. longipes i drugim tjelesnim tekućinama koje snižavaju točku ledišta kako bi se podudarale s vodom okolo. Istodobno, rakovi proizvode proteine koji se ne smrzavaju i koji sprečavaju stvaranje kristala leda u krvi.
Pretpostavlja se da je i ovaj protein dobiven horizontalnim prijenosom gena.
Prekrasni leptir monarh također je možda ukrao gene, ali ovaj put od parazitske ose.
Sjajna osa iz obitelji Braconid poznata je po unošenju jajašca zajedno s virusom u insekta domaćina. DNA virusa upada u mozak domaćina, pretvarajući ga u zombija, koji zatim djeluje kao inkubator za jaje ose. Znanstvenici su otkrili gene drakonida u leptira, čak i ako ti leptiri nikada nisu sreli ose. Vjeruje se da leptire čine otpornijima na bolesti.
Eukarioti ne kradu samo pojedine gene. Ponekad su krađe masovne.
Smatra se da je svijetlozeleni morski život Elysia chlorotica stekao sposobnost fotosinteze jedući alge. Ovaj morski puž unosi kloroplaste - organele koji provode fotosintezu - cijele i pohranjuje ih u probavne žlijezde. Kad se pritisne i nema algi koje jede, morski puž može preživjeti koristeći energiju sunčeve svjetlosti za pretvaranje ugljičnog dioksida i vode u hranu.
Jedno istraživanje pokazuje da morski puževi također uzimaju gene iz algi. Znanstvenici u genom algi ubacuju fluorescentne DNA markere kako bi točno vidjeli gdje su geni. Nakon hranjenja algama, morski je puž stekao gen za regeneraciju kloroplasta.
Istodobno, stanice u našem tijelu sadrže sitne strukture za proizvodnju energije, mitohondrije, koje se razlikuju od ostalih naših staničnih struktura. Mitohondrije čak imaju vlastiti DNK.
Postoji teorija da su mitohondrije postojale kao neovisni oblici života prije milijarde godina, ali onda su se nekako počele uključivati u stanice prvih eukariota - možda su mitohondriji progutani, ali nisu probavljeni. Vjeruje se da se ovaj događaj dogodio prije oko 1,5 milijardi godina i bio je ključna prekretnica u evoluciji svih viših oblika života, biljaka i životinja.
Krađa gena može biti prilično česta evolucijska taktika. Napokon, ona drugima dopušta da rade sav naporan posao dok vi ubirate blagodati. Alternativno, horizontalni prijenos gena može ubrzati evolucijski proces koji je već započeo.
"Teško da će organizam koji se nije prilagodio toplini ili kiselini naglo naseliti vulkanske bazene jednostavno zato što ima gene koji su mu potrebni", kaže Scheunknecht. "Ali evolucija je gotovo uvijek korak po korak, a vodoravni prijenos gena omogućuje velike skokove naprijed."
ILYA KHEL
