Aká je najstabilnejšia a najsilnejšia forma života v našom svete? Šváby sú známe svojou vitalitou - veľa ľudí je presvedčených, že by mohli prežiť aj jadrovú apokalypsu. Tardigradi alebo vodní medvede sú ešte odolnejší. Môžu dokonca prežiť vo vesmíre. Vo vriacich kyslých prameňoch Yellowstonského národného parku žije jedna riasa. Okolo neho je žieravá voda ochutená arzénom a ťažkými kovmi. Aby na tomto smrteľnom mieste zostala nažive, použila nečakaný trik.
Aké je jej tajomstvo? Krádež Kradne gény prežitia z iných foriem života. A táto taktika je oveľa bežnejšia, ako by si niekto myslel.
Väčšina živých vecí, ktoré žijú na extrémnych miestach, sú jednobunkové organizmy - baktérie alebo archaea. Tieto jednoduché a starodávne formy života nemajú zložitú biológiu zvierat, ale ich jednoduchosť je výhodou: oveľa lepšie sa vyrovnávajú s extrémnymi podmienkami.
Miliardy rokov sa skrývali na najnehostinnejších miestach - hlboko pod zemou, na dne oceánu, v permafroste alebo vo vriacich horúcich prameňoch. Prešli dlhou cestou, vyvíjali svoje gény v priebehu miliónov alebo miliárd rokov a teraz im pomáhajú vyrovnať sa s takmer všetkým.
Čo by sa však stalo, keby iné a zložitejšie stvorenia mohli prísť a ukradnúť tieto gény? Boli by dosiahli evolučný výkon. Jedným ťahom by získali genetiku, ktorá im umožnila prežiť na extrémnych miestach. Dostali by sa tam bez toho, aby prešli miliónmi rokov zdĺhavého a namáhavého vývoja, ktorý je zvyčajne potrebný na rozvoj týchto schopností.
Presne to dokázala červená riasa Galdieria sulphuraria. Nachádza sa v horúcich sírnych prameňoch v Taliansku, Rusku, Yellowstonskom parku v USA a na Islande.
Propagačné video:
Teploty v týchto horúcich prameňoch stúpajú na 56 stupňov Celzia. Zatiaľ čo niektoré baktérie môžu žiť v bazénoch pri teplote okolo 100 stupňov a niektoré sa dokážu vyrovnať s teplotami okolo 110 stupňov, v blízkosti hlbokomorských prameňov, je pozoruhodné, že eukaryoty sú skupinou zložitejších foriem života, ktoré zahŕňajú zvieratá a rastliny (červené riasy - táto rastlina) - môže žiť pri teplote 56 stupňov.
Väčšina rastlín a zvierat by tieto teploty nezvládla, a to z dobrého dôvodu. Teplo vedie k deštrukcii chemických väzieb v proteínoch, čo vedie k ich kolapsu. To má katastrofálny vplyv na enzýmy, ktoré katalyzujú chemické reakcie tela. Membrány obklopujúce bunku začnú unikať. Po dosiahnutí určitej teploty sa membrána zrúti a bunka sa rozpadne.
Ešte pôsobivejšia je však schopnosť rias tolerovať kyslé prostredie. Niektoré horúce pramene majú hodnoty pH medzi 0 a 1. Pozitívne nabité vodíkové ióny, tiež známe ako protóny, spôsobujú, že látka je kyslá. Tieto nabité protóny interferujú s proteínmi a enzýmami vo vnútri buniek a narúšajú životne dôležité chemické reakcie.
Teploty v týchto horúcich prameňoch stúpajú na 56 stupňov Celzia. Zatiaľ čo niektoré baktérie môžu žiť v bazénoch pri teplote okolo 100 stupňov a niektoré sa dokážu vyrovnať s teplotami okolo 110 stupňov, v blízkosti hlbokomorských prameňov, je pozoruhodné, že eukaryoty sú skupinou zložitejších foriem života, ktoré zahŕňajú zvieratá a rastliny (červené riasy - táto rastlina) - môže žiť pri teplote 56 stupňov.
Väčšina rastlín a zvierat by tieto teploty nezvládla, a to z dobrého dôvodu. Teplo vedie k deštrukcii chemických väzieb v proteínoch, čo vedie k ich kolapsu. To má katastrofálny vplyv na enzýmy, ktoré katalyzujú chemické reakcie tela. Membrány obklopujúce bunku začnú unikať. Po dosiahnutí určitej teploty sa membrána zrúti a bunka sa rozpadne.
Ešte pôsobivejšia je však schopnosť rias tolerovať kyslé prostredie. Niektoré horúce pramene majú hodnoty pH medzi 0 a 1. Pozitívne nabité vodíkové ióny, tiež známe ako protóny, spôsobujú, že látka je kyslá. Tieto nabité protóny interferujú s proteínmi a enzýmami vo vnútri buniek a narúšajú životne dôležité chemické reakcie.
Tento fenomén prenosu génov je známy ako „horizontálny prenos génov“. Životné gény sa zvyčajne dedia po rodičoch. U ľudí je to presne tak: môžete sledovať svoje vlastnosti pozdĺž vetiev vášho rodokmeňa až k úplne prvým ľuďom.
Napriek tomu sa ukazuje, že do DNA môžu byť niekedy zahrnuté aj „cudzie“gény úplne odlišných druhov. Tento proces je bežný u baktérií. Niektorí tvrdia, že k tomu dochádza aj u ľudí, aj keď je to sporné.
Keď DNA niekoho iného získa nového majiteľa, nemusí zostať nečinne pri tom. Namiesto toho môže začať pracovať na hostiteľskej biológii a povzbudzovať ju pri tvorbe nových bielkovín. To môže dať majiteľovi nové zručnosti a umožniť mu prežiť v nových situáciách. Hostiteľský organizmus sa môže vydať úplne novou evolučnou cestou.
Celkovo Schoinknecht identifikoval 75 ukradnutých génov z morských rias, ktoré si vypožičal z baktérií alebo archeí. Nie všetky gény poskytujú riasam jasnú evolučnú výhodu a presná funkcia mnohých génov nie je známa. Ale veľa z nich pomáha Galdierii prežiť v extrémnom prostredí.
Jeho schopnosť vysporiadať sa s toxickými chemikáliami, ako je ortuť a arzén, pochádza z génov vypožičaných z baktérií.
Jeden z týchto génov je zodpovedný za „pumpu na arzén“, ktorá umožňuje riasam efektívne odstraňovať arzén z buniek. Ostatné ukradnuté gény okrem iného umožňujú riasam uvoľňovať toxické kovy a zároveň extrahovať dôležité kovy z prostredia. Ostatné ukradnuté gény kontrolujú enzýmy, ktoré umožňujú riasam detoxikáciu kovov, ako je ortuť.
Riasy tiež ukradli gény, ktoré im umožňujú odolávať vysokej koncentrácii solí. Za normálnych okolností soľné prostredie nasaje vodu z bunky a zabije ju. Ale syntézou zlúčenín vo vnútri bunky, aby sa vyrovnal „osmotický tlak“, sa Galdieria vyhýba tomuto osudu.
Predpokladá sa, že schopnosť Galdierie tolerovať extrémne kyslé horúce pramene je dôsledkom jej nepriepustnosti pre protóny. Inými slovami, môže jednoducho zabrániť prenikaniu kyseliny do jej buniek. Na tento účel jednoducho obsahuje menej génov, ktoré kódujú kanály v bunkovej membráne, ktorými protóny normálne prechádzajú. Tieto kanály zvyčajne umožňujú prechod kladne nabitých častíc, ako je draslík, ktoré bunky potrebujú, ale tiež umožňujú priechod protónov.
„Zdá sa, že adaptácia na nízke pH sa dosiahla odstránením akéhokoľvek membránového transportného proteínu z plazmatickej membrány, ktorý by umožňoval protónom vstúpiť do bunky,“hovorí Scheunknecht. "Väčšina eukaryotov má vo svojich plazmatických membránach viac draslíkových kanálov, ale Galdieria má iba jeden gén, ktorý kóduje draslíkový kanál." Užší kanál vám umožní vyrovnať sa s vysokou kyslosťou. ““
Napriek tomu tieto draslíkové kanály vykonávajú dôležitú prácu, absorbujú draslík alebo udržiavajú potenciálny rozdiel medzi bunkou a jej prostredím. Ako zostáva riasa zdravá bez draslíkových kanálov, je stále nejasné.
Tiež nikto nevie, ako sa riasy vyrovnávajú s vysokou horúčavou. Vedcom sa nepodarilo identifikovať gény, ktoré by vysvetľovali túto zvláštnosť jej biológie.
Baktérie a archea, ktoré môžu žiť pri veľmi vysokých teplotách, majú úplne odlišné bielkoviny a membrány, ale riasy prešli jemnejšími zmenami, hovorí Scheunknecht. Má podozrenie, že pri rôznych teplotách zvyšuje metabolizmus lipidových lipidov, zatiaľ však nevie presne, ako sa to deje a ako mu umožňuje prispôsobiť sa teplu.
Je zrejmé, že kopírovanie génov dáva Galdierii obrovskú evolučnú výhodu. Zatiaľ čo väčšina jednobunkových červených rias príbuzných G. sulphuraria žije v sopečných oblastiach a vyrovnáva sa s miernym teplom a kyselinami, len málo z ich príbuzných vydrží toľko tepla, kyselín a toxicity ako G. sulphuraria. V skutočnosti tento druh na niektorých miestach predstavuje až 80 - 90% života - to naznačuje, aké ťažké je pre niekoho iného nazvať dom G. sulphuraria ako svoj.
Zostáva ešte jedna zrejmá a zaujímavá otázka: ako riasy ukradli toľko génov?
Táto riasa žije v prostredí, ktoré obsahuje veľa baktérií a archaeí, takže v určitom zmysle má schopnosť kradnúť gény. Vedci ale nevedia presne vedieť, ako DNA preskočila z baktérií na taký odlišný organizmus. Aby sa DNA dostala k hostiteľovi úspešne, musí sa najskôr dostať do bunky a potom do jadra - až potom sa musí zabudovať do genómu hostiteľa.
„Najlepšie sa v tejto chvíli dá predpokladať, že vírusy môžu prenášať genetický materiál z baktérií a archea do rias. Ale to sú číre špekulácie,”hovorí Scheunknecht. "Možno je najťažší krok dostať sa do klietky." Keď sa raz dostanete do bunky, dostať sa do jadra a integrovať sa do genómu nemusí byť také ťažké.
U baktérií sa často vyskytuje horizontálny prenos génov. Preto máme problémy s rezistenciou na antibiotiká. Len čo sa objaví rezistentný gén, rýchlo sa šíri medzi baktériami. Verilo sa však, že k výmene génov dochádza u pokročilejších organizmov menej často ako u eukaryotov. Verilo sa, že baktérie majú špeciálne systémy, ktoré im umožňujú prijímať nukleové kyseliny, napríklad eukaryoty nie.
Už sa však našli ďalšie príklady pokročilých tvorov, ktoré kradnú gény na prežitie v extrémnych podmienkach. Snehová riasa Chloromonas brevispina, ktorá žije v snehu a ľade Antarktídy, nesie gény, ktoré boli pravdepodobne prevzaté z baktérií, archaeí alebo dokonca plesní.
Ostré ľadové kryštály môžu preraziť a perforovať bunkové membrány, takže bytosti žijúce v chladnom podnebí musia nájsť spôsob, ako proti tomu bojovať. Jedným zo spôsobov je produkcia proteínov viažucich sa na ľad (IBP), ktoré sa vylučujú v bunke, ktorá sa drží na ľade, a zastaví tak rast ľadových kryštálov.
James Raymond z Nevadskej univerzity v Las Vegas zmapoval genóm snehových rias a zistil, že gény pre proteíny viažuce sa na ľad sú pozoruhodne podobné v baktériách, archaeách a hubách, čo naznačuje, že si všetky vymieňali schopnosť prežiť v chladných podmienkach počas horizontálnej prenos génov.
"Tieto gény sú nevyhnutné pre prežitie, pretože sa našli v každej riase tolerantnej voči chladu a žiadna v teplých podmienkach," hovorí Raymond.
Existuje niekoľko ďalších príkladov horizontálneho prenosu génov u eukaryotov. Zdá sa, že túto zručnosť získali aj malí kôrovci žijúci v antarktickom morskom ľade. Tieto Stephos longipes môžu žiť v tekutých soľných kanáloch v ľade.
„Terénne merania ukázali, že C. longipes žijú v podchladených soľankách na povrchu ľadu,“hovorí Rainer Kiko, vedec z Inštitútu pre polárnu ekológiu na univerzite v Kieli v Nemecku. „Podchladené znamená, že teplota tejto kvapaliny je pod bodom mrazu a závisí od slanosti.“
Aby prežil a zabránil zamrznutiu, obsahuje S. longipes krv a ďalšie telesné tekutiny molekuly, ktoré znižujú bod mrazu tak, aby zodpovedal okolitej vode. Kôrovce zároveň produkujú nemrznúce bielkoviny, ktoré zabraňujú tvorbe ľadových kryštálov v krvi.
Predpokladá sa, že tento proteín sa získal aj horizontálnym prenosom génov.
Krásny motýľ monarcha tiež mohol ukradnúť gény, tentokrát však od parazitickej osy.
Lesklá osa rodiny Braconid je známa tým, že do hostiteľského hmyzu vnáša spolu s vírusom vajíčko. DNA vírusu sa nabúra do mozgu hostiteľa a urobí z neho zombie, ktorý potom funguje ako inkubátor pre osie vajce. Vedci objavili gény drakonídov u motýľov, aj keď sa tieto motýle s osami nikdy nestretli. Verí sa, že vďaka nim sú motýle odolnejšie voči chorobám.
Eukaryoty nekradnú iba jednotlivé gény. Krádeže sú niekedy masívne.
Predpokladá sa, že svetlozelený morský život Elysia chlorotica získal schopnosť fotosyntézy konzumáciou rias. Tento morský slimák celý absorbuje chloroplasty - organely, ktoré vykonávajú fotosyntézu, a ukladá ich v tráviacich žľazách. Ak je morský slimák stlačený a nie je tu nič na jedenie, môže prežiť pomocou energie slnečného žiarenia na premenu oxidu uhličitého a vody na jedlo.
Jedna štúdia ukazuje, že morské slimáky tiež berú gény z rias. Vedci vkladajú fluorescenčné markery DNA do genómu rias, aby presne videli, kde sa tieto gény nachádzajú. Po kŕmení riasami získal morský slimák gén pre regeneráciu chloroplastov.
Bunky v našom tele zároveň obsahujú malé štruktúry produkujúce energiu, mitochondrie, ktoré sa líšia od zvyšku našich bunkových štruktúr. Mitochondrie majú dokonca svoju vlastnú DNA.
Existuje teória, že mitochondrie existovali ako nezávislé formy života pred miliardami rokov, ale potom sa nejako začali začleňovať do buniek prvých eukaryotov - možno boli mitochondrie prehltnuté, ale nestrávené. Predpokladá sa, že k tejto udalosti došlo pred asi 1,5 miliardami rokov a bola kľúčovým míľnikom vo vývoji všetkých vyšších foriem života, rastlín a živočíchov.
Genetické kradnutie môže byť bežnou evolučnou taktikou. Necháva ostatných, aby za vás vykonali všetku tvrdú prácu, zatiaľ čo vy budete využívať ich výhody. Alternatívne môže horizontálny prenos génov urýchliť už zahájený evolučný proces.
"Je nepravdepodobné, že by sa organizmus, ktorý sa neprispôsobil teplu alebo kyselinám, náhle usadil v sopečných bazénoch len preto, že má potrebné gény," hovorí Scheunknecht. „Ale evolúcia je takmer vždy procesom krok za krokom a horizontálny prenos génov umožňuje veľké skoky vpred.“
ILYA KHEL