Mikä on vakain ja vahvin elämänmuoto maailmassa? Torakat ovat kuuluisia elinvoimaisuudestaan - monet ihmiset ovat vakuuttuneita siitä, että he voisivat jopa selviytyä ydinaseesta. Tardigradet tai vesikarhut ovat vielä kestävämpiä. He voivat jopa selviytyä avaruudessa. Yellowstonen kansallispuiston kiehuvissa happolähteissä asuu yksi levä. Sen ympärillä on kaustista vettä, joka on maustettu arseenilla ja raskasmetalleilla. Pysyäkseen hengissä tässä tappavassa paikassa hän käytti odottamatonta temppua.
Mikä on hänen salaisuutensa? Varkaus. Hän varastaa selviytymisen geenejä muista elämänmuodoista. Ja tämä taktiikka on paljon yleisempi kuin luulisi.
Suurin osa äärimmäisissä paikoissa elävistä elävistä olennoista on yksisoluisia eliöitä - bakteereja tai arkeoita. Näillä yksinkertaisilla ja muinaisilla elämänmuodoilla ei ole monimutkaista eläinbiologiaa, mutta niiden yksinkertaisuus on etu: ne selviävät paljon paremmin äärimmäisissä olosuhteissa.
Miljardien vuosien ajan he piiloutuivat epäystävällisimmissä paikoissa - syvällä maan alla, meren pohjassa, ikiroudassa tai kiehuvissa kuumissa lähteissä. He ovat edenneet pitkälle, kehittäneet geenejä miljoonien tai miljardien vuosien ajan, ja nyt ne auttavat heitä selviytymään melkein mistä tahansa.
Mutta entä jos muut monimutkaisemmat olennot voisivat vain tulla mukaan ja varastaa nuo geenit? He olisivat saaneet aikaan evoluution. Yhdellä iskulla he olisivat hankkineet genetiikan, jonka avulla he voivat selviytyä äärimmäisissä paikoissa. He pääsisivät sinne käymättä läpi miljoonien vuosien tylsiä ja raskaita evoluutioita, joita yleensä tarvitaan näiden kykyjen kehittämiseen.
Juuri punalevä Galdieria sulphuraria teki. Sitä löytyy kuumista rikkilähteistä Italiassa, Venäjällä, Yellowstone Parkissa Yhdysvalloissa ja Islannissa.
Mainosvideo:
Näiden kuumien lähteiden lämpötila nousee 56 celsiusasteeseen. Vaikka jotkut bakteerit voivat elää altaissa noin 100 astetta, ja jotkut selviävät noin 110 asteen lämpötiloissa lähellä syvänmeren lähteitä, on varsin merkittävää, että eukaryootit ovat monimutkaisempien elämänmuotojen ryhmä, johon kuuluvat eläimet ja kasvit (punalevät - tämä kasvi) - voi elää 56 asteen lämpötilassa.
Suurin osa kasveista ja eläimistä ei pystynyt käsittelemään näitä lämpötiloja, ja hyvästä syystä. Lämpö johtaa kemiallisten sidosten tuhoutumiseen proteiineissa, mikä johtaa niiden romahtamiseen. Tällä on katastrofaalinen vaikutus entsyymeihin, jotka katalysoivat kehon kemiallisia reaktioita. Solua ympäröivät kalvot alkavat vuotaa. Saavutettuaan tietyn lämpötilan kalvo romahtaa ja solu hajoaa.
Vieläkin vaikuttavampi on levien kyky sietää happama ympäristö. Joidenkin kuumien lähteiden pH-arvot ovat välillä 0–1. Positiivisesti varautuneet vetyionit, jotka tunnetaan myös protoneina, tekevät aineesta happaman. Nämä varatut protonit häiritsevät solujen sisällä olevia proteiineja ja entsyymejä, mikä häiritsee elämän kannalta elintärkeitä kemiallisia reaktioita.
Näiden kuumien lähteiden lämpötila nousee 56 celsiusasteeseen. Vaikka jotkut bakteerit voivat elää altaissa noin 100 astetta, ja jotkut selviävät noin 110 asteen lämpötiloissa lähellä syvänmeren lähteitä, on varsin merkittävää, että eukaryootit ovat monimutkaisempien elämänmuotojen ryhmä, johon kuuluvat eläimet ja kasvit (punalevät - tämä kasvi) - voi elää 56 asteen lämpötilassa.
Suurin osa kasveista ja eläimistä ei pystynyt käsittelemään näitä lämpötiloja, ja hyvästä syystä. Lämpö johtaa kemiallisten sidosten tuhoutumiseen proteiineissa, mikä johtaa niiden romahtamiseen. Tällä on katastrofaalinen vaikutus entsyymeihin, jotka katalysoivat kehon kemiallisia reaktioita. Solua ympäröivät kalvot alkavat vuotaa. Saavutettuaan tietyn lämpötilan kalvo romahtaa ja solu hajoaa.
Vieläkin vaikuttavampi on levien kyky sietää happama ympäristö. Joidenkin kuumien lähteiden pH-arvot ovat välillä 0–1. Positiivisesti varautuneet vetyionit, jotka tunnetaan myös protoneina, tekevät aineesta happaman. Nämä varatut protonit häiritsevät solujen sisällä olevia proteiineja ja entsyymejä, mikä häiritsee elämän kannalta elintärkeitä kemiallisia reaktioita.
Tämä geenisiirtoilmiö tunnetaan nimellä "horisontaalinen geenisiirto". Elämänmuotoiset geenit ovat tyypillisesti peritty vanhemmilta. Ihmisissä tämä on täsmälleen näin: voit jäljittää ominaisuutesi sukupuun oksilla ensimmäisiin ihmisiin.
Siitä huolimatta käy ilmi, että sekä silloin tällöin täysin eri lajien "vieras" geenit voidaan sisällyttää DNA: han. Tämä prosessi on yleinen bakteereilla. Jotkut väittävät, että tämä tapahtuu jopa ihmisillä, vaikka siitä kiistetäänkin.
Kun jonkun toisen DNA hankkii uuden omistajan, sen ei tarvitse istua työtönä. Sen sijaan hän voi alkaa työskennellä isännän biologian kanssa kannustamalla häntä luomaan uusia proteiineja. Tämä voi antaa omistajalle uusia taitoja ja antaa hänen selviytyä uusissa tilanteissa. Isäntäorganismi voi lähteä täysin uudelle evoluutiopolulle.
Yhteensä Schoinknecht tunnisti 75 varastettua geeniä merilevästä, jonka se lainasi bakteereista tai arkeista. Kaikilla geeneillä ei ole selkeitä evoluutiomaisia etuja leville, ja monien geenien tarkkaa toimintaa ei tunneta. Mutta monet heistä auttavat Galdieriaa selviytymään äärimmäisissä olosuhteissa.
Sen kyky käsitellä myrkyllisiä kemikaaleja, kuten elohopeaa ja arseenia, tulee bakteereilta lainatuista geeneistä.
Yksi näistä geeneistä on vastuussa "arseenipumpusta", jonka avulla levät voivat poistaa arseenin tehokkaasti soluista. Muut varastetut geenit antavat levien vapauttaa myrkyllisiä metalleja samalla kun uutetaan tärkeitä metalleja ympäristöstä. Muut varastetut geenit hallitsevat entsyymejä, jotka antavat levien puhdistaa metalleja, kuten elohopeaa.
Levät ovat myös varastaneet geenit, joiden avulla ne voivat kestää korkeita suolapitoisuuksia. Normaaleissa olosuhteissa suolaliuosympäristö imee veden solusta ja tappaa sen. Syntetisoimalla solun sisällä yhdisteitä "osmoottisen paineen" tasaamiseksi Galdieria välttää tämän kohtalon.
Galdierian kyvyn sietää erittäin happamia kuumia lähteitä uskotaan johtuvan sen läpäisemättömyydestä protoneille. Toisin sanoen hän voi yksinkertaisesti estää hapon pääsyn soluihin. Tätä varten se yksinkertaisesti sisältää vähemmän geenejä, jotka koodaavat solukalvon kanavia, joiden kautta protonit normaalisti kulkevat. Nämä kanavat antavat yleensä positiivisesti varautuneiden hiukkasten, kuten kalium, kulkea läpi, mitä solut tarvitsevat, mutta ne antavat myös protonien kulkea läpi.
"Sopeutuminen matalaan pH-arvoon näyttää tapahtuneen poistamalla kaikki kalvonsiirtoproteiinit plasmamembraanista, jotka antaisivat protonien päästä soluun", Scheunknecht sanoo.”Useimpien eukaryoottien plasmamembraanissa on useita kaliumkanavia, mutta Galdierialla on vain yksi geeni, joka koodaa kaliumkanavaa. Kapeamman kanavan avulla voit selviytyä korkeasta happamuudesta."
Nämä kaliumkanavat tekevät kuitenkin tärkeää työtä, ne ottavat kaliumia tai ylläpitävät potentiaalista eroa solun ja sen ympäristön välillä. Kuinka levät pysyvät terveinä ilman kaliumkanavia, on edelleen epäselvää.
Kukaan ei myöskään tiedä, miten levät selviävät suuresta lämmöstä. Tutkijat eivät ole kyenneet tunnistamaan geenejä, jotka selittäisivät hänen erityispiirteensä hänen biologiassaan.
Bakteereilla ja arkeilla, jotka voivat elää erittäin korkeissa lämpötiloissa, on täysin erilaiset proteiinit ja kalvot, mutta levät ovat käyneet läpi hienovaraisempia muutoksia, Scheunknecht sanoo. Hän epäilee, että se muuttaa kalvolipidien aineenvaihduntaa eri lämpötilan noustessa, mutta ei vielä tiedä tarkalleen, miten tämä tapahtuu ja miten se sopeutuu lämpöön.
On selvää, että geenikopiointi antaa Galdierialle valtavan evoluutioedun. Vaikka suurin osa G. sulphurariaan liittyvistä yksisoluisista punalevistä elää tulivuorialueilla ja selviytyy kohtalaisesta lämmöstä ja hapoista, harvat sen sukulaiset kestävät yhtä paljon lämpöä, happoa ja myrkyllisyyttä kuin G. sulphuraria. Itse asiassa joissakin paikoissa tämän lajin osuus elämästä on jopa 80-90% - tämä osoittaa kuinka vaikeaa jonkun muun on kutsua G. sulphuraria-taloa omaksi.
Vielä on yksi ilmeinen ja mielenkiintoinen kysymys: kuinka levät varastivat niin monta geeniä?
Tämä levä elää ympäristössä, joka sisältää paljon bakteereja ja arkkia, joten sillä on tavallaan kyky varastaa geenejä. Mutta tiedemiehet eivät tiedä tarkalleen, kuinka DNA hyppäsi bakteereista niin eri organismeihin. Saadakseen onnistuneesti isäntään DNA: n on ensin päästävä soluun ja sitten ytimeen - ja vasta sitten sisällytettävä itsensä isännän genomiin.
Parhaita arvauksia tällä hetkellä ovat, että virukset voivat siirtää geenimateriaalia bakteereista ja arkeista leviin. Mutta tämä on puhdasta spekulaatiota”, Scheinknecht sanoo.”Ehkä häkkiin pääseminen on vaikein askel. Solun sisällä pääseminen ytimeen ja integroituminen genomiin ei ehkä ole niin vaikeaa.
Bakteereissa tapahtuu usein vaakasuora geeninsiirto. Siksi meillä on ongelmia antibioottiresistenssin kanssa. Kun vastustuskykyinen geeni ilmestyy, se leviää nopeasti bakteerien keskuudessa. Uskottiin kuitenkin, että geeninvaihto tapahtuu harvemmin edistyneemmissä organismeissa kuin eukaryooteissa. Uskottiin, että bakteereilla on erityiset järjestelmät, joiden avulla ne voivat hyväksyä nukleiinihappoja, kuten eukaryootit eivät.
Kuitenkin muita esimerkkejä kehittyneistä olentoista, jotka varastavat geenejä selviytyäkseen ääriolosuhteissa, on jo löydetty. Antarktiksen lumessa ja jäässä elävä lumilevä Chloromonas brevispina kuljettaa geenejä, jotka on todennäköisesti otettu bakteereista, arkeista tai jopa sienistä.
Terävät jääkiteet voivat lävistää ja rei'ittää solukalvot, joten kylmässä ilmastossa elävien olentojen on löydettävä tapa torjua tätä. Yksi tapa on tuottaa jäätä sitovia proteiineja (IBP), jotka erittyvät soluun, joka tarttuu jäihin pysäyttäen jääkiteiden kasvun.
James Raymond Nevadan yliopistosta Las Vegasissa kartoitti lumilevägenomin ja havaitsi, että jäätä sitovien proteiinien geenit olivat huomattavan samanlaisia bakteereissa, arkeissa ja sienissä, mikä viittaa siihen, että ne kaikki vaihtoivat kykyä selviytyä kylmissä olosuhteissa vaakatasossa geeninsiirto.
"Nämä geenit ovat välttämättömiä selviytymisen kannalta, koska niitä on löydetty jokaisesta kylmään sopeutuneesta levästä eikä yksikään lämpimissä olosuhteissa", Raymond sanoo.
Eukaryooteissa on useita muita esimerkkejä horisontaalisesta geeninsiirrosta. Etelämantereen merijäässä elävät pienet äyriäiset näyttävät hankkineen myös tämän taiton. Nämä Stephos-longipit voivat elää jään nestemäisissä suolakanavissa.
"Kenttämittaukset ovat osoittaneet, että C. longipes elää ylijäähdytetyissä suolaliuoksissa jään pinnalla", kertoo Rainer Kiko, tutkija Polaariekologian instituutista Kielin yliopistossa Saksassa. "Alijäähdytetty tarkoittaa, että tämän nesteen lämpötila on jäätymispisteen alapuolella ja riippuu suolapitoisuudesta."
Selviytyäkseen ja estääkseen itsensä jäätymästä molekyylit ovat läsnä S. longipesin ja muiden kehonesteiden veressä, jotka laskevat jäätymispistettä vastaamaan ympäröivää vettä. Samanaikaisesti äyriäiset tuottavat ei-jäätyviä proteiineja, jotka estävät jääkiteiden muodostumista veressä.
Oletetaan, että tämä proteiini saatiin myös horisontaalisella geenisiirrolla.
Kauniilla hallitsijaperhoksella voi olla myös varastettuja geenejä, mutta tällä kertaa loistaudista.
Braconid-perheen kiiltävä ampiainen tunnetaan munan ja viruksen viemisestä isäntä hyönteiseen. Viruksen DNA tunkeutuu isännän aivoihin muuttaen sen zombiksi, joka toimii sitten ampiaismunan inkubaattorina. Tutkijat ovat löytäneet drakonidien geenit perhosista, vaikka nämä perhoset eivät ole koskaan tavanneet ampiaisia. Niiden uskotaan tekevän perhosista vastustuskykyisempiä taudeille.
Eukaryootit eivät vain varastaa yksittäisiä geenejä. Joskus varkaudet ovat massiivisia.
Kirkkaan vihreän meren elämän Elysia chlorotican uskotaan hankkineen kyvyn fotosynteesiin syömällä levää. Tämä meren etana kuluttaa kloroplastit - fotosynteesiä suorittavat organellit - kokonaisina ja varastoivat ne ruoansulatuskanaviin. Puristettuna eikä levää ole syötävissä, merilohi voi selviytyä käyttämällä auringonvalon energiaa hiilidioksidin ja veden muuttamiseksi ruoaksi.
Eräs tutkimus osoittaa, että merilutkat ottavat myös geenejä levistä. Tutkijat lisäävät fluoresoivia DNA-markkereita levägenomiin nähdäkseen tarkalleen missä geenit olivat. Leviä ruokittuaan meren etana hankki geenin kloroplastin uusiutumiseen.
Samaan aikaan kehomme solut sisältävät pieniä energiaa tuottavia rakenteita, mitokondrioita, jotka eroavat muista solurakenteistamme. Mitokondrioilla on jopa oma DNA.
On olemassa teoria, jonka mukaan mitokondriot olivat olemassa itsenäisinä elämänmuodoina miljardeja vuosia sitten, mutta sitten jotenkin ne alkoivat liittyä ensimmäisten eukaryoottien soluihin - ehkä mitokondriot nieltiin, mutta niitä ei pilkottu. Tämän tapahtuman uskotaan tapahtuneen noin 1,5 miljardia vuotta sitten, ja se oli keskeinen virstanpylväs kaikkien korkeampien elämänmuotojen, kasvien ja eläinten kehityksessä.
Geenivarastaminen voi olla melko yleinen evoluutiotaktiikka. Loppujen lopuksi hän antaa muiden tehdä kaiken kovan työn puolestasi, kun hyödynnät sen etuja. Vaihtoehtoisesti vaakasuora geenisiirto voi nopeuttaa jo alkanutta evoluutioprosessia.
"Organismi, joka ei ole sopeutunut lämpöön tai happoon, todennäköisesti tunkeutuu yhtäkkiä tulivuorialtaisiin yksinkertaisesti siksi, että sillä on tarvitsemansa geenit", Scheunknecht sanoo. "Mutta evoluutio on melkein aina askel askeleelta, ja horisontaalinen geenisiirto sallii suuret harppaukset eteenpäin."
ILYA KHEL
