RAPORT

KORONAWIRUS: MAPY, STATYSTYKI, PORADY

Jak się łapie ewolucję samożywności na gorącym uczynku

Gdyby nie fotosynteza, życie na Ziemi nie rozwinęłoby się w znanym nam kształcie (fot. mat. pras.)
Gdyby nie fotosynteza, życie na Ziemi nie rozwinęłoby się w znanym nam kształcie (fot. mat. pras.)

Tego uczą nas w szkole nie od dziś: rośliny są samożywne. To znaczy potrafią asymilować dwutlenek węgla z atmosfery, ciągiem dość tajemniczych reakcji redukować go i zamieniać w „szkielety” węglowe wszystkich swoich związków organicznych: cukrów, białek, tłuszczów etc., oraz budowanych z ich makrocząstek, jak kwasy nukleinowe. Rzecz cała jest możliwa dzięki energii słonecznej – dlatego nosi nazwę FOTOsyntezy. W procesie zaś powstaje niezbędny nam (i roślinom) do oddychania tlen. Oddychanie jest przeciwieństwem odżywiania. W odżywianiu budujemy swe ciało z pokarmu, w oddychaniu spalamy pokarm, aby mieć energię.

Świat sprzed pół miliarda lat

Parafrazując znany przebój sprzed niemal pół wieku, to był świat w zupełnie starym stylu, choć nie dało się go oglądać zza szyb automobilu. Dopiero...

zobacz więcej

Gdyby nie fotosynteza, życie na Ziemi nie rozwinęłoby się w znanym nam kształcie. Jedząc chleb powszedni korzystamy z dobrodziejstwa tego skomplikowanego zestawu powiązanych ze sobą reakcji biochemicznych. To organizmy zdolne do fotostyntezy leżą u podłoża niemal każdego łańcucha pokarmowego na naszej planecie – a zatem niemal każdego ekosystemu. Jeśli rozumiemy fotosyntezę, potrafimy na nią wpłynąć zgodnie z naszymi potrzebami. Rzecz ujmując prosto: chleba powszedniego może być więcej lub mniej, co często oznacza za mało.

Oba procesy, tak fotosynteza jak oddychanie, dla większości zamieszkujących na naszej planecie organizmów wyposażonych w jądro komórkowe (czyli niebakteryjnych, zwanych eukariontami) zostały zagwarantowane dzięki procesowi endosymbiozy.
A nawet dwóm (lub więcej – to pytanie wisiało w oczekiwaniu na odpowiedź, która chyba właśnie nadeszła z amerykańskiego Rutgers University, o czym, za chwilę) niezależnym takim procesom. Rzecz cała jednak jest bardzo ewolucyjnie stara i przez to – skomplikowana. W wyniku tych procesów wszystkie niemal na świecie komórki wyposażone w jądro mają mitochondrium – centrum energetyczne. Niektóre zaś mają także plastydy – zwłaszcza zielone chloroplasty umożliwiające fotosyntezę.

Jak to się stało, że najpierw niektóre jednokomórkowe organizmy, zaliczane dziś do protistów, a ekologicznie mieszczące się w wielkiej grupie wodnych stworzeń zwanych glonami, w ogóle stały się zdolne do fotosyntezy? I czy stało się to w toku ewolucji tylko raz? Czy rośliny tzw. wyższe (czyli głównie te rozmnażające się przez nasiona, a nie zarodniki) fotosyntetyzują dlatego, że ich przodkami były owe jednokomórkowe organizmy, u których doszło do endosymbiozy? Przecież być samożywnym to niesamowity zysk – można żyć „ze świeżego powietrza”. Dlaczego zatem samo zjawisko miałoby się pojawiać ewolucyjnie rzadko, a nie często? Jak to było na początku? Na takie, brzmiące niemal filozoficznie pytania od lat próbuje odpowiedzieć grupa badawcza z Wydziału Biochemii i Mikrobiologii Rutgers University w Nowym Brunszwiku, kierowana przez Profesora Debashisha Bhattacharya.

Uczta na mokradle, czyli roślina zjada kręgowca

Uczeni z Uniwersytetu w Guelph w stanie Ontario (Kanada) zdołali zaobserwować, jak popularna na północnym wschodzie kontynentu...

zobacz więcej

Sama teoria endosymbiozy jest dość stara. Została w środowisku naukowym zaproponowana na początku wieku XX przez rosyjskiego botanika Konstantina Mierieżkowskiego i przyjęta wtedy bez entuzjazmu. Następnie, gdy dzięki zdjęciom z mikroskopii elektronowej stało się jasne, że w chloroplastach (które w szkole zwaliśmy ciałkami zieleni) podobnie jak w mitochondriach znajdują się DNA i rybosomy nieco mniejsze od komórkowych, za to idealnie podobne do bakteryjnych, do idei wrócono. Teoria endosymbiozy posunęła się do przodu i została poparta argumentami natury mikrobiologicznej w pracy Lynn Margulis z 1967, noszącej tytuł „The Origin of Mitosing Eukaryotic Cells” („Powstanie dzielących się mitotycznie komórek eukariotycznych”).

Jest coraz bardziej jasne od dekad zatem, że istnieje grupa pradawnych bakterii zdolnych do radzenia sobie z bardzo toksyczną substancją, jaką jest cząsteczkowy tlen. Ich dziś żyjącymi najbliższymi krewnymi są rickettsie – wewnątrzkomórkowe bakterie wywołujące tyfus prawdziwy. Istnieje też wielka grupa pradawnych bakterii zdolnych do fotosyntezy – zwanych sinicami. Te tworzyły tzw. buły stromatolitowe na płytkich szelfach oceanicznych już 3,5 mld lat temu! To one, na drodze „bycia zjedzonym” przez inną komórkę lub też zaatakowania jej i przetrwania wewnątrz, stały się owymi organellami tak kluczowymi dziś dla życia na Ziemi. Czyli odpowiednio rickettsie – mitochondriami, a sinice – plastydami (chloroplastami).

No dobrze, skoro wszystko już wiadomo, to co tu dalej drążyć temat? Ileż razy nauka dosłownie wkurza nas, zwykłych zjadaczy chleba, owym drążeniem, ową ciekawością, co nigdy się nie kończy. Jak wyjaśniają autorzy pracy na łamach „New Phytologist”: „endosymbioza to związek między dwoma organizmami, w którym jedna komórka znajduje się w drugiej. Ta przynależność, gdy jest stabilna i korzystna dla komórki „gospodarza”, może skutkować ogromną innowacją genetyczną, której najważniejszymi przykładem jest ewolucja organelli eukariotycznych: mitochondriów i plastydów. Pomimo jej olbrzymiej roli ewolucyjnej, wiedza na temat początkowego ustalania endosymbiozy i integracji biologii gospodarz-endosymbiont jest ograniczona.” Rzekłszy prosto – nie mamy pojęcia, jak się zaczęło i dlaczego przydarzyło się tylko raz, skoro jest takie korzystne. Przyjrzyjmy się zatem owym plastydom – chloroplastom.

Mątwa zdolna do ascezy

Już za chwilę środek postu. Zasadne wydaje się zatem pytanie: co z naszymi umartwieniami? Proszę się nie gniewać, ale jest to pytanie naukowe z...

zobacz więcej

Potrzeba najprostszego możliwego modelu, czyli organizmu jednokomórkowego wyposażonego w jądro, w którym jest jeden, góra dwa proste plastydy i którego krewni najbliżsi takich plastydów NIGDY nie mieli. Takim rodzynkiem jest ameboidalny jednokomórkowiec Paulinella chromatophora. Do rodzaju Paulinella zalicza się 9 gatunków, z których trzy (P. chromatophora, P. micropora i P. longichromatophora) są zdolne do fotosyntezy. I to zdolne od – ewolucyjnie rzecz ujmując – niedawna, czyli od jakiś 90-140 mln lat temu (krakowskim targiem niech będzie 120). Co ciekawe, ponieważ złapały endosymbionta (zwanego cyjanellą lub chromatoforem), to przestały być zdolne do fagocytozy, dzięki której dotąd odżywiały się, jak na ameby przystało. Nadal mają zatem kilka nibynóżek, ale są już im one zbędne do chwytania cząstek pokarmowych. Warto wspomnieć, że to „ameba domkowa”, więc na pierwszy rzut oka nie wygląda jak ameba. Siedzi sobie w swoim „domku”, który jest jednak częściowo otwarty i tam wychodzą jehj nibynóżki.

Rzecz sama jest uderzająca, ponieważ chloroplasty niemal wszystkich innych znanych fotosyntetyzujących eukariontów wywodzą się ostatecznie z pojedynczego endosymbionta-sinicy, który został „pobrany” około 1,6 miliarda lat temu przez przodka grupy zwanej Archaeplastida (a następnie zaadoptowany do innych grup eukariontów poprzez wtórne zdarzenia endosymbiozy, a później trzeciorzędowe i czwartorzędowe endosymbiozy itp.). Co to znaczy? Że kolejne endosymbiozy to już była adopcja wewnątrzkomórkowa nie tyle sinicy, co tego protista, który „zeżarł” ją pierwszy. A potem tego, który „zeżarł” poprzedniego itd.

Żeby było ciekawiej, pochłonięta przez Paulinella endosymbiotyczna sinica (a dziś powstała z niejcyjanella) nie jest spokrewniona blisko z tą, która została endosymbiontem przodka Archaeplastida. Genom tego szczególnego chromatoforu przeszedł redukcję i jest teraz zaledwie jedną trzecią tego, co mają w sobie inne najbliżej z nim spokrewnione sinice. Nadal jednak w porównaniu z genomami innych plastydów to gigant – jest od nich 10 razy większy. (Niektóre geny zostały utracone, inne migrowały do jądra ameby poprzez endosymbiotyczny transfer genów, inne geny uległy degeneracji i zastąpieniu).Tak niewielka redukcja genomu cyjanelli jest najlepszym świadectwem tego, że do endosymbiozy doszło stosunkowo niedawno. Geny jądrowe P. chromatophora (regiony niezmodyfikowane przez symbionta) są najbliżej spokrewnione z cudzożywnym P. ovalis.

Bardzo żywa skamieniałość sprzed 273 mln lat

Współpraca polskich i japońskich naukowców doprowadziła właśnie do odkrycia na dnie oceanicznym „ekologicznej żywej skamieniałości”. Czyli...

zobacz więcej

Co ciekawe, P. ovalis ma również co najmniej dwa geny podobne do sinic, które prawdopodobnie zostały zintegrowane z jego genomem poprzez horyzontalny transfer genów z sinic, które pożarł, choć nie stały się jego endosymbiontami, bo je strawił. Podobne geny mogły sprawić, że gatunki fotosyntezy są wstępnie przygotowane do przyjęcia chromatoforu.

I tu, w tych wszystkich transferach genów od endosymbionta się niejako zaczyna opowieść z Rutgers University. Uczeni w swej pracy proponują model „silnika i samochodu”, który zapewnia teoretyczne ramy do zrozumienia pierwotnej endosymbiozy plastydów, potencjalnie wyjaśniając, dlaczego jest ona tak rzadka. Tu zatem korzystamy z tego, że samożywna Paulinella jest i modelem do badania fotosyntezy, i ewenementem na skalę światową w kwestii endosymbiozy plastydów robiących fotosyntezę.

Musimy sobie wyobrazić prosty samochód – to będzie nasza Paulinella. Ma podwozie, maskę, ma bagażnik i wentylator. Bagażnik to jądro komórkowe, gdzie zmagazynowane jest ponad 32 tys. genów. Silnik tego pojazdu to owa cyjanella – w pełni funkcjonalny system fotosyntetyzujący, ok. 870 genów. Między silnikiem a bagażnikiem trwa ciągła wymiana informacji, składników odżywczych, związków regulatorowych i białek. Paliwem dla silnika jest światło słoneczne. Jednak silnik jak to silnik, produkuje szkodliwe spaliny. W wypadku naszego modelu są to zabójcze dla struktur komórkowych wolne rodniki tlenowe. Z nimi trzeba nauczyć się sobie radzić – mieć jakiś wentylator.

Sztuczne glony pomogą ratować ginące rafy koralowe

Uczeni od lat pracują nad ocaleniem Wielkiej Rafy Koralowej, położonej wzdłuż północno-wschodnich wybrzeży Australii. Pomysły są różne – od korali...

zobacz więcej

Jak autorzy wyobrażają sobie zaistnienie takiego pojazdu? Najpierw cudzożywna Paulinella spożywa komórki sinic. DNA ze tych komórek bakteryjnych może dostać się do jądra komórkowego i zostać zintegrowane z genomem gospodarza poprzez horyzontalny transfer genów. Te obce geny umożliwiły gospodarzowi utrzymywanie sinic w wodniczkach pokarmowych przez coraz dłuższe okresy czasu, aż związek Paulinella-sinica stał się trwały. Tak wygląda Paulinnella dziś – nadal jej endosybiont traci geny, przenosząc je do jądra komórkowego gospodarza.

Naukowcy przypuszczają, że w przyszłości chromatofor Paulinella będzie kodował tylko niezbędne geny, których nie można przenieść do genomu gospodarza, ponieważ np. kodowane tam białka są problematyczne w transporcie do cyjanelli. Chromofor może również utracić otaczającą go warstwę peptydoglikanu (bakteryjna ściana komórkowa), co obserwuje się w innych liniach zawierających plastydy pierwotne. Adaptacje prawdopodobnie zwiększą tempo wzrostu Paulinella i zdolność radzenia sobie z wysokim natężeniem światła, poszerzając jej niszę środowiskową. Można powiedzieć, że to silnik pociągnie pojazd ku zmianom karoserii, tak by powstał w zasadzie zupełnie inny niż dotąd pojazd. Dziać się to będzie powoli, a i sam silnik ulegnie pewnym przemodelowaniom.

Jak dla portalu phys.org wyjaśniają autorzy: „Fotosynteza powoduje ogromne ryzyko, ponieważ wytwarza jako produkty uboczne związki chemiczne i ciepło, które mogą uszkadzać komórkę gospodarza. Dlatego tworzenie nowej organelli jest bardzo złożonym procesem ewolucji. Paulinella, która jest jedynym znanym przypadkiem niezależnej pierwotnej endosymbiozy plastydowej innej niż u glonów i roślin, oferuje wiele wskazówek dotyczących tego procesu, które pomagają wyjaśnić, dlaczego jest tak rzadki. Paulinella dostarcza kluczowych wskazówek na temat tego, jak ten proces zachodzi i jakie koszty nakłada na komórkę gospodarza.

Genom Paulinella zawiera wiele genów związanych z fotosyntezą i radzeniem sobie z powiązanymi z nią stresami, które wyewoluowały niedawno i niezależnie od „głównego nurtu” endosymbiozy plastydów. Mogą być one potencjalnie źródłem nowych rozwiązań dla glonów i roślin. Mogą pomóc poprawić ich zdolność do wytrzymywania stresów, takich jak wysokie natężenie światła lub stres związany z wysokim stężeniem soli”. Chodzi o potencjał biotechnologiczny niewielkiej ameby i jej cyjanelli. Po to właśnie nauka drąży dalej tam, gdzie już „mniej więcej” wiadomo.

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej