Mikrodrapieżnik stary jak świat

Gdy myślimy „drapieżnik”, widzimy kły i pazury, zębiska i szpony. Ewentualnie gigantyczną szczękę zdolną się tak rozdziawić, by połknąć ofiarę w całości, uprzednio otruwszy lub udusiwszy. Widzimy konkretne duże zwierzę. Lwa, tygrysa, panterę, boa dusiciela czy inną anakondę. Drapieżnictwo jako forma relacji miedzy różnymi organizmami istnieje jednak także i w skali mikro, w świecie widocznym jedynie pod mikroskopem. Co zaskakujące, również tam może polegać dosłownie na zagryzaniu ofiary na śmierć.

W czasach, gdy wszystkim wydawało się to jeszcze możliwe, a nawet pożądane, czyli w 2018 roku, uczeni z University of British Columbia w Vancouver i Uniwersytetu im Łomonosowa w Moskwie oraz Instytutu Wód Śródlądowych im. Papanina Rosyjskiej Akademii Nauk współpracowali w poszukiwaniu nowych form jednokomórkowego życia. Tak naprawdę całych nowych grup, czy jak się to w nowoczesnej taksonomii określa – „supergrup, które zastępują tradycyjne królestwa zwierząt, grzybów i roślin i obejmują znacznie większy zakres różnorodności eukariotycznej”.

Aby je wyizolować, nie można jednak się było skupiać wyłącznie, jak do tej pory, na wyglądzie zewnętrznym mikroorganizmów – w tym wypadku wyposażonych w jądra komórkowe, czyli tzw. eukariotycznych – ale na ich najgłębszym wnętrzu. Czyli sekwencji DNA ich genomów.  

 

To nie jest jakaś całkowicie nowa sytuacja, że nadal w naturze daje się poznać nowe gatunki tzw. protistów (czyli jednokomórkowców eukariotycznych, które co do zasady nie są ani zwierzętami, ani roślinami, ani grzybami). Nie jest też dziwaczne, że gdy im genom zsekwencjonować, to się okazuje, że całe nowe „królestwa” na drzewie życia, całe nowe wielkie gałęzie powstają.

Nie da się tego gdzie indziej przykleić, do jakiejś gałęzi, która istnieje, więc trzeba stworzyć nową. Czasem tak zmienić genom potrafią ekstremalne warunki życia, czasem bycie pasożytem. Zdarza się jednak wielkie, prawdziwe odkrycie „nowego świata” niewidocznego gołym okiem.

Dziś rosyjsko-kanadyjska grupa ma publikację naukową w najprestiżowszym czasopiśmie „Nature”, która opisuje odkrycie mikrobiologicznych drapieżników, dla których trzeba było stworzyć nową supergrupę nazwaną Provora. Jak opisują autorzy badania: „różni się ona genetycznie, morfologicznie i behawioralnie od innych eukariontów i składa się z dwóch rozbieżnych kładów (gałęzi) drapieżników – Nebulidia i Nibbleridia, które są z pozoru podobne do siebie, ale różnią się zasadniczo ultrastrukturą, zachowaniem i sekwencja genów”.

„Nibbleridy” zgodnie z nazwą odgryzają od swych ofiar kawałki za pomocą struktur przypominających zęby. „Nebulidy” zaś zjadają ofiarę w całości. Obie grupy stworzeń stanowią nową starożytną gałąź na drzewie życia. 

Podobnie jak wszelkich innych drapieżników na naszej planecie, jest ich mniej niż ofiar – tak działa piramida pokarmowa. Te nowo odkryte jednokomórkowe drapieżniki występują na całym świecie w środowiskach morskich i słodkowodnych, ale są liczebnie rzadkie i w konsekwencji zostały przeoczone w badaniach różnorodności molekularnej. To takie szczególne badania, gdzie się filtruje litry i hektolitry wody morskiej czy słodkiej w poszukiwaniu obecnych w nich cząsteczek DNA. Ich masowe sekwencjonowanie pozwala w jakimś stopniu oszacować, co i ile tego czegoś tam żyje.

Musimy sobie bowiem w tym miejscu uświadomić, że tak jak lwa ciężko hodować w zoo bez gazeli i ciężko się go rozmnaża w warunkach hodowlanych, tak i mikroskopijny drapieżnik wymaga do życia swojej ofiary albo czegoś wystarczająco do niej podobnego. 

Jak wyjaśniają autorzy badania, w dobie owych szczególnych wysokowydajnych analiz zawartości ekosystemów w organizmy żywe, badanie różnorodności eukariotów poprzez hodowlę okazów pozostają zatem niezbędne do odkrycia rzadkich, ale ważnych ekologicznie i ewolucyjnie eukariotów. Bo że jakiegoś organizmu w danym środowisku jest niewiele, nie znaczy jeszcze, że jest nieważny. W tym wypadku może być dokładnie tak ważny jak lew na sawannie. 

Provora odkryto wykorzystując próbki wody z siedlisk morskich na całym świecie, w tym z raf koralowych Curaçao, osadów z mórz Czarnego i Czerwonego oraz wody z północno-wschodniego Pacyfiku i oceanów arktycznych. W niektórych próbkach wody znajdowały się maleńkie organizmy z dwoma wiciami, które wirowały w miejscu lub pływały bardzo szybko. Gdy zaś je umieszczono, jak to zwykle się robi, w pojemniku z innymi znalezionymi w danym środowisku, inne szybko znikały.

Prosta obserwacja wykazała, że towarzysze niedoli w słoikach naukowców są po prostu zjadani. Trzeba im zatem było dawać jeść inne, łatwe w hodowli laboratoryjnej pierwotniaki, niczym szczury laboratoryjne wężom boa w zoo. Aby je przebadać, trzeba bowiem było je namnożyć, wyizolować ich DNA, podjąć się analiz metabolicznych i strukturalnych pozwalających opisać nowe gatunki. A tego się nie da zrobić bez żywych okazów. 

Odfiltrowanie z wody morskiej DNA, które tam sobie pływa, i analiza jego sekwencji może nam powiedzieć, co tam mniej więcej żyje – jak widać niekoniecznie co do istotnego szczegółu – ale nie ma szans objawić nam relacji w owym mikroświecie. Czyli kto kogo żre, jak działa metabolizm tych stworzeń, a przede wszystkim, jak wyglądają. DNA w takim wypadku mówi nam o wyglądzie i funkcjonowaniu przestępcy mniej więcej tyle, ile jego odciski palców znalezione w miejscu zdarzenia. 

Tym jednak razem – gdy już rozmaite Provora udało się wyhodować w warunkach kontrolowanych – odciski palców były dramatycznie odmienne od wszelkich innych.

Tu niezbędne jest małe wyjaśnienie. Jeśli chcemy taksonomię organizmów oprzeć o DNA, na ogół zaczynamy naszą analizę nie od całych genomów (zwłaszcza, że pozyskanie ich z wody jest trudne) tylko od fragmentów sekwecnji DNA kodującego szczególne, bardzo ewolucyjnie utrwalone struktury niezbędne nam wszystkim do życia – rybosomy. Jeśli jesteśmy komórką, to mamy robosomy – inaczej nie syntetyzowalibyśmy białka, zatem bylibyśmy martwi. Trzeba zatem porównywać między organizmami geny tych struktur. U Eukaryota na ogół porównuje się tzw. 18S RNA. 

Ten gen się nie zmienia niemal w toku ewolucji, bo kodowana przez niego cząsteczka jest niezbędna do bardzo ważnych rzeczy. Każda zmiana może sprawić, że będzie działać gorzej, lub wcale, a więc selekcja trwałych sekwencji jest bardzo silna. Tak, że pomiędzy różnymi ssakami te różnice to kilka jedynie na 1,9 tys nukleotydów DNA, które stanowią całą długość tego genu.

Nowo odkryte i opisane drapieżne drobnoustroje różnią się zaś aż o 170 do 180 nukleotydów w genie 18S rRNA od każdej innej żywej istoty na Ziemi. Stąd właśnie dla nowo odkrytych jednokomórkowych drapieżników proponuje się ustanowić osobną supergrupę – jedną z pięciu-siedmiu w całej domenie istot żywych wyposażonych w jądra komórkowe.

Czy istotnie są tak odmienne, gdyż są dość bliskimi potomkami tego, co było na początku komórką wyposażoną w jądro, przodkiem wszystkich takich komórek na naszej planecie, a może dlatego, iż w tak szczególny sposób – jak na mikroświat – się odżywiają? O opinię na ten temat zapytałam dr hab. Annę Karnkowską z Instytutu Biologii Ewolucyjnej Uniwersytetu Warszawskiego.

Specjalistka wyjaśniła, że mimo dogłębnych badań znalezionych w naturze jak dotąd nielicznych przedstawicieli Provora nie udało się ustalić ich dokładnej pozycji na drzewie Eukaryota. Pewne jest jednak, że niezależnie od miejsca na drzewie życia (bliżej „korzenia” czy dalej) stanowią odrębną grupę organizmów wyposażonych w jądra komórkowe, która nie jest blisko spokrewniona z innymi znanymi organizmami.  

Co według dr Karnkowskiej bardzo ciekawe, ich odmienność genetyczna nie jest związana z szybką ewolucją tej grupy, wręcz przeciwnie: wykazano, że geny u przedstawicieli Provora są jednymi z najwolniej ewoluujących u Eukaryota. Różnorodność genetyczna odkrytych Provora mimo zaledwie kilku opisanych organizmów w tej grupie jest jednak bardzo duża. „Nibbleridy” i „Nebulidy” różnią się od siebie prawie tak dalece, jak od innych eukariota. Sugeruje to, że jest to zaledwie mały wycinek pełnej różnorodności tej grupy i wiele przejściowych form przedstawicieli Provora być może wciąż czeka na odkrycie.  

 „Duże różnice między nimi świadczą o tym, że dwa klady Provora rozdzieliły się dawno temu. Mała jest tylko różnorodność gatunkowa, przynajmniej ta znana, więc być może jak znajdzie się więcej gatunków, to będzie bardziej jednoznaczne jak ta grupa ewoluowała, może poprawi się też „rozdzielczość” drzewa eukariota” – podsumowała ekspertka.

Hodować mikroskopijne, niewidoczne niemal gołym okiem drapieżniki w laboratorium niełatwo – potrzebują całego swojego świata: tego co jedzą, i tego co jedzą ich ofiary i dalej – w dół piramidy pokarmowej. A są przecież znalezione w różnych ekosystemach wodnych. O różnym poziomie zasolenia, temoperatury etc.

To wielkie osiągnięcie i wskazuje na wielki kunszt i doświadczenie uczonych, którym to się dziś udaje. Planują zsekwencjonować całe genomy Provora, chcą też zajrzeć tym komórkom do wnętrza najgłębiej i najdokładniej, jak się da, aby zrozumieć ich sposób życia i metabolizm.  

Dziś opisano siedem gatunków, być może jest ich więcej – trzeba szukać. „To starożytna gałąź drzewa życia, która jest z grubsza tak różnorodna, jak królestwa zwierząt i grzybów razem wzięte, i nikt nie wiedział, że tam jest” – podkreślają autorzy badania.

Nie da się ignorować, choć nie widać. Ile jeszcze takich tajemniczych i nieznanych supergrup na nas czeka? Czy pomogą nam zrozumieć ewolucję nas samych, choć na drzewie życia daleko im do nas? 

#nauka #naukowcy #badania #dna #zwierzęta