Mis on meie maailmas kõige stabiilsem ja tugevam eluvorm? Prussakad on kuulsad oma elujõu poolest - paljud inimesed on veendunud, et suudaksid tuumaapokalüpsise isegi üle elada. Tardigradid ehk vesikarud on veelgi vastupidavamad. Nad suudavad kosmoses isegi ellu jääda. Yellowstone'i rahvuspargi keevas hapus allikates elab üks vetikas. Selle ümber on seebivett, mis on maitsestatud arseeni ja raskmetallidega. Selles surmavas kohas elus püsimiseks kasutas ta ootamatut trikki.
Mis on tema saladus? Vargus. Ta varastab ellujäämise geene teistelt eluvormidelt. Ja see taktika on palju tavalisem, kui võiks arvata.
Enamik ekstreemsetes kohtades elavaid elusolendeid on üherakulised organismid - bakterid või arheed. Nendel lihtsatel ja iidsetel eluvormidel pole keerulist loomade bioloogiat, kuid nende lihtsus on eelis: nad saavad ekstreemsetes tingimustes palju paremini hakkama.
Miljardite aastate jooksul peitusid nad kõige ebasõbralikumates kohtades - sügaval maa all, ookeani põhjas, igikeltsas või keevates kuumaveeallikates. Nad on läbinud pika tee, arendades oma geene miljonite või miljardite aastate jooksul ja aitavad nüüd peaaegu kõigega toime tulla.
Aga mis siis, kui teised keerukamad olendid saaksid lihtsalt kaasa tulla ja need geenid varastada? Nad oleksid evolutsioonilise mängu saavutanud. Ühe hoobiga oleksid nad omandanud geneetika, mis võimaldas neil äärmuslikes kohtades ellu jääda. Nad jõuaksid sinna ilma miljonite aastate pikkuse tüütu ja vaevarikka arenguta, mida nende võimete arendamiseks tavaliselt vaja on.
Täpselt seda tegi punavetikas Galdieria sulphuraria. Seda võib leida kuumadest väävliallikatest Itaalias, Venemaal, Yellowstone'i pargis Ameerika Ühendriikides ja Islandil.
Reklaamvideo:
Nende kuumaveeallikate temperatuur tõuseb 56 kraadini. Kuigi mõned bakterid võivad elada umbes 100-kraadistes basseinides ja mõned suudavad toime tulla umbes 110-kraadise temperatuuriga, süvamere allikate lähedal, on üsna tähelepanuväärne, et eukarüoodid on rühm keerukamaid eluvorme, mis hõlmavad loomi ja taimi (punavetikad - see taim) - võib elada temperatuuril 56 kraadi.
Enamik taimi ja loomi ei suudaks nende temperatuuridega toime tulla ja seda põhjusega. Kuumus viib valkudes keemiliste sidemete hävitamiseni, mis viib nende kokkuvarisemiseni. Sellel on katastroofiline mõju ensüümidele, mis katalüüsivad keha keemilisi reaktsioone. Rakku ümbritsevad membraanid hakkavad lekkima. Teatud temperatuuri saavutamisel variseb membraan kokku ja rakk laguneb.
Veelgi muljetavaldavam on aga vetikate võime taluda happelist keskkonda. Mõne kuumaveeallika pH väärtus on vahemikus 0 kuni 1. Positiivselt laetud vesinikioonid, tuntud ka kui prootonid, muudavad aine happeliseks. Need laetud prootonid häirivad rakkudes olevaid valke ja ensüüme, häirides elutähtsaid keemilisi reaktsioone.
Nende kuumaveeallikate temperatuur tõuseb 56 kraadini. Kuigi mõned bakterid võivad elada umbes 100-kraadistes basseinides ja mõned suudavad toime tulla umbes 110-kraadise temperatuuriga, süvamere allikate lähedal, on üsna tähelepanuväärne, et eukarüoodid on rühm keerukamaid eluvorme, mis hõlmavad loomi ja taimi (punavetikad - see taim) - võib elada temperatuuril 56 kraadi.
Enamik taimi ja loomi ei suudaks nende temperatuuridega toime tulla ja seda põhjusega. Kuumus viib valkudes keemiliste sidemete hävitamiseni, mis viib nende kokkuvarisemiseni. Sellel on katastroofiline mõju ensüümidele, mis katalüüsivad keha keemilisi reaktsioone. Rakku ümbritsevad membraanid hakkavad lekkima. Teatud temperatuuri saavutamisel variseb membraan kokku ja rakk laguneb.
Veelgi muljetavaldavam on aga vetikate võime taluda happelist keskkonda. Mõne kuumaveeallika pH väärtus on vahemikus 0 kuni 1. Positiivselt laetud vesinikioonid, tuntud ka kui prootonid, muudavad aine happeliseks. Need laetud prootonid häirivad rakkudes olevaid valke ja ensüüme, häirides elutähtsaid keemilisi reaktsioone.
Seda geenisiirde nähtust tuntakse kui "horisontaalset geeniülekannet". Tavaliselt on eluvormi geenid päritud vanematelt. Inimeste puhul on see täpselt nii: saate jälgida oma omadusi mööda oma sugupuu oksi kuni esimeste inimesteni.
Sellegipoolest selgub, et nii nüüd kui ka siis saab DNA-sse lisada täiesti erinevate liikide "võõrad" geenid. See protsess on bakteritel tavaline. Mõned väidavad, et see juhtub isegi inimestel, kuigi selle üle vaieldakse.
Kui kellegi teise DNA saab uue omaniku, ei pea see käed rüpes istuma. Selle asemel võib ta hakata tegelema peremeesorganismi bioloogiaga, julgustades teda looma uusi valke. See võib anda omanikule uusi oskusi ja võimaldada tal uutes olukordades ellu jääda. Peremeesorganism võib asuda täiesti uuele evolutsiooniteele.
Kokku tuvastas Schoinknecht 75 merevetikatest varastatud geeni, mille ta laenas bakteritest või arhetest. Kõik geenid ei anna vetikatele selgeid evolutsioonilisi eeliseid ja paljude geenide täpne funktsioon pole teada. Kuid paljud neist aitavad Galdierial ellu jääda äärmuslikes keskkondades.
Selle võime toime tulla mürgiste kemikaalidega, nagu elavhõbe ja arseen, tuleneb bakteritelt laenatud geenidest.
Üks neist geenidest on vastutav "arseenipumba" eest, mis võimaldab vetikatel arseeni rakkudest tõhusalt eemaldada. Teised varastatud geenid võimaldavad vetikatel eritada mürgiseid metalle, ekstraheerides samal ajal olulisi metalle keskkonnast. Teised varastatud geenid kontrollivad ensüüme, mis võimaldavad vetikatel metalle nagu elavhõbedat detoksifitseerida.
Vetikad on varastanud ka geenid, mis võimaldavad taluda suurt soolasisaldust. Normaalsetes oludes imeb soolane keskkond rakust vee välja ja tapab selle. Kuid sünteesides raku sees ühendeid "osmootse rõhu" võrdsustamiseks, väldib Galdieria seda saatust.
Arvatakse, et Galdieria võime taluda eriti happelisi kuumaveeallikaid on selle prootonite läbilaskmatuse tõttu. Teisisõnu võib ta lihtsalt takistada happe sattumist oma rakkudesse. Selleks hõlmab see lihtsalt vähem geene, mis kodeerivad rakumembraanis kanaleid, mida prootonid tavaliselt läbivad. Need kanalid võimaldavad tavaliselt läbida positiivselt laetud osakesi, näiteks kaaliumi, mida rakud vajavad, kuid need võimaldavad ka prootoneid.
"Kohanemine madala pH-ga näib olevat saavutatud membraanitransportvalgu eemaldamisega plasmamembraanilt, mis võimaldaks prootonitel rakku siseneda," ütleb Scheunknecht. “Enamiku eukarüootide plasmamembraanides on mitu kaaliumikanalit, kuid Galdierial on ainult üks geen, mis kodeerib kaaliumikanalit. Kitsam kanal võimaldab toime tulla kõrge happesusega."
Kuid need kaaliumikanalid teevad olulist tööd, nad võtavad kaaliumi või säilitavad potentsiaalse erinevuse raku ja selle keskkonna vahel. Kuidas vetikad terved ilma kaaliumikanaliteta püsivad, pole veel selge.
Samuti ei tea keegi, kuidas vetikad suure kuumusega toime tulevad. Teadlased pole suutnud tuvastada geene, mis seletaksid tema bioloogia seda eripära.
Bakteritel ja arheedel, mis võivad elada väga kõrgel temperatuuril, on täiesti erinevad valgud ja membraanid, kuid vetikad on läbinud peenemaid muutusi, ütleb Scheunknecht. Ta kahtlustab, et see muudab membraanilipiidide ainevahetust erinevatel temperatuuritõusudel, kuid ei tea veel, kuidas see täpselt juhtub ja kuidas see võimaldab soojusega kohaneda.
On selge, et geenide kopeerimine annab Galdieriale tohutu evolutsioonilise eelise. Kui enamik G. sulphurariaga seotud üherakulistest punavetikatest elavad vulkaanilistes piirkondades ning tulevad toime mõõduka kuumuse ja hapetega, siis vähesed tema sugulased taluvad sama palju kuumust, happeid ja toksilisust kui G. sulphuraria. Tegelikult moodustab see liik mõnes kohas kuni 80–90% elust - see näitab, kui keeruline on kellelgi teisel G. sulphuraria maja enda omaks nimetada.
Jääb veel üks ilmne ja huvitav küsimus: kuidas vetikad nii palju geene varastasid?
See vetikas elab keskkonnas, mis sisaldab palju baktereid ja arheesid, nii et teatud mõttes on tal võime geene varastada. Kuid teadlased ei tea täpselt, kuidas DNA hüppas bakteritelt nii erinevale organismile. Edukaks peremeesorganismi jõudmiseks peab DNA kõigepealt sattuma rakku ja seejärel tuuma - ning alles siis end inkorporeerima peremeesorganismi genoomi.
„Praegu on parimad oletused, et viirused võivad bakteritest ja arhetest geneetilise materjali vetikatesse kanda. Kuid see on puhas spekulatsioon,”ütleb Scheunknecht. Võib-olla on puuri sattumine kõige raskem samm. Rakku sattudes ei pruugi tuuma sattumine ja genoomi integreerumine olla nii keeruline.
Bakterites toimub sageli horisontaalne geenisiire. Seetõttu on meil probleeme antibiootikumiresistentsusega. Kui resistentne geen ilmub, levib see bakterite seas kiiresti. Siiski usuti, et geenivahetus toimub arenenumates organismides harvemini kui eukarüootides. Usuti, et bakteritel on spetsiaalsed süsteemid, mis võimaldavad neil aktsepteerida nukleiinhappeid, näiteks eukarüootidel mitte.
Siiski on juba leitud muid näiteid arenenud olenditest, kes varastavad geene, et ellu jääda ekstreemsetes tingimustes. Antarktika lumes ja jääs elav lumevetikaliik Chloromonas brevispina kannab endas geene, mis võeti tõenäoliselt bakteritest, arhetest või isegi seentest.
Teravad jääkristallid võivad rakumembraane läbi torgata ja augustada, nii et külmas kliimas elavad olendid peavad leidma viisi selle vastu võitlemiseks. Üks võimalus on toota jääga seonduvaid valke (IBP), mis erituvad jää külge kleepuvas rakus, peatades jääkristallide kasvu.
James Raymond Nevada ülikoolist Las Vegases kaardistas lumevetikate genoomi ja leidis, et jääga seonduvate valkude geenid olid bakterites, arheedes ja seentes märkimisväärselt sarnased, mis viitab sellele, et nad kõik vahetasid horisontaalsel ajal külmas olukorras ellujäämise võimet geeniülekanne.
"Need geenid on ellujäämiseks hädavajalikud, kuna neid on leitud kõigist külmaga kohanenud vetikatest ja mitte üheski soojades oludes," ütleb Raymond.
Eukarüootides on veel mitmeid horisontaalse geenisiirde näiteid. Tundub, et ka Antarktika merejääl elavad väikesed koorikloomad on selle oskuse omandanud. Need Stephose pikkatorud võivad elada jää vedelates soolakanalites.
"Välimõõtmised on näidanud, et C. longipes elab ülejahutatud soolvees jää pinnal," ütleb Rainer Kiko, Saksamaa Kieli ülikooli polaarökoloogia instituudi teadlane. "Alajahutus tähendab, et selle vedeliku temperatuur on alla külmumisastme ja sõltub soolsusest."
Ellujäämiseks ja külmumise vältimiseks sisaldavad S. longipes veri ja muud kehavedelikud molekule, mis langetavad külmumispunkti ümbritseva veega kokku sobitamiseks. Samal ajal toodavad koorikloomad mitte külmuvaid valke, mis takistavad jääkristallide teket veres.
Eeldatakse, et see valk saadi ka horisontaalse geeniülekande kaudu.
Kaunil monarhliblikal võib olla ka varastatud geene, kuid seekord parasiitselt herilaselt.
Braconidide perekonna läikiv herilane on tuntud muna koos viirusega viimisega peremeesputukasse. Viiruse DNA häkib peremeesorgani ajju, muutes selle zombiks, mis toimib seejärel herilase muna inkubaatorina. Teadlased on liblikates avastanud drakoniidide geenid, isegi kui need liblikad pole kunagi herilasi kohanud. Arvatakse, et need muudavad liblikad haigustele vastupidavamaks.
Eukarüoodid ei varasta ainult üksikuid geene. Mõnikord on vargused massilised.
Arvatakse, et erkroheline mereelanik Elysia chlorotica on vetikate söömisega omandanud võime fotosünteesida. See merilääts omastab kloroplastid - fotosünteesi teostavad organellid - tervena ja hoiab neid seedenäärmetes. Kui seda surutakse ja vetikaid pole süüa, võib merilõug ellu jääda, kasutades päikesevalguse energiat süsinikdioksiidi ja vee muundamiseks toiduks.
Üks uuring näitab, et merilukud võtavad vetikatest ka geene. Teadlased sisestavad vetikate genoomi fluorestseeruvad DNA markerid, et näha täpselt geenide asukohta. Pärast vetikatega toitmist omandas merilääts geen kloroplasti taastootmiseks.
Samal ajal sisaldavad meie keha rakud pisikesi energiat tootvaid struktuure, mitokondreid, mis erinevad meie ülejäänud raku struktuuridest. Mitokondritel on isegi oma DNA.
On olemas teooria, et mitokondrid eksisteerisid iseseisva eluvormina miljardeid aastaid tagasi, kuid siis hakkasid nad kuidagi esimeste eukarüootide rakkudesse kuuluma - võib-olla neelati mitokondrid alla, kuid neid ei seeditud. Arvatakse, et see sündmus leidis aset umbes 1,5 miljardit aastat tagasi ja oli kõigi kõrgemate eluvormide, taimede ja loomade evolutsiooni peamine verstapost.
Geneetiline varastamine võib olla levinud evolutsiooniline taktika. Lõppude lõpuks laseb ta teistel teie jaoks kogu raske töö teha, kui te sellest kasu lõikate. Teise võimalusena võib horisontaalne geeniülekanne kiirendada juba alanud evolutsiooniprotsessi.
"Organism, kes ei ole kohanenud kuumuse ega happega, tõenäoliselt ei asusta äkki vulkaanilisi basseine lihtsalt seetõttu, et tal on vajalikud geenid," ütleb Scheunknecht. "Kuid evolutsioon on peaaegu alati samm-sammult toimuv protsess ja horisontaalne geeniülekanne võimaldab suuri hüppeid edasi."
ILYA KHEL
