Kokia yra stabiliausia ir stipriausia gyvenimo forma mūsų pasaulyje? Tarakonai garsėja savo gyvybingumu - daugelis žmonių įsitikinę, kad jie netgi galėtų išgyventi branduolinę apokalipsę. Tardigrades arba vandens lokiai yra dar atsparesni. Jie netgi gali išgyventi kosmose. Jeloustouno nacionaliniame parke verdančiuose rūgščiuose šaltiniuose gyvena vienas dumblis. Aplink jį yra kaustinis vanduo, pagardintas arsenu ir sunkiaisiais metalais. Kad liktų gyva šioje mirtinoje vietoje, ji panaudojo netikėtą triuką.
Kokia jos paslaptis? Vagystė. Ji vagia išgyvenimo genus iš kitų gyvybės formų. Ir ši taktika yra kur kas dažnesnė, nei galima pagalvoti.
Dauguma gyvų dalykų, gyvenančių ekstremaliose vietose, yra vienaląsčiai organizmai - bakterijos ar archėjos. Šios paprastos ir senovės gyvybės formos neturi sudėtingos gyvūnų biologijos, tačiau jų paprastumas yra privalumas: jos daug geriau susidoroja su ekstremaliomis sąlygomis.
Milijardus metų jie slapstėsi nesvetingiausiose vietose - giliai po žeme, vandenyno dugne, amžino įšalo ar verdančiuose karštuose šaltiniuose. Jie nuėjo ilgą kelią, per milijonus ar milijardus metų tobulino savo genus, o dabar jie padeda susidoroti su bet kuo.
Bet kas, jei kiti, sudėtingesni padarai galėtų tiesiog ateiti ir pavogti tuos genus? Jie būtų įvykdę evoliucinį žygdarbį. Vienu ypu jie būtų įgiję genetiką, leidusią jiems išgyventi ekstremaliose vietose. Jie ten patektų neišgyvenę milijonų metų varginančios ir sunkios evoliucijos, kuri paprastai reikalinga šiems gebėjimams lavinti.
Būtent tai padarė raudonoji dumblė Galdieria sulfuraria. Jį galima rasti karštose sieros šaltiniuose Italijoje, Rusijoje, Jeloustouno parke JAV ir Islandijoje.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Šių karštųjų versmių temperatūra pakyla iki 56 laipsnių šilumos. Nors kai kurios bakterijos gali gyventi baseinuose esant maždaug 100 laipsnių temperatūrai, o kai kurios gali susidoroti su maždaug 110 laipsnių temperatūra, netoli giliavandenių šaltinių, nepaprastai nuostabu, kad eukariotai yra sudėtingesnių gyvybės formų grupė, apimanti gyvūnus ir augalus (raudonieji dumbliai - šis augalas) - gali gyventi 56 laipsnių temperatūroje.
Dauguma augalų ir gyvūnų nepajėgtų susidoroti su šia temperatūra ir dėl geros priežasties. Šiluma lemia cheminių ryšių baltymuose sunaikinimą, dėl kurio jie žlunga. Tai turi katastrofišką poveikį fermentams, kurie katalizuoja organizmo chemines reakcijas. Ląstelę supančios membranos pradeda tekėti. Pasiekus tam tikrą temperatūrą, membrana subliūkšta ir ląstelė suyra.
Tačiau dar įspūdingesnis yra dumblių gebėjimas toleruoti rūgščią aplinką. Kai kurių karštųjų versmių pH yra nuo 0 iki 1. Teigiamai įkrauti vandenilio jonai, dar vadinami protonais, daro medžiagą rūgštinę. Šie įelektrinti protonai trukdo baltymams ir fermentams ląstelių viduje, suardydami gyvybiškai svarbias chemines reakcijas.
Šių karštųjų versmių temperatūra pakyla iki 56 laipsnių šilumos. Nors kai kurios bakterijos gali gyventi baseinuose esant maždaug 100 laipsnių temperatūrai, o kai kurios gali susidoroti su maždaug 110 laipsnių temperatūra, netoli giliavandenių šaltinių, nepaprastai nuostabu, kad eukariotai yra sudėtingesnių gyvybės formų grupė, apimanti gyvūnus ir augalus (raudonieji dumbliai - šis augalas) - gali gyventi 56 laipsnių temperatūroje.
Dauguma augalų ir gyvūnų nepajėgtų susidoroti su šia temperatūra ir dėl geros priežasties. Šiluma lemia cheminių ryšių baltymuose sunaikinimą, dėl kurio jie žlunga. Tai turi katastrofišką poveikį fermentams, kurie katalizuoja organizmo chemines reakcijas. Ląstelę supančios membranos pradeda tekėti. Pasiekus tam tikrą temperatūrą, membrana subliūkšta ir ląstelė suyra.
Tačiau dar įspūdingesnis yra dumblių gebėjimas toleruoti rūgščią aplinką. Kai kurių karštųjų versmių pH yra nuo 0 iki 1. Teigiamai įkrauti vandenilio jonai, dar vadinami protonais, daro medžiagą rūgštinę. Šie įelektrinti protonai trukdo baltymams ir fermentams ląstelių viduje, suardydami gyvybiškai svarbias chemines reakcijas.
Šis genų perkėlimo reiškinys yra žinomas kaip „horizontalus genų perkėlimas“. Paprastai gyvybės formos genai yra paveldimi iš tėvų. Žmonėse tai yra būtent tas atvejis: jūs galite atsekti savo ypatybes palei savo šeimos medžio šakas iki pat pirmųjų žmonių.
Nepaisant to, paaiškėja, kad ir dabar, ir tada į DNR galima įtraukti visiškai kitokių rūšių „ateivių“genus. Šis procesas būdingas bakterijoms. Kai kurie teigia, kad tai pasitaiko net žmonėms, nors ir ginčijamasi.
Kai kažkieno DNR įgyja naują savininką, jai nereikia sėdėti be darbo. Vietoj to, ji gali pradėti dirbti su šeimininko biologija, skatinti ją kurti naujus baltymus. Tai gali suteikti savininkui naujų įgūdžių ir leisti išgyventi naujose situacijose. Organizmas-šeimininkas gali pradėti visiškai naują evoliucijos kelią.
Iš viso Schoinknechtas nustatė 75 pavogtus jūros dumblių genus, kuriuos pasiskolino iš bakterijų ar archėjų. Ne visi genai dumbliams suteikia aiškų evoliucinį pranašumą, o tiksli daugelio genų funkcija nežinoma. Tačiau daugelis jų padeda Galdieriai išgyventi ekstremalioje aplinkoje.
Jo gebėjimas susidoroti su toksiškomis cheminėmis medžiagomis, tokiomis kaip gyvsidabris ir arsenas, atsiranda iš genų, pasiskolintų iš bakterijų.
Vienas iš šių genų yra atsakingas už „arseno pompa“, leidžiančią dumbliams efektyviai pašalinti arseną iš ląstelių. Kiti pavogti genai, be kita ko, leidžia dumbliams išskirti toksiškus metalus, o iš aplinkos išskiria svarbius metalus. Kiti pavogti genai kontroliuoja fermentus, kurie leidžia dumbliams detoksikuoti metalus, tokius kaip gyvsidabris.
Dumbliai taip pat pavogė genus, leidžiančius atlaikyti didelę druskos koncentraciją. Esant normalioms aplinkoms, druskinga aplinka iš ląstelės išsiurbs vandenį ir jį nužudys. Sintetindamas junginius ląstelės viduje, kad išlygintų „osmosinį slėgį“, Galdieria išvengia šio likimo.
Manoma, kad Galdieria gebėjimą toleruoti ypač rūgščias karštas versmes lemia jos nepralaidumas protonams. Kitaip tariant, ji gali tiesiog užkirsti kelią rūgščiai patekti į jos ląsteles. Norėdami tai padaryti, jis paprasčiausiai apima mažiau genų, kurie koduoja kanalų ląstelės membranoje, per kuriuos protonai paprastai praeina. Šie kanalai paprastai leidžia praeiti teigiamai įkrautoms dalelėms, tokioms kaip kalis, ko reikia ląstelėms, tačiau jie taip pat leidžia praeiti pro protonus.
„Panašu, kad prisitaikymas prie mažo pH buvo atliktas pašalinus iš plazmos membranos membranos transportavimo baltymą, kuris leistų protonams patekti į ląstelę“, - sako Scheunknechtas. „Daugumos eukariotų plazmos membranose yra keli kalio kanalai, tačiau Galdieria turi tik vieną geną, kuris koduoja kalio kanalą. Siauresnis kanalas leidžia susidoroti su dideliu rūgštingumu “.
Tačiau šie kalio kanalai atlieka svarbų darbą, jie pasisavina kalį arba palaiko potencialų skirtumą tarp ląstelės ir jos aplinkos. Kaip dumbliai išlieka sveiki be kalio kanalų, dar nėra aišku.
Be to, niekas nežino, kaip dumbliai susidoroja su dideliu karščiu. Mokslininkams nepavyko nustatyti genų, kurie paaiškintų šį konkretų jos biologijos bruožą.
Bakterijos ir archėjos, kurios gali gyventi labai aukštoje temperatūroje, turi visiškai skirtingus baltymus ir membranas, tačiau dumbliai išgyveno subtilesnius pokyčius, sako Scheunknechtas. Jis įtaria, kad esant skirtingai temperatūros padidėjimui, keičia membranos lipidų apykaitą, tačiau dar tiksliai nežino, kaip tai vyksta ir kaip tai leidžia prisitaikyti prie šilumos.
Akivaizdu, kad genų kopijavimas suteikia didžiulį evoliucinį pranašumą Galdieria. Nors dauguma vienaląsčių raudonųjų dumblių, susijusių su G. sulfuraria, gyvena vulkaninėse zonose ir susiduria su vidutine šiluma bei rūgštimis, nedaugelis jo giminaičių gali atlaikyti tiek karščio, rūgščių ir toksiškumo, kiek G. sulfuraria. Tiesą sakant, kai kur ši rūšis užima 80–90% viso gyvenimo - tai rodo, kaip sunku kam nors kitam vadinti G. sulphuraria namą.
Lieka dar vienas akivaizdus ir įdomus klausimas: kaip dumbliai pavogė tiek daug genų?
Ši dumblė gyvena aplinkoje, kurioje yra daug bakterijų ir archėjų, todėl tam tikra prasme ji turi galimybę pavogti genus. Tačiau mokslininkai tiksliai nežino, kaip DNR šoko iš bakterijų į tokį skirtingą organizmą. Norint sėkmingai patekti į šeimininką, DNR pirmiausia turi patekti į ląstelę, o po to į branduolį - ir tik tada įsitraukti į šeimininko genomą.
„Šiuo metu geriausi spėjimai yra tai, kad virusai gali pernešti genetinę medžiagą iš bakterijų ir archejų į dumblius. Bet tai yra gryna spekuliacija “, - sako Scheinknechtas. „Gal patekti į narvą yra sunkiausias žingsnis. Patekus į ląstelę, patekti į branduolį ir integruotis į genomą gali būti ne taip sunku.
Bakterijose dažnai vyksta horizontalus genų perkėlimas. Štai kodėl turime problemų dėl atsparumo antibiotikams. Atsiradus atspariam genui, jis greitai plinta tarp bakterijų. Tačiau buvo manoma, kad labiau pažengusiuose organizmuose genai keičiasi rečiau nei eukariotuose. Buvo tikima, kad bakterijos turi specialias sistemas, leidžiančias priimti nukleorūgštis, tokių kaip eukariotai.
Tačiau jau buvo rasti kiti pažangių būtybių pavyzdžiai, kurie vagia genus, kad išgyventų ekstremaliomis sąlygomis. Antarktidos sniege ir lede gyvenanti sniego dumblių rūšis Chloromonas brevispina neša genus, kurie greičiausiai buvo paimti iš bakterijų, archėjų ar net grybų.
Aštrūs ledo kristalai gali perverti ir perforuoti ląstelių membranas, todėl šaltame klimate gyvenančios būtybės turi rasti būdą, kaip su tuo kovoti. Vienas iš būdų yra gaminti ledą surišančius baltymus (IBP), kurie išsiskiria ląstelėje, kuri prilimpa prie ledo, sustabdydama ledo kristalų augimą.
Jamesas Raymondas iš Nevados universiteto Las Vegase nustatė sniego dumblių genomą ir nustatė, kad ledą surišančių baltymų genai yra nepaprastai panašūs bakterijose, archėjose ir grybuose, o tai rodo, kad jie visi pasikeitė gebėjimu išgyventi šaltomis sąlygomis horizontaliai. genų perkėlimas.
„Šie genai yra būtini išgyvenimui, nes jų buvo kiekviename šaltį toleruojančiame dumblyje, o šiltuose - nė vieno“, - sako Raymondas.
Yra keletas kitų horizontalaus genų perkėlimo eukariotuose pavyzdžių. Atrodo, kad ir Antarkties jūros lede gyvenantys maži vėžiagyviai įgijo šį įgūdį. Šie „Stephos“ilgakojai gali gyventi skystuose druskos kanaluose lede.
„Lauko matavimai parodė, kad C. longipes gyvena per daug atvėsintuose sūrymuose ant ledo paviršiaus“, - sako Raineris Kiko, mokslininkas iš Kylio universiteto (Vokietija) Polinės ekologijos instituto. "Peršaldytas reiškia, kad šio skysčio temperatūra yra žemesnė nei užšalimo temperatūra ir priklauso nuo druskingumo."
Kad išgyventų ir nesušaltų, S. longipes kraujyje ir kituose kūno skysčiuose yra molekulių, kurios sumažina užšalimo tašką, kad atitiktų aplinkinį vandenį. Tuo pačiu metu vėžiagyviai gamina neužšąlančius baltymus, kurie neleidžia ledo kristalams susidaryti kraujyje.
Manoma, kad šis baltymas taip pat buvo gautas perduodant horizontalųjį geną.
Gražus monarcho drugelis taip pat gali turėti pavogtų genų, tačiau šį kartą iš parazitinės vapsvos.
Blizganti Braconid šeimos vapsva yra žinoma dėl to, kad į vabzdį-šeimininką įnešė kiaušinį kartu su virusu. Viruso DNR įsilaužia į šeimininko smegenis, paversdamas jį zombiu, kuris tada veikia kaip vapsvos kiaušinio inkubatorius. Mokslininkai drugeliuose atrado drakonidų genus, net jei šie drugiai dar niekada nebuvo sutikę vapsvų. Manoma, kad jie daro drugelius atsparesnius ligoms.
Eukariotai vagia ne tik atskirus genus. Kartais vagystės būna didžiulės.
Manoma, kad ryškiai žalios spalvos jūrų gyventoja Elysia chlorotica sugebėjo fotosintezuoti valgant dumblius. Šis jūros šliužas suvalgo chloroplastus - fotosintezę atliekančius organelius - ir saugo juos virškinimo liaukose. Paspaudus ir dumblių valgyti nėra, jūros šliužas gali išgyventi panaudodamas saulės spindulių energiją anglies dvideginiui ir vandeniui paversti maistu.
Vienas tyrimas rodo, kad jūros šliužai taip pat perima dumblių genus. Mokslininkai į dumblių genomą įterpia fluorescuojančius DNR žymenis, kad tiksliai pamatytų, kur yra genai. Po šėrimo dumbliais jūros šliužas įgijo chloroplastų regeneracijos geną.
Tuo pat metu mūsų kūno ląstelėse yra mažos energiją gaminančios struktūros - mitochondrijos, kurios skiriasi nuo likusių mūsų ląstelių struktūrų. Mitochondrijos netgi turi savo DNR.
Yra teorija, kad mitochondrijos egzistavo kaip savarankiškos gyvybės formos prieš milijardus metų, bet tada kažkaip jos buvo pradėtos įtraukti į pirmųjų eukariotų ląsteles - galbūt mitochondrijos buvo prarytos, bet nesuvirškintos. Manoma, kad šis įvykis įvyko maždaug prieš 1,5 milijardo metų ir buvo pagrindinis visų aukštesnių gyvybės formų, augalų ir gyvūnų evoliucijos etapas.
Genų vagystės gali būti gana įprasta evoliucijos taktika. Galų gale, ji leidžia kitiems atlikti visą sunkų darbą už jus, kol jūs gaunate naudos. Arba horizontalus genų perkėlimas gali pagreitinti jau prasidėjusį evoliucijos procesą.
„Vargu ar organizmas, kuris nėra prisitaikęs prie šilumos ar rūgšties, staiga apgyvendins vulkaninius baseinus vien dėl to, kad turi reikiamus genus“, - sako Scheunknechtas. - Tačiau evoliucija beveik visada yra žingsnis po žingsnio, o horizontalus genų perkėlimas leidžia daryti didelius šuolius į priekį.
ILYA KHEL