Jaká je nejstabilnější a nejsilnější forma života v našem světě? Švábi jsou známí svou vitalitou - mnoho lidí je přesvědčeno, že by dokonce mohli přežít jadernou apokalypsu. Tardigradové neboli vodní medvědi jsou ještě odolnější. Mohou dokonce přežít ve vesmíru. Ve vroucích kyselých pramenech Yellowstonského národního parku žije jedna řasa. Kolem je žíravá voda ochucená arzenem a těžkými kovy. Aby na tomto smrtelném místě zůstala naživu, použila nečekaný trik.
Jaké je její tajemství? Krádež. Kradne geny pro přežití z jiných forem života. A tato taktika je mnohem častější, než by si člověk myslel.
Většina živých tvorů, kteří žijí na extrémních místech, jsou jednobuněčné organismy - bakterie nebo archea. Tyto jednoduché a staré formy života nemají složitou biologii zvířat, ale jejich jednoduchost je výhodou: mnohem lépe se vyrovnávají s extrémními podmínkami.
Po miliardy let se schovávali na nejnepříznivějších místech - hluboko v podzemí, na dně oceánu, v permafrostu nebo ve vroucích horkých pramenech. Ušli dlouhou cestu, vyvíjeli své geny za miliony nebo miliardy let a nyní jim pomáhají zvládnout téměř cokoli.
Ale co když by mohla přijít jiná a složitější stvoření a ukrást tyto geny? Dokázali by evoluční výkon. Jediným zásahem by získali genetiku, která jim umožnila přežít na extrémních místech. Dostali by se tam, aniž by prošli miliony let zdlouhavého a namáhavého vývoje, který je obvykle nutný k rozvoji těchto schopností.
Přesně to udělala červená řasa Galdieria sulphuraria. Nachází se v horkých sirných pramenech v Itálii, Rusku, Yellowstonském parku ve Spojených státech a na Islandu.
Propagační video:
Teploty v těchto horkých pramenech stoupají na 56 stupňů Celsia. Zatímco některé bakterie mohou žít v bazénech kolem 100 stupňů a některé si poradí s teplotami kolem 110 stupňů, v blízkosti hlubinných pramenů, je pozoruhodné, že eukaryoty jsou skupinou složitějších forem života, které zahrnují zvířata a rostliny (červené řasy - tato rostlina) - může žít při teplotě 56 stupňů.
Většina rostlin a zvířat by tyto teploty nezvládla, a to z dobrého důvodu. Teplo vede ke zničení chemických vazeb v proteinech, což vede k jejich zhroucení. To má katastrofální účinek na enzymy, které katalyzují chemické reakce těla. Membrány obklopující buňku začnou prosakovat. Po dosažení určité teploty se membrána zhroutí a buňka se rozpadne.
Ještě působivější je však schopnost řas snášet kyselé prostředí. Některé horké prameny mají hodnoty pH mezi 0 a 1. Pozitivně nabité vodíkové ionty, známé také jako protony, způsobují, že látka je kyselá. Tyto nabité protony interferují s bílkovinami a enzymy uvnitř buněk a narušují chemické reakce životně důležité.
Teploty v těchto horkých pramenech stoupají na 56 stupňů Celsia. Zatímco některé bakterie mohou žít v bazénech kolem 100 stupňů a některé si poradí s teplotami kolem 110 stupňů, v blízkosti hlubinných pramenů, je pozoruhodné, že eukaryoty jsou skupinou složitějších forem života, které zahrnují zvířata a rostliny (červené řasy - tato rostlina) - může žít při teplotě 56 stupňů.
Většina rostlin a zvířat by tyto teploty nezvládla, a to z dobrého důvodu. Teplo vede ke zničení chemických vazeb v proteinech, což vede k jejich zhroucení. To má katastrofální účinek na enzymy, které katalyzují chemické reakce těla. Membrány obklopující buňku začnou prosakovat. Po dosažení určité teploty se membrána zhroutí a buňka se rozpadne.
Ještě působivější je však schopnost řas snášet kyselé prostředí. Některé horké prameny mají hodnoty pH mezi 0 a 1. Pozitivně nabité vodíkové ionty, známé také jako protony, způsobují, že látka je kyselá. Tyto nabité protony interferují s bílkovinami a enzymy uvnitř buněk a narušují chemické reakce životně důležité.
Tento fenomén přenosu genů je známý jako „horizontální přenos genů“. Typicky jsou geny lifeform zděděny od rodičů. U lidí je to přesně tento případ: své vlastnosti můžete sledovat podél větví svého rodokmenu až k úplně prvním lidem.
Ukázalo se však, že do DNA mohou být zahrnuty i „cizí“geny zcela odlišných druhů. Tento proces je u bakterií běžný. Někteří tvrdí, že k tomu dochází iu lidí, i když je to sporné.
Když DNA někoho jiného získá nového majitele, nemusí jen tak nečinně sedět. Místo toho může začít pracovat na biologii hostitele a povzbuzovat ji k vytváření nových proteinů. To může dát majiteli nové dovednosti a umožnit mu přežít v nových situacích. Hostitelský organismus se může vydat zcela novou evoluční cestou.
Celkově Schoinknecht identifikoval 75 ukradených genů z mořských řas, které si vypůjčil od bakterií nebo archea. Ne všechny geny dávají řasám jasnou evoluční výhodu a přesná funkce mnoha genů není známa. Ale mnoho z nich pomáhá Galdierii přežít v extrémním prostředí.
Jeho schopnost vypořádat se s toxickými chemikáliemi, jako je rtuť a arsen, pochází z genů vypůjčených z bakterií.
Jeden z těchto genů je zodpovědný za „pumpu arsenu“, která umožňuje řasám účinně odstraňovat arsen z buněk. Jiné ukradené geny mimo jiné umožňují řasám vylučovat toxické kovy a extrahovat důležité kovy z prostředí. Jiné ukradené geny kontrolují enzymy, které umožňují řasám detoxikovat kovy, jako je rtuť.
Řasy také ukradly geny, které jim umožňují snášet vysoké koncentrace solí. Za normálních okolností bude solné prostředí vysávat vodu z buňky a zabíjet ji. Ale syntézou sloučenin uvnitř buňky k vyrovnání „osmotického tlaku“se Galdieria tomuto osudu vyhýbá.
Schopnost Galdierie tolerovat extrémně kyselé horké prameny je považována za důsledek její nepropustnosti pro protony. Jinými slovy, může jednoduše zabránit kyselině ve vstupu do jejích buněk. K tomu jednoduše obsahuje méně genů, které kódují kanály v buněčné membráně, kterými protony normálně procházejí. Tyto kanály obvykle umožňují průchod kladně nabitých částic, jako je draslík, které buňky potřebují, ale také umožňují průchod protonů.
"Zdá se, že adaptace na nízké pH byla provedena odstraněním jakéhokoli membránového transportního proteinu z plazmatické membrány, který by umožňoval protonům vstup do buňky," říká Scheunknecht. "Většina eukaryot má ve své plazmatické membráně více draslíkových kanálů, ale Galdieria má pouze jeden gen, který kóduje draslíkový kanál." Užší kanál vám umožní vyrovnat se s vysokou kyselostí. “
Tyto draslíkové kanály však dělají důležitou práci, přijímají draslík nebo udržují potenciální rozdíl mezi buňkou a okolním prostředím. Jak řasy zůstávají zdravé bez draslíkových kanálů, zatím není jasné.
Nikdo také neví, jak se řasy vyrovnávají s vysokou teplotou. Vědci nebyli schopni identifikovat geny, které by vysvětlovaly tento konkrétní rys její biologie.
Bakterie a archea, které mohou žít při velmi vysokých teplotách, mají zcela odlišné proteiny a membrány, ale řasy prošly jemnějšími změnami, říká Scheunknecht. Má podezření, že mění metabolismus membránových lipidů při různém zvyšování teploty, ale zatím přesně neví, jak k tomu dochází a jak mu umožňuje přizpůsobit se teplu.
Je jasné, že kopírování genů dává Galdierii obrovskou evoluční výhodu. Zatímco většina jednobuněčných červených řas příbuzných G. sulphuraria žije ve vulkanických oblastech a snáší mírné teplo a kyseliny, jen málo z jeho příbuzných vydrží tolik tepla, kyselin a toxicity jako G. sulphuraria. Ve skutečnosti na některých místech tento druh představuje až 80-90% života - to naznačuje, jak těžké je někomu jinému říkat dům G. sulphuraria jejich.
Zůstává ještě jedna zřejmá a zajímavá otázka: jak řasy ukradly tolik genů?
Tato řasa žije v prostředí, které obsahuje mnoho bakterií a archea, takže v jistém smyslu má schopnost krást geny. Vědci však přesně nevědí, jak DNA skočila z bakterií do tak odlišného organismu. Aby se DNA úspěšně dostala k hostiteli, musí se nejprve dostat do buňky a poté do jádra - a teprve poté se včlenit do genomu hostitele.
"Nejlepší odhady v této době jsou, že viry mohou přenášet genetický materiál z bakterií a archea do řas." Ale to je čistá spekulace, “říká Scheunknecht. "Možná je nejtěžší krok dostat se do klece." Jakmile se dostanete do buňky, dostat se do jádra a integrovat se do genomu nemusí být tak obtížné.
Horizontální přenos genů se často vyskytuje u bakterií. Proto máme problémy s odolností vůči antibiotikům. Jakmile se objeví rezistentní gen, rychle se šíří mezi bakteriemi. Věřilo se však, že k genové výměně dochází u pokročilejších organismů méně často než u eukaryot. Věřilo se, že bakterie mají speciální systémy, které jim umožňují přijímat nukleové kyseliny, jako je tomu u eukaryot.
Byly však již nalezeny další příklady pokročilých tvorů, kteří kradou geny, aby přežili v extrémních podmínkách. Druh sněhových řas Chloromonas brevispina, který žije ve sněhu a ledu Antarktidy, nese geny, které byly pravděpodobně získány z bakterií, archaeí nebo dokonce hub.
Ostré ledové krystaly mohou prorazit a perforovat buněčné membrány, takže tvorové žijící v chladném podnebí musí najít způsob, jak proti tomu bojovat. Jedním ze způsobů je produkce proteinů vázajících led (IBP), které se vylučují v buňce, která lpí na ledu a zastavuje růst ledových krystalů.
James Raymond z University of Nevada v Las Vegas zmapoval genom sněhových řas a zjistil, že geny pro proteiny vázající led jsou v bakteriích, archaeách a houbách pozoruhodně podobné, což naznačuje, že si všichni vyměnili schopnost přežít v chladných podmínkách během horizontální genový přenos.
"Tyto geny jsou nezbytné pro přežití, protože byly nalezeny ve všech řasách odolných vůči chladu a žádné v teplých podmínkách," říká Raymond.
Existuje několik dalších příkladů horizontálního přenosu genů u eukaryot. Zdá se, že tuto dovednost získali i malí korýši žijící v mořském ledu v Antarktidě. Tyto Stephos longipes mohou žít v tekutých solných kanálech v ledu.
"Terénní měření ukázala, že C. longipes žijí v podchlazených solankách na povrchu ledu," říká Rainer Kiko, vědec z Institutu pro polární ekologii na univerzitě v Kielu v Německu. „Podchlazení znamená, že teplota této kapaliny je pod bodem mrazu a závisí na slanosti.“
Aby přežil a zabránil zamrznutí, obsahuje S. longipes krev a další tělesné tekutiny molekuly, které snižují bod tuhnutí tak, aby odpovídaly okolní vodě. Korýši zároveň produkují nemrznoucí bílkoviny, které zabraňují tvorbě ledových krystalů v krvi.
Předpokládá se, že tento protein byl také získán horizontálním přenosem genů.
Krásný motýl monarchy možná také ukradl geny, ale tentokrát od parazitické vosy.
Lesklá vosa z rodiny Braconid je známá tím, že zavádí vajíčko spolu s virem do hostitelského hmyzu. DNA viru pronikla do mozku hostitele a proměnila ho v zombie, které pak funguje jako inkubátor pro vosí vejce. Vědci objevili geny drakoidů u motýlů, i když se tito motýli s vosami nikdy nesetkali. Předpokládá se, že zvyšují odolnost motýlů vůči chorobám.
Eukaryoty nejen kradou jednotlivé geny. Někdy jsou krádeže masivní.
Předpokládá se, že jasně zelený mořský obyvatel Elysia chlorotica získal schopnost fotosyntézy konzumací řas. Tento mořský slimák pohlcuje chloroplasty - organely, které provádějí fotosyntézu - celé a ukládá je v zažívacích žlázách. Když je mořský slimák stisknutý a není zde k jídlu žádné řasy, může přežít pomocí energie ze slunečního světla k přeměně oxidu uhličitého a vody na jídlo.
Jedna studie ukazuje, že mořské slimáky také berou geny z řas. Vědci vkládají fluorescenční markery DNA do genomu řas, aby přesně viděli, kde jsou geny. Po krmení řasami získal mořský slimák gen pro regeneraci chloroplastů.
Buňky v našem těle zároveň obsahují malé struktury produkující energii, mitochondrie, které se liší od zbytku našich buněčných struktur. Mitochondrie mají dokonce vlastní DNA.
Existuje teorie, že mitochondrie existovaly jako nezávislé formy života před miliardami let, ale pak se nějak začaly začleňovat do buněk prvních eukaryot - možná byly mitochondrie spolknuty, ale ne stráveny. Předpokládá se, že k této události došlo před asi 1,5 miliardami let a byla klíčovým milníkem ve vývoji všech vyšších forem života, rostlin a zvířat.
Krádež genů může být docela běžnou evoluční taktikou. Koneckonců, nechává ostatní dělat za vás veškerou tvrdou práci, zatímco vy budete těžit z výhod. Alternativně může horizontální přenos genů urychlit již zahájený evoluční proces.
"Organismus, který se nepřizpůsobil teplu nebo kyselinám, pravděpodobně nenaplní vulkanické bazény jednoduše proto, že má geny, které potřebuje," říká Scheunknecht. „Ale evoluce je téměř vždy procesem krok za krokem a horizontální přenos genů umožňuje velké skoky vpřed.“
ILYA KHEL