Hva er den mest stabile og sterke livsformen i vår verden? Kakerlakker er kjent for sin vitalitet - mange mennesker er overbevist om at de til og med kunne overleve en atomapokalypse. Tardigrades, eller vannbjørner, er enda mer motstandsdyktige. De kan til og med overleve i verdensrommet. Det er en alge som lever i de kokende sure kildene i Yellowstone nasjonalpark. Rundt det er kaustisk vann, smaksatt med arsen og tungmetaller. For å holde seg i live på dette dødelige stedet brukte hun et uventet triks.
Hva er hennes hemmelighet? Tyveri. Hun stjeler gener for å overleve fra andre livsformer. Og denne taktikken er langt mer vanlig enn man skulle tro.
De fleste levende ting som lever ekstreme steder er encellede organismer - bakterier eller archaea. Disse enkle og eldgamle livsformene har ikke kompleks dyrebiologi, men deres enkelhet er en fordel: de takler mye bedre under ekstreme forhold.
I milliarder av år gjemte de seg på de mest ugjestmilde stedene - dypt under jorden, på bunnen av havet, i permafrost eller i kokende varme kilder. De har kommet langt, utviklet genene sine over millioner eller milliarder år, og nå hjelper de dem med å takle omtrent hva som helst.
Men hva om andre, mer komplekse skapninger bare kunne komme sammen og stjele disse genene? De ville ha oppnådd en evolusjonær bragd. På et blunk ville de ha tilegnet seg genetikken som tillot dem å overleve på ekstreme steder. De ville komme dit uten å gå gjennom millioner av år med kjedelig og slitsom evolusjon som vanligvis kreves for å utvikle disse evnene.
Dette er akkurat hva rødalgen Galdieria sulphuraria gjorde. Den finnes i varme svovelkilder i Italia, Russland, Yellowstone Park i USA og Island.
Kampanjevideo:
Temperaturene i disse varme kildene stiger til 56 grader Celsius. Mens noen bakterier kan leve i bassenger rundt 100 grader, og noen kan takle temperaturer rundt 110 grader, nær dybhavskilder, er det ganske bemerkelsesverdig at eukaryoter er en gruppe mer komplekse livsformer som inkluderer dyr og planter (rødalger - dette anlegget) - kan leve ved en temperatur på 56 grader.
De fleste planter og dyr klarte ikke å takle disse temperaturene, og med god grunn. Varme fører til ødeleggelse av kjemiske bindinger i proteiner, noe som fører til at de kollapser. Dette har en katastrofal effekt på enzymer som katalyserer kroppens kjemiske reaksjoner. Membranene rundt cellen begynner å lekke. Når en viss temperatur når, faller membranen sammen og cellen går i oppløsning.
Enda mer imponerende er imidlertid algenes evne til å tåle et surt miljø. Noen varme kilder har pH-verdier mellom 0 og 1. Positivt ladede hydrogenioner, også kjent som protoner, gjør et stoff surt. Disse ladede protonene forstyrrer proteiner og enzymer i cellene, og forstyrrer kjemiske reaksjoner som er livsviktige.
Temperaturene i disse varme kildene stiger til 56 grader Celsius. Mens noen bakterier kan leve i bassenger rundt 100 grader, og noen kan takle temperaturer rundt 110 grader, nær dybhavskilder, er det ganske bemerkelsesverdig at eukaryoter er en gruppe mer komplekse livsformer som inkluderer dyr og planter (rødalger - dette anlegget) - kan leve ved en temperatur på 56 grader.
De fleste planter og dyr klarte ikke å takle disse temperaturene, og med god grunn. Varme fører til ødeleggelse av kjemiske bindinger i proteiner, noe som fører til at de kollapser. Dette har en katastrofal effekt på enzymer som katalyserer kroppens kjemiske reaksjoner. Membranene rundt cellen begynner å lekke. Når en viss temperatur når, faller membranen sammen og cellen går i oppløsning.
Enda mer imponerende er imidlertid algenes evne til å tåle et surt miljø. Noen varme kilder har pH-verdier mellom 0 og 1. Positivt ladede hydrogenioner, også kjent som protoner, gjør et stoff surt. Disse ladede protonene forstyrrer proteiner og enzymer i cellene, og forstyrrer kjemiske reaksjoner som er livsviktige.
Dette genoverføringsfenomenet er kjent som "horisontal genoverføring". Vanligvis arves livsformer fra foreldre. Hos mennesker er dette nøyaktig tilfelle: du kan spore egenskapene dine langs grenene til slektstreet ditt til de aller første menneskene.
Likevel viser det seg at både nå og da kan "fremmede" gener av helt forskjellige arter inkluderes i DNA. Denne prosessen er vanlig hos bakterier. Noen hevder at dette forekommer selv hos mennesker, selv om det er omstridt.
Når andres DNA anskaffer en ny eier, trenger det ikke å sitte ledig. I stedet kan hun begynne å jobbe med vertsbiologien og oppmuntre henne til å lage nye proteiner. Dette kan gi eieren nye ferdigheter og tillate ham å overleve i nye situasjoner. Vertsorganismen kan legge ut på en helt ny evolusjonær vei.
Totalt identifiserte Schoinknecht 75 stjålne gener fra tang som de lånte fra bakterier eller arkeaer. Ikke alle gener gir alger klare evolusjonære fordeler, og den eksakte funksjonen til mange gener er ukjent. Men mange av dem hjelper Galdieria til å overleve i ekstreme miljøer.
Dens evne til å håndtere giftige kjemikalier som kvikksølv og arsen kommer fra gener som er lånt fra bakterier.
Et av disse genene er ansvarlig for "arsenpumpen" som gjør at alger effektivt kan fjerne arsen fra celler. Andre stjålne gener lar blant annet algene frigjøre giftige metaller mens de utvinner viktige metaller fra miljøet. Andre stjålne gener kontrollerer enzymer som lar alger avgifte metaller som kvikksølv.
Algene har også stjålet gener som gjør at de tåler høye saltkonsentrasjoner. Under normale omstendigheter vil et saltvannsmiljø suge vann ut av cellen og drepe det. Men ved å syntetisere forbindelser inne i cellen for å utjevne det "osmotiske trykket", unngår Galdieria denne skjebnen.
Galdierias evne til å tolerere ekstremt sure varme kilder antas å være på grunn av dens ugjennomtrengelighet for protoner. Med andre ord kan hun bare hindre syre i å komme inn i cellene sine. For å gjøre dette inkluderer det ganske enkelt færre gener som koder for kanaler i cellemembranen som protoner normalt passerer gjennom. Disse kanalene tillater vanligvis positivt ladede partikler, som kalium, å passere gjennom, hvilke celler trenger, men de lar også protoner passere gjennom.
"Tilpasningen til lav pH ser ut til å ha blitt oppnådd ved å fjerne noe membrantransportprotein fra plasmamembranen som ville tillate protoner å komme inn i cellen," sier Scheunknecht. “De fleste eukaryoter har flere kaliumkanaler i plasmamembranene, men Galdieria har bare ett gen som koder for en kaliumkanal. En smalere kanal lar deg takle høy surhet."
Imidlertid gjør disse kaliumkanalene viktig arbeid, de tar opp kalium eller opprettholder en potensiell forskjell mellom cellen og dens omgivelser. Hvordan alger forblir sunne uten kaliumkanaler er fremdeles uklart.
Dessuten er det ingen som vet hvordan algene takler høy varme. Forskere har ikke vært i stand til å identifisere gener som kan forklare denne egenskapen ved hennes biologi.
Bakterier og archaea, som kan leve ved veldig høye temperaturer, har helt forskjellige proteiner og membraner, men algene har gått gjennom mer subtile endringer, sier Scheunknecht. Han mistenker at det endrer stoffskiftet til membranlipider ved forskjellige temperaturøkninger, men vet ennå ikke nøyaktig hvordan dette skjer og hvordan det gjør det mulig å tilpasse seg varmen.
Det er klart at kopiering av gener gir Galdieria en enorm evolusjonær fordel. Mens de fleste av de encellede røde alger relatert til G. sulphuraria lever i vulkanske områder og takler moderat varme og syrer, er det få av slektningene som tåler så mye varme, syre og toksisitet som G. sulphuraria. Noen steder står faktisk denne arten for opptil 80-90% av livet - dette indikerer hvor vanskelig det er for noen andre å kalle huset til G. sulphuraria.
Det gjenstår et mer åpenbart og interessant spørsmål: hvordan stjal alger så mange gener?
Denne algen lever i et miljø som inneholder mange bakterier og arkeaer, så på en måte har den evnen til å stjele gener. Men forskere vet ikke nøyaktig hvordan DNA hoppet fra bakterier til en så annen organisme. For å lykkes med å komme til verten, må DNA først komme inn i cellen, og deretter inn i kjernen - og først deretter innlemme seg i vertens genom.
“De beste gjetningene på dette tidspunktet er at virus kan overføre genetisk materiale fra bakterier og arkea til alger. Men dette er ren spekulasjon, sier Scheinknecht. “Det å komme inn i et bur er kanskje det vanskeligste trinnet. Når du er inne i en celle, er det kanskje ikke så vanskelig å komme inn i kjernen og integrere seg i genomet.
Horisontal genoverføring forekommer ofte i bakterier. Dette er grunnen til at vi har problemer med antibiotikaresistens. Når et resistent gen dukker opp, sprer det seg raskt blant bakterier. Imidlertid ble det antatt at genutveksling forekommer sjeldnere i mer avanserte organismer enn i eukaryoter. Det ble antatt at bakterier har spesielle systemer som tillater dem å akseptere nukleinsyrer, slik som eukaryoter ikke gjør.
Imidlertid er det allerede funnet andre eksempler på avanserte skapninger som stjeler gener for å overleve under ekstreme forhold. Snøalgene Chloromonas brevispina, som lever i snøen og isen i Antarktis, bærer gener som sannsynligvis ble hentet fra bakterier, archaea eller til og med sopp.
Skarpe iskrystaller kan gjennombore og perforere cellemembraner, så skapninger som lever i kaldt klima må finne en måte å bekjempe dette på. En måte er å produsere isbindende proteiner (IBP), som utskilles i en celle som fester seg til is, og stopper veksten av iskrystaller.
James Raymond fra University of Nevada i Las Vegas kartla snøalgenet og fant at genene for isbindende proteiner var bemerkelsesverdig like i bakterier, archaea og sopp, noe som tyder på at de alle byttet ut evnen til å overleve under kalde forhold under horisontal genoverføring.
"Disse genene er essensielle for å overleve, ettersom de har blitt funnet i alle kaldt tilpassede alger og ingen i varme forhold," sier Raymond.
Det er flere andre eksempler på horisontal genoverføring i eukaryoter. Små krepsdyr som lever i Antarktis havis ser ut til å ha tilegnet seg denne ferdigheten også. Disse Stephos longipes kan leve i flytende saltkanaler i is.
"Feltmålinger har vist at C. longipes lever i superkjølte saltlake på isens overflate," sier Rainer Kiko, en forsker ved Institutt for polarøkologi ved Universitetet i Kiel i Tyskland. "Underkjølt betyr at temperaturen på denne væsken er under frysepunktet og avhenger av saltholdighet."
For å overleve og forhindre frysing inneholder S. longipes blod og andre kroppsvæsker molekyler som senker frysepunktet for å matche det omkringliggende vannet. Samtidig produserer krepsdyr proteiner som ikke fryser som forhindrer at iskrystaller dannes i blodet.
Det antas at dette proteinet også ble oppnådd gjennom horisontal genoverføring.
Den vakre monarksommerfuglen kan også ha stjålet gener, men denne gangen fra en parasittisk veps.
Den glansfulle vepsen fra Braconid-familien er kjent for å introdusere et egg sammen med et virus i et vertsinsekt. Virusens DNA hakker seg inn i vertshjernen og gjør det til en zombie, som deretter fungerer som en inkubator for vepsens egg. Forskere har oppdaget genene til drakonider i sommerfugler, selv om disse sommerfuglene aldri har møtt veps. De antas å gjøre sommerfugler mer motstandsdyktige mot sykdommer.
Eukaryoter stjeler ikke bare individuelle gener. Noen ganger er tyverier enorme.
Det lysegrønne marine livet Elysia chlorotica antas å ha fått muligheten til å fotosyntetisere ved å spise alger. Denne sjøproppen inntar kloroplaster - organeller som utfører fotosyntese - hele og lagrer dem i fordøyelseskjertlene. Når det presses og det ikke er noen alger å spise, kan sjøproppen overleve ved å bruke sollysens energi til å omdanne karbondioksid og vann til mat.
En undersøkelse viser at sjøpropper også tar gener fra alger. Forskere setter inn fluorescerende DNA-markører i alggenomet for å se nøyaktig hvor genene var. Etter å ha matet på alger, fikk sjøproppen et gen for kloroplastregenerering.
Samtidig inneholder cellene i kroppen vår små energiproduserende strukturer, mitokondrier, som er forskjellige fra resten av våre mobilstrukturer. Mitokondrier har til og med sitt eget DNA.
Det er en teori om at mitokondrier eksisterte som uavhengige livsformer for milliarder av år siden, men så begynte de på en eller annen måte å bli inkludert i cellene til de første eukaryotene - kanskje mitokondriene ble svelget, men ikke fordøyd. Denne hendelsen antas å ha skjedd for rundt 1,5 milliarder år siden og var en viktig milepæl i utviklingen av alle høyere livsformer, planter og dyr.
Gener som stjeler kan være en ganske vanlig evolusjonær taktikk. Tross alt lar hun andre gjøre alt det harde arbeidet for deg mens du høster fordelene. Alternativt kan horisontal genoverføring akselerere en evolusjonær prosess som allerede har begynt.
"En organisme som ikke har tilpasset seg varme eller syre, vil sannsynligvis ikke plutselig fylle vulkanske bassenger bare fordi den har genene den trenger," sier Scheunknecht. "Men evolusjon er nesten alltid en trinnvis prosess, og horisontal genoverføring gir store sprang fremover."
ILYA KHEL
