Care este cea mai stabilă și puternică formă de viață din lumea noastră? Gândacii sunt renumiți pentru vitalitatea lor - mulți oameni sunt convinși că ar putea chiar supraviețui unei apocalipse nucleare. Tardigradele sau urșii de apă sunt chiar mai rezistenți. Pot chiar supraviețui în spațiu. Există o algă care trăiește în izvoarele acre fierbinți din Parcul Național Yellowstone. În jurul său este apă caustică, aromată cu arsenic și metale grele. Pentru a rămâne în viață în acest loc mortal, ea a folosit un truc neașteptat.
Care este secretul ei? Furt. Fură gene pentru supraviețuire din alte forme de viață. Și această tactică este mult mai comună decât s-ar putea crede.
Majoritatea ființelor vii care trăiesc în locuri extreme sunt organisme unicelulare - bacterii sau arhee. Aceste forme de viață simple și antice nu au biologie animală complexă, dar simplitatea lor este un avantaj: fac față mult mai bine condițiilor extreme.
Timp de miliarde de ani, s-au ascuns în cele mai inospitaliere locuri - adânc sub pământ, la fundul oceanului, în permafrost sau în izvoare fierbinți. Au parcurs un drum lung, evoluându-și genele de-a lungul a milioane sau miliarde de ani, iar acum îi ajută să facă față cu aproape orice.
Dar dacă alte creaturi mai complexe ar putea să vină și să fure acele gene? Ar fi realizat o ispravă evolutivă. Dintr-o singură lovitură, ar fi dobândit genetica care le-ar fi permis să supraviețuiască în locuri extreme. Ar ajunge acolo fără să treacă prin milioanele de ani de evoluție obositoare și dificilă, care este de obicei necesară pentru a dezvolta aceste abilități.
Exact asta a făcut alga roșie Galdieria sulphuraria. Poate fi găsit în izvoarele fierbinți de sulf din Italia, Rusia, Yellowstone Park din Statele Unite și Islanda.
Video promotional:
Temperaturile din aceste izvoare termale cresc până la 56 de grade Celsius. În timp ce unele bacterii pot trăi în bazine la aproximativ 100 de grade, iar unele pot face față temperaturilor de aproximativ 110 grade, aproape de izvoarele de adâncime, este destul de remarcabil faptul că eucariotele sunt un grup de forme de viață mai complexe care includ animale și plante această plantă) - poate trăi la o temperatură de 56 de grade.
Majoritatea plantelor și animalelor nu ar fi capabile să facă față acestor temperaturi și din motive întemeiate. Căldura duce la distrugerea legăturilor chimice din proteine, ceea ce duce la prăbușirea lor. Acest lucru are un efect catastrofal asupra enzimelor care catalizează reacțiile chimice ale organismului. Membranele care înconjoară celula încep să se scurgă. La atingerea unei anumite temperaturi, membrana se prăbușește și celula se dezintegrează.
Cu toate acestea, și mai impresionantă este capacitatea algelor de a tolera un mediu acid. Unele izvoare termale au valori de pH cuprinse între 0 și 1. Ionii de hidrogen încărcați pozitiv, cunoscuți și sub numele de protoni, fac ca o substanță să fie acidă. Acești protoni încărcați interferează cu proteinele și enzimele din interiorul celulelor, perturbând reacțiile chimice vitale vieții.
Temperaturile din aceste izvoare termale cresc până la 56 de grade Celsius. În timp ce unele bacterii pot trăi în bazine la aproximativ 100 de grade, iar unele pot face față temperaturilor de aproximativ 110 grade, aproape de izvoarele de adâncime, este destul de remarcabil faptul că eucariotele sunt un grup de forme de viață mai complexe care includ animale și plante această plantă) - poate trăi la o temperatură de 56 de grade.
Majoritatea plantelor și animalelor nu ar fi capabile să facă față acestor temperaturi și din motive întemeiate. Căldura duce la distrugerea legăturilor chimice din proteine, ceea ce duce la prăbușirea lor. Acest lucru are un efect catastrofal asupra enzimelor care catalizează reacțiile chimice ale organismului. Membranele care înconjoară celula încep să se scurgă. La atingerea unei anumite temperaturi, membrana se prăbușește și celula se dezintegrează.
Cu toate acestea, și mai impresionantă este capacitatea algelor de a tolera un mediu acid. Unele izvoare termale au valori de pH cuprinse între 0 și 1. Ionii de hidrogen încărcați pozitiv, cunoscuți și sub numele de protoni, fac ca o substanță să fie acidă. Acești protoni încărcați interferează cu proteinele și enzimele din interiorul celulelor, perturbând reacțiile chimice vitale vieții.
Acest fenomen de transfer genetic este cunoscut sub numele de „transfer orizontal de gene”. De obicei, genele formei de viață sunt moștenite de la părinți. La om, acesta este exact cazul: vă puteți urmări caracteristicile de-a lungul ramurilor arborelui genealogic până la primii oameni.
Cu toate acestea, se dovedește că atât ADN-ul, cât și genele „extraterestre” ale unor specii complet diferite pot fi incluse în ADN. Acest proces este frecvent la bacterii. Unii susțin că acest lucru apare chiar și la oameni, deși este contestat.
Când ADN-ul altcuiva dobândește un nou proprietar, nu trebuie să stea în brațe. În schimb, ea poate începe să lucreze la biologia gazdei, încurajând-o să creeze noi proteine. Acest lucru îi poate oferi proprietarului noi abilități și îi permite să supraviețuiască în situații noi. Organismul gazdă poate porni pe o cale evolutivă complet nouă.
În total, Schoinknecht a identificat 75 de gene furate din alge, pe care le-a împrumutat de la bacterii sau arhee. Nu toate genele conferă alge avantaje evolutive clare, iar funcția exactă a multor gene este necunoscută. Dar multe dintre ele o ajută pe Galdieria să supraviețuiască în medii extreme.
Capacitatea sa de a face față substanțelor chimice toxice precum mercurul și arsenicul provine din gene împrumutate de la bacterii.
Una dintre aceste gene este responsabilă de „pompa de arsenic” care permite algelor să elimine eficient arsenicul din celule. Alte gene furate, printre altele, permit algelor să elibereze metale toxice în timp ce extrag metale importante din mediu. Alte gene furate controlează enzimele care permit algelor să detoxifice metale precum mercurul.
Algele au furat și genele care le permit să reziste la concentrații mari de sare. În condiții normale, un mediu salin va aspira apa din celulă și o va ucide. Dar, prin sintetizarea compușilor din interiorul celulei pentru a egaliza „presiunea osmotică”, Galdieria evită această soartă.
Se crede că capacitatea Galdieriei de a tolera izvoarele termale extrem de acide se datorează impermeabilității sale la protoni. Cu alte cuvinte, ea poate preveni pur și simplu acidul să pătrundă în celulele ei. Pentru a face acest lucru, include pur și simplu mai puține gene care codifică canalele din membrana celulară prin care trec protonii în mod normal. Aceste canale permit de obicei trecerea particulelor încărcate pozitiv, cum ar fi potasiul, de care au nevoie celulele, dar permit, de asemenea, trecerea protonilor.
„Adaptarea la pH scăzut pare să fi fost realizată prin îndepărtarea oricărei proteine de transport de membrană din membrana plasmatică care ar permite protonilor să intre în celulă”, spune Scheunknecht. Majoritatea eucariotelor au mai multe canale de potasiu in membranele lor plasmatice, dar Galdieria are o singura gena care codifica un canal de potasiu. Un canal mai îngust vă permite să faceți față acidității mari."
Cu toate acestea, aceste canale de potasiu fac o activitate importantă, preiau potasiu sau mențin o diferență de potențial între celulă și mediul său. Modul în care algele rămân sănătoase fără canale de potasiu este încă neclar.
De asemenea, nimeni nu știe cum se confruntă algele cu căldura mare. Oamenii de știință nu au reușit să identifice gene care ar explica această trăsătură specială a biologiei ei.
Bacteriile și archaea, care pot trăi la temperaturi foarte ridicate, au proteine și membrane complet diferite, dar algele au trecut prin schimbări mai subtile, spune Scheunknecht. El suspectează că schimbă metabolismul lipidelor din membrană la diferite creșteri ale temperaturii, dar nu știe încă exact cum se întâmplă acest lucru și cum îi permite să se adapteze la căldură.
Este clar că copierea genelor oferă Galdieriei un avantaj evolutiv imens. În timp ce majoritatea algelor roșii unicelulare legate de G. sulphuraria trăiesc în zone vulcanice și fac față căldurii și acizilor moderate, puțini dintre rudele sale pot rezista la fel de multă căldură, acid și toxicitate ca G. sulphuraria. De fapt, în unele locuri, această specie reprezintă până la 80-90% din viață - acest lucru indică cât de dificil este pentru altcineva să numească casa lui G. sulphuraria a lor.
Rămâne încă o întrebare evidentă și interesantă: cum au furat algele atât de multe gene?
Această algă trăiește într-un mediu care conține o mulțime de bacterii și archaea, astfel încât, într-un anumit sens, are capacitatea de a fura gene. Dar oamenii de știință nu știu exact cum a sărit ADN-ul de la bacterii la un organism atât de diferit. Pentru a ajunge cu succes la gazdă, ADN-ul trebuie să intre mai întâi în celulă, apoi în nucleu - și abia apoi să se încorporeze în genomul gazdei.
„Cele mai bune presupuneri în acest moment sunt că virușii ar putea transfera materialul genetic de la bacterii și arhee la alge. Dar aceasta este speculație pură”, spune Scheunknecht. „Poate că intrarea într-o cușcă este cel mai greu pas. Odată ajuns în interiorul unei celule, pătrunderea în nucleu și integrarea în genom poate să nu fie atât de dificilă.
Transferul orizontal de gene are loc adesea la bacterii. Acesta este motivul pentru care avem probleme cu rezistența la antibiotice. Odată ce apare o genă rezistentă, aceasta se răspândește rapid printre bacterii. Cu toate acestea, s-a crezut că schimbul de gene are loc mai rar la organismele mai avansate decât la eucariote. Se credea că bacteriile au sisteme speciale care le permit să accepte acizi nucleici, cum ar fi eucariotele nu.
Cu toate acestea, au fost deja găsite alte exemple de creaturi avansate care fură gene pentru a supraviețui în condiții extreme. Algele de zăpadă Chloromonas brevispina, care trăiesc în zăpada și gheața din Antarctica, poartă gene care au fost probabil luate de la bacterii, arhee sau chiar ciuperci.
Cristalele ascuțite pot străpunge și perfora membranele celulare, astfel încât creaturile care trăiesc în climă rece trebuie să găsească o modalitate de a combate acest lucru. O modalitate este de a produce proteine care leagă gheața (IBP), care sunt secretate într-o celulă care se agață de gheață, oprind creșterea cristalelor de gheață.
James Raymond de la Universitatea din Nevada din Las Vegas a cartografiat genomul algelor de zăpadă și a constatat că genele proteinelor care leagă gheața erau remarcabil de similare la bacterii, arhee și ciuperci, sugerând că toți au schimbat capacitatea de a supraviețui în condiții de frig în timpul orizontale. transferul genelor.
„Aceste gene sunt esențiale pentru supraviețuire, deoarece au fost găsite în fiecare algă adaptată la frig și niciuna în condiții calde”, spune Raymond.
Există câteva alte exemple de transfer orizontal de gene în eucariote. Micii crustacei care trăiesc în gheața mării din Antarctica par să fi dobândit și această abilitate. Aceste Stephos longipes pot trăi în canale de sare lichide în gheață.
„Măsurătorile pe teren au arătat că C. longipes trăiește în saramuri răcite la suprafața gheții”, spune Rainer Kiko, un om de știință de la Institutul pentru Ecologie Polară de la Universitatea Kiel din Germania. „Subcooled înseamnă că temperatura acestui lichid este sub punctul de îngheț și depinde de salinitate.”
Pentru a supraviețui și a preveni înghețarea, moleculele sunt prezente în sângele S. longipes și în alte fluide corporale care scad punctul de îngheț pentru a se potrivi cu apa din jur. În același timp, crustaceele produc proteine care nu înghețează, care împiedică formarea cristalelor de gheață în sânge.
Se presupune că această proteină a fost obținută și prin transfer orizontal de gene.
Frumosul fluture monarh poate avea și gene furate, dar de data aceasta de la o viespe parazită.
Viespea lucioasă din familia Braconid este cunoscută pentru introducerea unui ou împreună cu un virus într-o insectă gazdă. ADN-ul virusului intră în creierul gazdei, transformându-l într-un zombie, care acționează apoi ca un incubator pentru oul de viespe. Oamenii de știință au descoperit genele draconidelor din fluturi, chiar dacă acești fluturi nu au întâlnit niciodată viespi. Se crede că fac fluturii mai rezistenți la boli.
Eucariotele nu fură doar gene individuale. Uneori furturile sunt masive.
Se crede că viața marină verde strălucitoare Elysia chlorotica a dobândit capacitatea de fotosinteză prin consumul de alge. Acest limac de mare ingeră cloroplaste - organite care realizează fotosinteza - întregi și le depozitează în glandele digestive. Când este presat și nu există alge de mâncare, limacul de mare poate supraviețui folosind energia luminii solare pentru a converti dioxidul de carbon și apa în alimente.
Un studiu arată că melcii de mare iau și gene din alge. Oamenii de știință inserează markeri ADN fluorescenți în genomul algelor pentru a vedea exact unde erau genele. După ce s-a hrănit cu alge, limacul de mare a dobândit o genă pentru regenerarea cloroplastului.
În același timp, celulele din corpul nostru conțin mici structuri producătoare de energie, mitocondriile, care sunt diferite de restul structurilor noastre celulare. Mitocondriile au chiar ADN-ul lor.
Există o teorie conform căreia mitocondriile au existat ca forme de viață independente în urmă cu miliarde de ani, dar cumva au început să fie incluse în celulele primelor eucariote - poate că mitocondriile au fost înghițite, dar nu digerate. Se crede că acest eveniment a avut loc cu aproximativ 1,5 miliarde de ani în urmă și a reprezentat o etapă cheie în evoluția tuturor formelor de viață superioare, a plantelor și a animalelor.
Furtul genetic poate fi o tactică evolutivă obișnuită. La urma urmei, ea îi lasă pe ceilalți să facă toată munca grea pentru tine în timp ce tu culegi beneficiile. Alternativ, transferul de gene orizontal poate accelera un proces evolutiv care a început deja.
„Este puțin probabil ca un organism care nu s-a adaptat la căldură sau acid să populeze brusc bazinele vulcanice doar pentru că are genele de care are nevoie”, spune Scheunknecht. "Dar evoluția este aproape întotdeauna un proces pas cu pas, iar transferul orizontal de gene permite salturi mari înainte".
ILYA KHEL
