Kāda ir stabilākā un spēcīgākā dzīves forma mūsu pasaulē? Tarakāni ir slaveni ar savu vitalitāti - daudzi cilvēki ir pārliecināti, ka viņi pat varētu izdzīvot kodolapokalipsi. Tardigrades jeb ūdens lāči ir vēl izturīgāki. Viņi pat var izdzīvot kosmosā. Jeloustounas nacionālā parka verdošajos skābos avotos dzīvo viena aļģe. Apkārt tam ir kodīgs ūdens, kas aromatizēts ar arsēnu un smagajiem metāliem. Lai paliktu dzīva šajā nāvīgajā vietā, viņa izmantoja negaidītu triku.
Kāds ir viņas noslēpums? Zādzība. Viņa zog izdzīvošanas gēnus no citām dzīvības formām. Un šī taktika ir daudz izplatītāka, nekā varētu domāt.
Lielākā daļa dzīvo būtņu, kas dzīvo ekstremālās vietās, ir vienšūnas organismi - baktērijas vai arhejas. Šīm vienkāršajām un senajām dzīvības formām nav sarežģītas dzīvnieku bioloģijas, taču to vienkāršība ir priekšrocība: tās daudz labāk tiek galā ar ekstremāliem apstākļiem.
Miljardiem gadu viņi slēpās visnepievilcīgākajās vietās - dziļi pazemē, okeāna dibenā, mūžīgajā sasalumā vai verdošos karstajos avotos. Viņi ir gājuši garu ceļu, miljoniem vai miljardiem gadu attīstot savus gēnus, un tagad viņi palīdz viņiem tikt galā gandrīz ar visu.
Bet kā būtu, ja citas, sarežģītākas radības varētu vienkārši nākt un nozagt šos gēnus? Viņi būtu paveikuši evolucionāru varoņdarbu. Vienā rāvienā viņi būtu ieguvuši ģenētiku, kas ļāva izdzīvot ekstremālās vietās. Viņi tur nokļūtu, neizturot miljoniem gadu garu garlaicīgu un smagu evolūciju, kas parasti nepieciešama šo spēju attīstīšanai.
Tā darīja arī sarkanās aļģes Galdieria sulfuraria. To var atrast karstās sēra avotos Itālijā, Krievijā, Jeloustonas parkā ASV un Islandē.
Reklāmas video:
Temperatūra šajos karstajos avotos paaugstinās līdz 56 grādiem pēc Celsija. Kaut arī dažas baktērijas var dzīvot baseinos aptuveni 100 grādos, un dažas var tikt galā ar temperatūru ap 110 grādiem, tuvu dziļjūras avotiem, ir diezgan ievērojams, ka eikarioti ir sarežģītāku dzīvības formu grupa, kas ietver dzīvniekus un augus (sarkanās aļģes - šis augs) - var dzīvot 56 grādu temperatūrā.
Lielākā daļa augu un dzīvnieku nespētu tikt galā ar šīm temperatūrām, un tam ir labs iemesls. Siltums izraisa olbaltumvielu ķīmisko saišu iznīcināšanu, kas noved pie to sabrukšanas. Tam ir katastrofāla ietekme uz fermentiem, kas katalizē ķermeņa ķīmiskās reakcijas. Šūnu aptverošās membrānas sāk noplūst. Sasniedzot noteiktu temperatūru, membrāna sabrūk un šūna sadalās.
Tomēr vēl iespaidīgāka ir aļģu spēja panest skābu vidi. Dažu karsto avotu pH vērtības ir no 0 līdz 1. Pozitīvi uzlādēti ūdeņraža joni, kas pazīstami arī kā protoni, padara vielu skābu. Šie uzlādētie protoni traucē olbaltumvielas un fermentus šūnu iekšienē, izjaucot dzīvībai svarīgas ķīmiskās reakcijas.
Temperatūra šajos karstajos avotos paaugstinās līdz 56 grādiem pēc Celsija. Kaut arī dažas baktērijas var dzīvot baseinos aptuveni 100 grādos, un dažas var tikt galā ar temperatūru ap 110 grādiem, tuvu dziļjūras avotiem, ir diezgan ievērojams, ka eikarioti ir sarežģītāku dzīvības formu grupa, kas ietver dzīvniekus un augus (sarkanās aļģes - šis augs) - var dzīvot 56 grādu temperatūrā.
Lielākā daļa augu un dzīvnieku nespētu tikt galā ar šīm temperatūrām, un tam ir labs iemesls. Siltums izraisa olbaltumvielu ķīmisko saišu iznīcināšanu, kas noved pie to sabrukšanas. Tam ir katastrofāla ietekme uz fermentiem, kas katalizē ķermeņa ķīmiskās reakcijas. Šūnu aptverošās membrānas sāk noplūst. Sasniedzot noteiktu temperatūru, membrāna sabrūk un šūna sadalās.
Tomēr vēl iespaidīgāka ir aļģu spēja panest skābu vidi. Dažu karsto avotu pH vērtības ir no 0 līdz 1. Pozitīvi uzlādēti ūdeņraža joni, kas pazīstami arī kā protoni, padara vielu skābu. Šie uzlādētie protoni traucē olbaltumvielas un fermentus šūnu iekšienē, izjaucot dzīvībai svarīgas ķīmiskās reakcijas.
Šī gēnu pārneses parādība ir pazīstama kā "horizontāla gēnu pārnešana". Parasti dzīves formas gēni tiek mantoti no vecākiem. Cilvēkiem tas ir tieši tā: jūs varat izsekot savām īpašībām gar sava dzimtas koka zariem līdz pašiem pirmajiem cilvēkiem.
Neskatoties uz to, izrādās, ka gan tagad, gan pēc tam DNS var iekļaut pilnīgi atšķirīgu sugu "svešzemju" gēnus. Šis process ir raksturīgs baktērijām. Daži apgalvo, ka tas notiek pat cilvēkiem, lai gan tas tiek apstrīdēts.
Kad kāda cita DNS iegūst jaunu īpašnieku, tam nav jāsēž bez darba. Tā vietā viņa var sākt strādāt ar saimnieka bioloģiju, mudinot viņu radīt jaunus proteīnus. Tas var dot īpašniekam jaunas prasmes un ļaut viņam izdzīvot jaunās situācijās. Saimniekorganisms var sākt pilnīgi jaunu evolūcijas ceļu.
Kopumā Schoinknecht identificēja 75 nozagtus jūras aļģu gēnus, kurus tā aizņēmās no baktērijām vai arhejām. Ne visi gēni dod aļģēm skaidru evolūcijas priekšrocību, un daudzu gēnu precīza funkcija nav zināma. Bet daudzi no viņiem palīdz Galdjērijai izdzīvot ekstremālos apstākļos.
Tās spēja tikt galā ar toksiskām ķīmiskām vielām, piemēram, dzīvsudrabu un arsēnu, rodas no baktērijām aizgūtiem gēniem.
Viens no šiem gēniem ir atbildīgs par "arsēna sūkni", kas ļauj aļģēm efektīvi noņemt arsēnu no šūnām. Citi nozagtie gēni, cita starpā, ļauj aļģēm atbrīvot toksiskus metālus, vienlaikus ekstrahējot svarīgus metālus no vides. Citi nozagtie gēni kontrolē fermentus, kas ļauj aļģēm detoksicēt tādus metālus kā dzīvsudrabs.
Aļģes ir nozagušas arī gēnus, kas ļauj izturēt augstu sāls koncentrāciju. Normālos apstākļos sāļa vide izsūks ūdeni no šūnas un nogalinās. Bet sintezējot savienojumus šūnas iekšienē, lai izlīdzinātu "osmotisko spiedienu", Galdjērija izvairās no šī likteņa.
Tiek uzskatīts, ka Galdieria spēja panest ārkārtīgi skābos karstos avotus ir saistīta ar tā necaurlaidību pret protoniem. Citiem vārdiem sakot, viņa, iespējams, vienkārši novērš skābes iekļūšanu šūnās. Lai to izdarītu, tas vienkārši ietver mazāk gēnu, kas kodē kanālus šūnu membrānā, pa kuriem protoni parasti iziet. Šie kanāli parasti ļauj iziet cauri pozitīvi uzlādētām daļiņām, piemēram, kālijam, kas šūnām ir vajadzīgs, bet tie ļauj arī protoniem.
"Šķiet, ka pielāgošanās zemam pH ir panākta, no plazmas membrānas noņemot jebkuru membrānas transporta olbaltumvielu, kas ļautu protoniem iekļūt šūnā," saka Šeinknechts. “Lielākajai daļai eikariotu plazmas membrānās ir vairāki kālija kanāli, bet Galdieria ir tikai viens gēns, kas kodē kālija kanālu. Šaurāks kanāls ļauj tikt galā ar paaugstinātu skābumu."
Tomēr šie kālija kanāli veic svarīgu darbu, tie uzņem kāliju vai uztur potenciālu atšķirību starp šūnu un tās vidi. Kā aļģes paliek veselīgas bez kālija kanāliem, vēl nav skaidrs.
Tāpat neviens nezina, kā aļģes tiek galā ar lielu karstumu. Zinātnieki nav spējuši identificēt gēnus, kas izskaidrotu šo viņas bioloģijas īpašo iezīmi.
Baktērijām un arhejām, kas var dzīvot ļoti augstā temperatūrā, olbaltumvielas un membrānas ir pilnīgi atšķirīgas, bet aļģes ir piedzīvojušas smalkākas izmaiņas, saka Scheunknecht. Viņam ir aizdomas, ka tas maina membrānas lipīdu metabolismu pie dažādas temperatūras paaugstināšanās, taču vēl nezina, kā tas tieši notiek un kā tas ļauj tam pielāgoties siltumam.
Ir skaidrs, ka gēnu kopēšana Galdjērijai dod milzīgas evolūcijas priekšrocības. Kamēr lielākā daļa vienšūnu sarkano aļģu, kas saistītas ar G. sulphuraria, dzīvo vulkāniskajās zonās un tiek galā ar mērenu siltumu un skābēm, tikai daži no tās radiniekiem var izturēt tik daudz siltuma, skābes un toksicitātes kā G. sulfuraria. Faktiski dažās vietās šī suga aizņem līdz pat 80–90% no dzīves - tas norāda, cik grūti kādam citam ir saukt G. sulphuraria māju par savējo.
Ir vēl viens acīmredzams un interesants jautājums: kā aļģes nozaga tik daudz gēnu?
Šī aļģe dzīvo vidē, kurā ir daudz baktēriju un arheju, tāpēc savā ziņā tai piemīt spēja nozagt gēnus. Bet zinātnieki precīzi nezina, kā DNS no baktērijām uzlēca uz tik atšķirīgu organismu. Lai veiksmīgi nokļūtu saimniekorganismā, DNS vispirms jāiekļūst šūnā un pēc tam kodolā - un tikai pēc tam jāiekļaujas saimnieka genomā.
“Vislabākie minējumi ir tādi, ka vīrusi var pārnest ģenētisko materiālu no baktērijām un arhejām uz aļģēm. Bet tās ir tīras spekulācijas,”saka Šeinkņehts. Varbūt nokļūt būrī ir grūtākais solis. Iekļūstot šūnā, iekļūšana kodolā un integrācija genomā var nebūt tik grūta.
Baktērijās bieži notiek horizontāla gēnu pārnešana. Tāpēc mums ir problēmas ar rezistenci pret antibiotikām. Kad parādās rezistents gēns, tas ātri izplatās starp baktērijām. Tomēr tika uzskatīts, ka gēnu apmaiņa progresīvākos organismos notiek retāk nekā eikariotos. Tika uzskatīts, ka baktērijām ir īpašas sistēmas, kas ļauj tām pieņemt nukleīnskābes, piemēram, eikariotiem nav.
Tomēr jau ir atrasti citi progresīvu radību piemēri, kas zog gēnus, lai izdzīvotu ekstremālos apstākļos. Sniega aļģu suga Chloromonas brevispina, kas dzīvo Antarktīdas sniegā un ledū, pārnēsā gēnus, kas, iespējams, iegūti no baktērijām, arhejām vai pat sēnītēm.
Asi ledus kristāli var caurdurt un perforēt šūnu membrānas, tāpēc radījumiem, kas dzīvo aukstā klimatā, jāatrod veids, kā ar to cīnīties. Viens veids ir ražot ledu saistošus proteīnus (IBP), kas tiek izdalīti šūnā, kas pieķeras pie ledus, apturot ledus kristālu augšanu.
Džeimss Reimonds no Nevadas universitātes Lasvegasā kartēja sniega aļģu genomu un atklāja, ka ledus saistošo olbaltumvielu gēni baktērijās, arhejās un sēnītēs ir ievērojami līdzīgi, kas liecina, ka viņi visi apmainījās ar spēju izdzīvot aukstos apstākļos horizontālā laikā gēnu pārnešana.
"Šie gēni ir būtiski izdzīvošanai, jo tie ir atrasti visās aukstumam pielāgotajās aļģēs un nevienā siltos apstākļos," saka Raimonds.
Ir vairāki citi horizontālas gēnu pārneses piemēri eikariotos. Šķiet, ka arī mazie vēžveidīgie, kas dzīvo Antarktīdas jūras ledū, ir ieguvuši šo prasmi. Šīs Stephos longipes var dzīvot šķidrā sāls kanālos ledū.
"Lauka mērījumi ir parādījuši, ka C. longipes dzīvo pārdzesētos sālījumos uz ledus virsmas," saka Rainers Kiko, zinātnieks no Ķīles universitātes Polārās ekoloģijas institūta Vācijā. "Pārdzesēts nozīmē, ka šī šķidruma temperatūra ir zemāka par sasalšanas līmeni un ir atkarīga no sāļuma."
Lai izdzīvotu un pasargātu sevi no sasalšanas, S. longipes asinis un citi ķermeņa šķidrumi satur molekulas, kas pazemina sasalšanas punktu, lai tas atbilstu apkārtējam ūdenim. Tajā pašā laikā vēžveidīgie ražo nesasalstošus proteīnus, kas novērš ledus kristālu veidošanos asinīs.
Tiek pieņemts, ka šis proteīns tika iegūts arī horizontāli pārnesot gēnu.
Skaistajam monarhtauriņam, iespējams, ir arī nozagti gēni, bet šoreiz no parazītiskas lapsenes.
Braconid dzimtas spožā lapsene ir pazīstama ar to, ka olšūnu kopā ar vīrusu ievada saimniek kukainī. Vīrusa DNS ielaužas saimnieka smadzenēs, pārvēršot to par zombiju, kas pēc tam darbojas kā lapsenes olšūnas inkubators. Zinātnieki tauriņos ir atklājuši drakonīdu gēnus, pat ja šie tauriņi nekad nav sastapuši lapsenes. Tiek uzskatīts, ka tie padara tauriņus izturīgākus pret slimībām.
Eikarioti zog ne tikai atsevišķus gēnus. Dažreiz zādzības ir milzīgas.
Tiek uzskatīts, ka spilgti zaļā jūras iedzīvotāja Elizeja chlorotica ir ieguvusi fotosintēzes spēju, ēdot aļģes. Šī jūras gliemezis hloroplastus - organoīdus, kas veic fotosintēzi - uzņem veselus un uzglabā tos gremošanas dziedzeros. Nospiežot un nav ēdamu aļģu, jūras gliemezis var izdzīvot, izmantojot saules gaismas enerģiju, lai oglekļa dioksīdu un ūdeni pārvērstu pārtikā.
Viens pētījums parāda, ka jūras gliemeži arī ņem aļģu gēnus. Zinātnieki ievieto fluorescējošus DNS marķierus aļģu genomā, lai redzētu, kur tieši atrodas gēni. Pēc barošanās ar aļģēm jūras gliemezis ieguva hloroplastu reģenerācijas gēnu.
Tajā pašā laikā mūsu ķermeņa šūnās ir niecīgas enerģijas ražošanas struktūras - mitohondriji, kas atšķiras no pārējām mūsu šūnu struktūrām. Mitohondrijām pat ir sava DNS.
Pastāv teorija, ka mitohondriji pastāvēja kā neatkarīgas dzīves formas pirms miljardiem gadu, bet pēc tam kaut kā tās sāka iekļaut pirmo eikariotu šūnās - iespējams, mitohondriji tika norīti, bet netika sagremoti. Tiek uzskatīts, ka šis notikums ir noticis apmēram pirms 1,5 miljardiem gadu un bija galvenais pagrieziena punkts visu augstāko dzīvības formu, augu un dzīvnieku evolūcijā.
Gēnu zagšana var būt diezgan izplatīta evolūcijas taktika. Galu galā viņa ļauj citiem darīt visu smago darbu jūsu vietā, kamēr jūs izmantojat priekšrocības. Alternatīvi, horizontāla gēnu pārnešana var paātrināt jau sākto evolūcijas procesu.
"Maz ticams, ka organisms, kas nav pielāgojies siltumam vai skābei, pēkšņi apdzīvos vulkāniskos baseinus tikai tāpēc, ka tam ir vajadzīgie gēni," saka Šeinknechts. "Bet evolūcija gandrīz vienmēr ir soli pa solim, un horizontāla gēnu pārnešana ļauj veikt lielus lēcienus uz priekšu."
ILYA KHEL
