Evolúcia života Baktérie podvodníka otriasajú rodokmeňom života - spektrom
Vývoj života: podvodnícke baktérie otriasajú rodokmeňom života
V každej dobrej mytológii niekto hrá rolu podvodníka a podvodníka - a nikto ju neabsorbuje viac ako Loki, legendárna postava starodávnych severských bohov. Loki neustále spôsobuje problémy a uráža ostatných bohov. Ťažko sa ho možno pýtať, je anarchický a ambiciózny. Je, a tým sa dostávame k téme, dokonalým menovcom pre bakteriálnu skupinu »Lokiarchaeota«, ktorá sa v súčasnosti pripravuje na zásadné prepísanie dejín vývoja raného života na našej zemi.
Nepolapiteľná Lokiarchaeota patrí do podkategórie jednobunkových živých tvorov nazývaných Archaea. Pod mikroskopom môžu vyzerať ako baktérie, ale v niektorých ohľadoch sa líšia rovnako zreteľne ako my ľudia. Lokis, ako ich prezývali, bol najskôr opísaný pomocou sekvencií DNA izolovaných zo vzoriek bahnitého morského dna neďaleko Grónska. Dnes spolu s niekoľkými príbuznými mikróbmi nútia biológov, aby znovu odpovedali na veľmi zásadnú otázku o ranom vývoji života: o vývoji eukaryotov, teda tých organizmov, ktoré zahŕňajú všetky rastliny, zvieratá a huby.
Objav archaeí na konci 70. rokov vyvolal vo výskumnom svete predstavu, že život na Zemi bol rozdelený do troch vetiev alebo „domén“. Jedna vetva viedla k dnes žijúcim baktériám, druhá do archea a tretia ku všetkým eukaryotom. Čoskoro sa však rozhoreli diskusie o presnom pridelení týmto vedľajším vetvám života. Široko zdieľaný model života predpokladal, že eukaryoty a archaea pochádzajú zo spoločného predka. Naproti tomu konkurenčná škola prístupu „dvoch domén“ predpokladala, že línia eukaryotov sa odštiepila od holej bočnej vetvy archaea.
Argument o tom bol občas tvrdý, ale časom zaspal, pripomína Phil Hugenholtz z Queenslandskej univerzity v austrálskom Brisbane. Potom to Lokis opäť stimuloval „ako čerstvý nárazový vietor“, hovorí Hugenholtz - a zabezpečil návrat k dvojdoménovej téze. Pretože: Novoobjavená archaea ukázala génové sekvencie, ktoré sa dovtedy považovali za typický znak eukaryotov. Dôkladná analýza ich genetického zloženia navyše ukázala, že eukaryoty by mali patriť do skupiny s nimi. Ak je to tak, potom by každá forma zložitého života - od zelenej riasy po modrú veľrybu - v zásade skutočne patrila do skupiny archaea.
Mnoho vedcov o tom ešte nie je ani zďaleka presvedčených. Vypracovanie rodokmeňov je notoricky zložitá a veľmi kontroverzná oblasť výskumu. Okrem toho však nikdy nikto nedokázal udržať kmene Loki v laboratóriu, čo drasticky obmedzuje možnosti vyšetrovania. A tak pokračujú trpké argumenty, podľa ktorých sú oponenti „mimoriadne nepriateľskí“, zhŕňa Hugenholtz: „Všetci sú si stopercentne istí, že protistrana nemá v žiadnom bode pravdu.“ Niektorí z preventívnych dôvodov už túto tému nekomentujú. aby nehrozilo riziko, že vystúpite na jedného z doyenov scény.
Ide tu o niečo zásadné: hlbšie pochopenie evolučného skoku, ktorý nakoniec viedol k eukaryotom. Takže koniec koncov „najväčšia vec, ktorá sa stala od začiatku života“, hovorí evolučný biológ Patrick Keeling z University of British Columbia vo Vancouveri. Pri objasňovaní pôvodu eukaryotov považuje „jednu z najzásadnejších otázok pre pochopenie biologickej rozmanitosti v prírode“. Aby sme im odpovedali, povedal Keeling, je potrebné jasne určiť, kto je s kým príbuzný.
Vytvorte tri z dvoch
Pred polstoročím veda prehľadne rozdelila život na Zemi na dve kategórie: Na jednej strane to boli eukaryoty - bunkové organizmy, ktoré obsahujú aj membránové vnútorné štruktúry, ako je bunkové jadro; a na druhej strane prokaryoty, ktoré ako čisto jednobunkové organizmy všeobecne nemajú vnútorné membrány. V tom čase biológia poznala iba baktérie ako prokaryoty.
V roku 1977 evolučný biológ Carl Woese a jeho kolegovia opísali archea ako tretiu formu života, ktorá sa zjavne objavila pred miliardami rokov. Podľa Woeseho by sa všetky organizmy na Zemi mali rozdeliť do troch a nie do dvoch podkategórií.
To nezostalo bez povšimnutia. Napríklad evolučný biológ James Lake z Kalifornskej univerzity v Los Angeles v 80. rokoch propagoval, že eukaryoty a archea tvoria sesterskú skupinu zvanú „eocyty“, doslova „bunky od východu slnka (času)“. Z tejto myšlienky sa vyvinul dvojdoménový scenár. Lake a Woese teraz urputne bojovali o svoje súperiace modely, ktoré nakoniec v polovici 80. rokov vyvrcholili dlho legendárnym kričiacim duelom. Potom Woese „nechcel znovu vidieť Jima Lakea,“ pripomína mikrobiológ Patrick Forterre z parížskeho Pasteurovho inštitútu. Lake potvrdzuje závažnosť argumentu: „Bola to naozaj dosť debata sprevádzaná enormným množstvom politiky.“
Carl Woese zomrel v roku 2012. Dnes je spor o pôvod eukaryotov trochu civilizovanejší. Na oboch stranách si mnohí myslia, že eukaryoty nejako vznikli v priebehu takzvanej endosymbiózy. Túto teóriu dal najavo zosnulý biológ Lynn Margulis: Podľa nej jednoduchá bunka už pred vekmi prehltla baktériu a potom sa stala jej hostiteľom. To by malo za následok vzájomne výhodný vzťah. Z uväznených baktérií sa nakoniec stal mitochondria - bunková podštruktúra, ktorá produkuje energiu. Nakoniec sa z hybridných buniek stali dnešné eukaryoty.
Jeden tábor však tieto dva tábory oddeľuje dodnes: Argumentujú presnou povahou pôvodnej bunky. Podľa priaznivcov teórie troch domén išlo o (dnes už vyhynutý) mikrób. Forterre ich napríklad vníma ako „proto-eukaryot“, teda ako zmes, ktorá nebola ani úplne moderným eukaryotom, ani úplne modernou archaou. Podľa tohto prístupu sa v ranej histórii evolúcie vyskytlo niekoľko hlavných rozdelení: prvý pred miliardami rokov, keď prekurzorové organizmy produkovali baktérie aj skupinu mikróbov, ktoré dnes už vyhynuli. Táto skupina sa potom rozdelila na archeai a neskoršie eukaryoty.
Podľa sveta s dvoma doménami sa však baktérie a archea vyvinuli z dávneho predka a bola to archea, ktorá túto baktériu prehltla a priviedla si ju domov. To by urobilo všetky eukaryoty akýmsi pretekajúcim odtokom archaea - alebo, ako to niektorí vedci nazývajú, „sekundárnou doménou“.
Šifrované správy
Bez šance cestovať späť v čase k pôvodu mikróbov bude ťažké tieto hypotézy vyhodnotiť. Poznáme len veľmi málo fosílnych stôp po prvých eukaryotoch a sú tiež ťažko čitateľné. Vedci sa teda musia spoliehať na genóm moderných organizmov ako archív evolúcie - archív, ktorý bol časom otrasený. „Pokúšame sa vyriešiť hádanku starú pravdepodobne niekoľko miliárd rokov pomocou moderných údajov o sekvenciách,“ hovorí bioinformatik Tom Williams z University of Bristol. Nie je to ľahká úloha.
Koniec koncov, debaty majú pokročilé súčasné technológie sekvenovania génov. Až donedávna museli vedci uchovávať kmene baktérií alebo archea z konkrétneho biotopu v laboratóriu, aby ich mohli identifikovať. Vedci teraz môžu posúdiť mikrobiálnu diverzitu vo vzorkách vody alebo pôdy pomocou stop vylovených DNA a analyzovaných pomocou matematických metód - pomocou „metagenomiky“. A tak sa stáva, že veda, ktorá v roku 2002 poznala iba dva kmene (alebo fyly) archaeí, je teraz vďaka metagenomike dramaticky lepšie informovaná.
Vedci z oblasti evolúcie tiež rýchlo profitovali zo zvyšujúceho sa výnosu: Nové, výkonné techniky modelovania vypučia les evolučných vetiev, ktoré načrtávajú podrobné vzťahy v rámci archaea. A: V mnohých prípadoch sa eukaryoty zaraďujú do rozšírenej rodiny archaea. Váha dôkazov, tvrdí Williams, „skutočne naklonila misky váh v smere k dvojdoménovému stromu eocytov z nášho pohľadu“.
Iní stále považovali údaje za príliš riedke na to, aby diskusiu odložili bokom. V roku 2015 skupina vedená Thijsom Ettemom, vtedajším evolučným mikrobiológom na univerzite v Uppsale vo Švédsku, zverejnila sekvencie DNA z Lokiarchaeoty, ktoré sa pred piatimi rokmi zotavili zo vzoriek sedimentov. Len za ďalšie dva roky mohol tím Ettema a ďalší vedci konečne predstaviť tri nové kmene archaea súvisiace s Lokisom. Vedci pomenovali zoskupenie týchto nálezov „Asgard“ podľa mýtickej ríše severských bohov.
Asgardské archaeá sú malé, ale ukázalo sa, že sú silné pri oživovaní starodávnej debaty o skutočnom počte domén života. Poskytovali predovšetkým zástancom dvojdoménovej hypotézy lákavé stopy o bunkovom type, z ktorého pochádzajú prvé eukaryoty. Rovnako ako Loki, ich menovec, aj Lokiarchaeota a ich príbuzní unikajú príliš priamej interpretácii: sú nepochybne archeami, ale ich genóm je zmesou génov, ktoré sa nachádzajú aj v eukaryotoch. Napríklad Loki-DNA obsahuje pokyny pre genetickú konštrukciu aktínov, typických proteínov lešenia eukaryotických buniek. Tieto gény sa zdali tak nemiestne, že výskumník, ktorý ich objavil, spočiatku jednoducho predpokladal, že príčinou bola kontaminácia: „Povedal som, Hmm, ako je to možné? Môže to byť skutočne genóm archaea? “Pripomína mikrobiologička Anja Spang z Holandského kráľovského inštitútu pre morský výskum v Texeli. Evolučné modely však potvrdzujú úzku súvislosť medzi Asgard archaea a eukaryotmi: Napríklad všetky rodokmene vypočítané tímom Ettema umiestňujú všetky eukaryoty do skupiny Asgardov.
Mnoho výskumníkov medzitým používa tieto súbory archaea údajov na získanie lepšieho obrazu o eukaryotickom predchodcovi. Predtým, ako sa ujal mitochondriálneho prekurzora, mohol mať niektoré charakteristické znaky typické pre eukaryoty: Ettema vysvetľuje, že existujú „pravdepodobne veľmi primitívne membránovo-biologické procesy“. Podľa analýzy zverejnenej v roku 2018 predok Asgard Archaea pravdepodobne jedol organické molekuly, ako sú mastné kyseliny a bután. Táto diéta by priniesla konečné produkty, ktoré by potom mohli pridružené partnerské baktérie živiť. Takéto výmeny živín, bežné v mikrobiálnej oblasti, sa mohli postupne vyvinúť do čoraz užších vzťahov. Nemohla by aproximácia archeaov a baktérií v plyšovej vzdialenosti, ktorá dáva zmysel pre ľahšiu výmenu živín, nakoniec a nakoniec podporila vstrebávanie jednej látky druhou?
O takýchto scenároch však stále pochybujeme. Najväčším skeptikom je Patrick Forterre: Po absolvovaní Asgardskej štúdie najskôr zverejnil zásadnú kontrapozíciu so svojimi kolegami.
Zavádzajúce značky?
Ettema ich prístup rozhorčil: Forterre a jeho skupina naznačili, že niektoré z eukaryotických sekvencií nájdených v Lokise môžu byť kontaminované. Proteín Loki, napríklad „faktor predĺženia 2“, je „pravdepodobne kontaminovaný eukaryotickými sekvenciami“, napísal vo svojom príspevku tím Forterre. Dnes Forterre tvrdí, že si tým nie je úplne istý - ale on a jeho kolegovia si stoja za svojou kritikou asgardských evolučných stromov. Aj tvorcovia kritizovaných rodokmeňov pripúšťajú, že je ťažké rozlúštiť vzťah medzi organizmami, ktoré žili pred dvoma miliardami rokov.
Biológovia takéto vzťahy zvyčajne rekonštruujú modelovaním zmien určitých „markerov“ - zvyčajne bielkovín alebo génov - v priebehu času. Forterrova skupina sa domnieva, že Ettemov tím nechtiac zahrnul do výpočtu rodokmeňa zavádzajúce značky. Forterrova skupina uskutočnila vlastnú, konkurenčnú analýzu rodokmeňa s dvoma obzvlášť veľkými markerovými proteínmi, pretože väčšie proteínové štruktúry všeobecne sprostredkovávajú aj viac informácií o ich vývojovej histórii. Takže vymyslíte rodokmeň s tromi doménami.
Podľa agentúry Ettema dva markery, ktoré použil Forterre, neumožňujú vyvodiť dostatočné závery o dávno minulých udalostiach - túto kritiku určite zdieľajú aj iní vedci. Pokúsil sa tiež reprodukovať Forterrov nález sám s dvoma predmetnými markermi a dospel k inému, aj keď nepublikovanému výsledku, konkrétne k dvojdoménovému rodokmeňu.
Sú tieto odchýlky spôsobené rozdielmi v akademickom zázemí účastníkov? Ettema to podozrieva: Patrick Forterre je „geniálny vedec - vo svojom odbore“. S Lokisom však „trochu prekročil hranice svojich odborných znalostí“. Forterre hovorí, že už má určité vedomosti z fylogenetiky - a jeho spoluautori ešte viac.