Коя е най-стабилната и силна форма на живот в нашия свят? Хлебарите са известни със своята жизненост - много хора са убедени, че дори биха могли да оцелеят в ядрен апокалипсис. Тардиградите или водните мечки са още по-устойчиви. Те дори могат да оцелеят в космоса. В кипящите извори на Националния парк Йелоустоун живеят по едно водорасло. Около него има разяждаща вода, овкусена с арсен и тежки метали. За да остане жива на това смъртоносно място, тя използва неочакван трик.
Каква е нейната тайна? Кражба. Тя краде гени за оцеляване от други форми на живот. И тази тактика е много по-често срещана, отколкото може да се мисли.
Повечето живи същества, които живеят на екстремни места, са едноклетъчни организми - бактерии или археи. Тези прости и древни форми на живот нямат сложна биология на животните, но тяхната простота е предимство: те се справят много по-добре с екстремни условия.
В продължение на милиарди години те се криеха в най-негостоприемните места - дълбоко под земята, на дъното на океана, във вечната замръзналост или в кипящи горещи извори. Те са изминали дълъг път, развивайки гените си в продължение на милиони или милиарди години и сега им помагат да се справят с почти всичко.
Но какво, ако други, по-сложни същества могат просто да дойдат и да откраднат тези гени? Те биха постигнали еволюционен подвиг. С един замах те щяха да придобият генетиката, която им позволяваше да оцелеят на екстремни места. Те биха стигнали дотам, без да преминат през милионите години досадна и мъчителна еволюция, която обикновено се изисква, за да се развият тези способности.
И червените водорасли Galdieria sulphuraria също. Може да се намери в горещи сярни извори в Италия, Русия, Йелоустоунския парк в САЩ и Исландия.
Промоционално видео:
Температурите в тези горещи извори се повишават до 56 градуса по Целзий. Докато някои бактерии могат да живеят в басейни при температури около 100 градуса, а някои могат да се справят с температури около 110 градуса, в близост до дълбоководни извори, е доста забележително, че еукариотите са група от по-сложни форми на живот, включително животни и растения (червени водорасли - това растение) - може да живее при температура от 56 градуса.
Повечето растения и животни не могат да се справят с тези температури и с добра причина. Топлината води до разрушаване на химическите връзки в протеините, което води до тяхното разпадане. Това има катастрофален ефект върху ензимите, които катализират химичните реакции на организма. Мембраните около клетката започват да изтичат. При достигане на определена температура мембраната се срутва и клетката се разпада.
Още по-впечатляваща обаче е способността на водораслите да понасят кисела среда. Някои горещи извори имат стойности на рН между 0 и 1. Положително заредените водородни йони, известни още като протони, правят веществото киселинно. Тези заредени протони пречат на протеините и ензимите вътре в клетките, нарушавайки химичните реакции, жизненоважни за живота.
Температурите в тези горещи извори се повишават до 56 градуса по Целзий. Докато някои бактерии могат да живеят в басейни при температури около 100 градуса, а някои могат да се справят с температури около 110 градуса, в близост до дълбоководни извори, е доста забележително, че еукариотите са група от по-сложни форми на живот, включително животни и растения (червени водорасли - това растение) - може да живее при температура от 56 градуса.
Повечето растения и животни не могат да се справят с тези температури и с добра причина. Топлината води до разрушаване на химическите връзки в протеините, което води до тяхното разпадане. Това има катастрофален ефект върху ензимите, които катализират химичните реакции на организма. Мембраните около клетката започват да изтичат. При достигане на определена температура мембраната се срутва и клетката се разпада.
Още по-впечатляваща обаче е способността на водораслите да понасят кисела среда. Някои горещи извори имат стойности на рН между 0 и 1. Положително заредените водородни йони, известни още като протони, правят веществото киселинно. Тези заредени протони пречат на протеините и ензимите вътре в клетките, нарушавайки химичните реакции, жизненоважни за живота.
Този феномен на генен трансфер е известен като „хоризонтален генен трансфер“. Обикновено гените на жизнената форма се наследяват от родителите. При хората това е точно така: можете да проследите характеристиките си по клоните на вашето родословно дърво до първите хора.
Въпреки това се оказва, че и от време на време „извънземни“гени от съвсем различни видове могат да бъдат включени в ДНК. Този процес е често срещан при бактериите. Някои твърдят, че това се случва дори при хората, въпреки че е оспорено.
Когато чужда ДНК придобие нов собственик, не е нужно да стои със скръстени ръце. Вместо това тя може да започне да работи върху биологията на гостоприемника, като я насърчава да създава нови протеини. Това може да даде на собственика нови умения и да му позволи да оцелее в нови ситуации. Организмът гостоприемник може да тръгне по изцяло нов еволюционен път.
Общо Schoinknecht е идентифицирал 75 откраднати гени от водораслите, които е взел назаем от бактерии или археи. Не всички гени дават ясни еволюционни предимства на водораслите и точната функция на много гени е неизвестна. Но много от тях помагат на Галдиерия да оцелее в екстремни среди.
Способността му да се справя с токсични химикали като живак и арсен идва от гени, заимствани от бактерии.
Един от тези гени е отговорен за "арсеновата помпа", която позволява на водораслите ефективно да премахват арсена от клетките. Други откраднати гени, наред с други неща, позволяват на водораслите да отделят токсични метали, като същевременно извличат важни метали от околната среда. Други откраднати гени контролират ензимите, които позволяват на водораслите да детоксикират метали като живак.
Водораслите също са откраднали гените, които им позволяват да издържат на високи концентрации на сол. При нормални обстоятелства солената среда ще изсмуче вода от клетката и ще я убие. Но чрез синтезиране на съединения вътре в клетката, за да се изравни „осмотичното налягане“, Галдиерия избягва тази съдба.
Смята се, че способността на Галдиерия да толерира изключително кисели горещи извори се дължи на неговата непропускливост за протоните. С други думи, тя може просто да предотвратява навлизането на киселина в клетките. За целта той просто включва по-малко гени, които кодират канали в клетъчната мембрана, през които обикновено преминават протоните. Тези канали обикновено позволяват преминаването на положително заредени частици, като калий, от което клетките имат нужда, но също така позволяват на протоните да преминават през тях.
„Изглежда, че адаптацията към ниско рН е извършена чрез премахване на всякакъв мембранен транспортен протеин от плазмената мембрана, който би позволил на протоните да навлязат в клетката“, казва Scheunknecht. „Повечето еукариоти имат множество калиеви канали в плазмените си мембрани, но Галдиерия има само един ген, който кодира калиев канал. По-тесен канал ви позволява да се справите с висока киселинност."
Тези калиеви канали обаче вършат важна работа, те поемат калий или поддържат потенциална разлика между клетката и нейната среда. Все още не е ясно как водораслите остават здрави без калиеви канали.
Освен това никой не знае как водораслите се справят с висока температура. Учените не са успели да идентифицират гени, които биха обяснили тази особеност на нейната биология.
Бактериите и археите, които могат да живеят при много високи температури, имат съвсем различен вид протеини и мембрани, но водораслите са преминали през по-фини промени, казва Шонкнехт. Той подозира, че той променя метаболизма на мембранните липиди при различно повишаване на температурата, но все още не знае как точно се случва това и как му позволява да се адаптира към топлината.
Ясно е, че генното копиране дава на Галдиерия огромно еволюционно предимство. Докато повечето от едноклетъчните червени водорасли, свързани с G. sulphuraria, живеят във вулканични райони и се справят с умерена топлина и киселини, малко от неговите роднини могат да издържат на толкова топлина, киселина и токсичност, колкото G. sulphuraria. Всъщност на някои места този вид представлява до 80-90% от живота - това показва колко трудно е някой друг да нарече къщата на G. sulphuraria тяхна.
Остава още един очевиден и интересен въпрос: как водораслите са откраднали толкова много гени?
Тази алга живее в среда, която съдържа много бактерии и археи, така че в известен смисъл тя има способността да краде гени. Но учените не знаят как точно ДНК е прескочила от бактериите до толкова различен организъм. За да стигне успешно до гостоприемника, ДНК първо трябва да попадне в клетката, а след това в ядрото - и едва след това да се включи в генома на гостоприемника.
„Най-добрите предположения по това време са, че вирусите могат да прехвърлят генетичен материал от бактерии и археи към водорасли. Но това е чиста спекулация “, казва Шайнкнехт. „Може би влизането в клетка е най-трудната стъпка. Веднъж попаднал в клетка, влизането в ядрото и интегрирането в генома може да не е толкова трудно.
Хоризонталният трансфер на гени често се случва при бактериите. Ето защо имаме проблеми с антибиотичната резистентност. След като се появи устойчив ген, той бързо се разпространява сред бактериите. Смяташе се обаче, че генният обмен се среща по-рядко при по-напредналите организми, отколкото при еукариотите. Смятало се, че бактериите имат специални системи, които им позволяват да приемат нуклеинови киселини, каквито еукариотите не.
Вече са открити и други примери за напреднали същества, които крадат гени, за да оцелеят в екстремни условия. Снежните водорасли Chloromonas brevispina, които живеят в снега и ледовете на Антарктида, носят гени, които вероятно са взети от бактерии, археи или дори гъби.
Острите ледени кристали могат да пробият и перфорират клетъчните мембрани, така че съществата, живеещи в студен климат, трябва да намерят начин да се борят с това. Един от начините е да се произведат ледообвързващи протеини (IBP), които се секретират в клетка, която се придържа към лед, спирайки растежа на ледените кристали.
Джеймс Реймънд от Университета в Невада в Лас Вегас картографира генома на снежните водорасли и установява, че гените за свързващи леда протеини са изключително сходни при бактериите, археите и гъбите, което предполага, че всички те обменят способността си да оцеляват в студени условия по време на хоризонтала трансфер на ген.
„Тези гени са от съществено значение за оцеляването, тъй като те са открити във всички водорасли, адаптирани към студа, и нито един в топли условия“, казва Реймънд.
Има няколко други примера за хоризонтален трансфер на гени при еукариоти. Малки ракообразни, живеещи в антарктически морски лед, изглежда също са придобили това умение. Тези Stephos longipes могат да живеят в течни солени канали в лед.
„Полевите измервания показаха, че C. longipes живеят в преохладени саламури на повърхността на леда“, казва Райнер Кико, учен от Института за полярна екология към университета в Кил, Германия. "Подохладено означава, че температурата на тази течност е под нулата и зависи от солеността."
За да оцелеят и да се предпазят от замръзване, молекулите присъстват в кръвта на S. longipes и други телесни течности, които понижават точката на замръзване, за да съответстват на заобикалящата вода. В същото време ракообразните произвеждат незамръзващи протеини, които предотвратяват образуването на ледени кристали в кръвта.
Предполага се, че този протеин също е получен чрез хоризонтален генен трансфер.
Красивата пеперуда монарх също може да е откраднала гени, но този път от паразитна оса.
Блестящата оса от семейство Бракониди е известна с това, че внася насекомо яйце заедно с вирус. ДНК на вируса прониква в мозъка на гостоприемника, превръщайки го в зомби, което след това действа като инкубатор за яйцето на осата. Учените са открили гените на драконидите в пеперудите, дори тези пеперуди никога да не са срещали оси. Смята се, че правят пеперудите по-устойчиви на болести.
Еукариотите не крадат само отделни гени. Понякога кражбите са масови.
Смята се, че яркозеленият морски обитател Elysia chlorotica е придобил способността да фотосинтезира чрез ядене на водорасли. Този морски охлюв поглъща хлоропласти - органели, които извършват фотосинтеза - цели и ги съхранява в храносмилателните жлези. Когато бъде натиснат и няма водорасли за ядене, морският охлюв може да оцелее, като използва енергията от слънчевата светлина, за да превърне въглеродния диоксид и водата в храна.
Едно проучване показва, че морските охлюви също вземат гени от водорасли. Учените вмъкват флуоресцентни ДНК маркери в генома на водораслите, за да видят къде точно са били гените. След хранене с водорасли, морският охлюв придоби ген за регенерация на хлоропласт.
В същото време клетките в нашето тяло съдържат миниатюрни енергопродуциращи структури, митохондрии, които са различни от останалите ни клетъчни структури. Митохондриите дори имат свое собствено ДНК.
Има теория, че митохондриите са съществували като независими форми на живот преди милиарди години, но след това по някакъв начин те са започнали да се включват в клетките на първите еукариоти - може би митохондриите са били погълнати, но не и усвоени. Смята се, че това събитие се е случило преди около 1,5 милиарда години и е било ключов етап в еволюцията на всички висши форми на живот, растения и животни.
Генетичната кражба може да бъде често срещана еволюционна тактика. В края на краищата тя позволява на другите да вършат цялата упорита работа вместо вас, докато вие се възползвате от предимствата. Алтернативно, хоризонталният трансфер на гени може да ускори еволюционния процес, който вече е започнал.
„Организмът, който не се е адаптирал към топлина или киселина, е малко вероятно да засели внезапно вулканичните басейни, просто защото има гените, от които се нуждае“, казва Шонкнехт. "Но еволюцията е почти винаги процес стъпка по стъпка и хоризонталният трансфер на гени позволява големи скокове напред."
ИЛЯ ХЕЛ
