Hvad er den mest stabile og stærke livsform i vores verden? Kakerlakker er berømte for deres vitalitet - mange mennesker er overbeviste om, at de endda kunne overleve en nuklear apokalypse. Tardigrades, eller vandbjørne, er endnu mere modstandsdygtige. De kan endda overleve i rummet. Der er en alge, der lever i de kogende sure kilder i Yellowstone National Park. Rundt det er kaustisk vand, aromatiseret med arsen og tungmetaller. For at holde sig i live på dette dødbringende sted brugte hun et uventet trick.
Hvad er hendes hemmelighed? Tyveri. Hun stjæler gener for at overleve fra andre livsformer. Og denne taktik er langt mere almindelig, end man måske tror.
De fleste levende ting, der lever ekstreme steder, er encellede organismer - bakterier eller arkæer. Disse enkle og gamle livsformer har ikke kompleks dyrebiologi, men deres enkelhed er en fordel: de klarer sig meget bedre under ekstreme forhold.
I milliarder af år gemte de sig på de mest ugæstfrie steder - dybt under jorden, i bunden af havet, i permafrost eller i kogende varme kilder. De er kommet langt og har udviklet deres gener over millioner eller milliarder år, og nu hjælper de dem med at klare næsten alt.
Men hvad hvis andre, mere komplekse skabninger bare kunne komme sammen og stjæle disse gener? De ville have opnået en evolutionær bedrift. På en gang ville de have erhvervet den genetik, der gjorde det muligt for dem at overleve ekstreme steder. De ville komme derhen uden at gå igennem de millioner af år med kedelig og krævende udvikling, der normalt kræves for at udvikle disse evner.
Dette er præcis, hvad den røde alge Galdieria sulphuraria gjorde. Det findes i varme svovlkilder i Italien, Rusland, Yellowstone Park i USA og Island.
Salgsfremmende video:
Temperaturerne i disse varme kilder stiger til 56 grader Celsius. Mens nogle bakterier kan leve i puljer ved temperaturer omkring 100 grader, og nogle kan klare temperaturer omkring 110 grader tæt på dybhavskilder, er det ganske bemærkelsesværdigt, at eukaryoter er en gruppe af mere komplekse livsformer, der inkluderer dyr og planter (røde alger - denne plante) - kan leve ved en temperatur på 56 grader.
De fleste planter og dyr kunne ikke klare disse temperaturer og med god grund. Varme fører til ødelæggelse af kemiske bindinger i proteiner, hvilket fører til deres sammenbrud. Dette har en katastrofal virkning på enzymer, der katalyserer kroppens kemiske reaktioner. Membranerne omkring cellen begynder at lække. Når en bestemt temperatur er nået, kollapser membranen, og cellen går i opløsning.
Endnu mere imponerende er algernes evne til at tolerere et surt miljø. Nogle varme kilder har pH-værdier mellem 0 og 1. Positivt ladede hydrogenioner, også kendt som protoner, gør et stof surt. Disse ladede protoner interfererer med proteiner og enzymer inde i cellerne og forstyrrer de livsvigtige kemiske reaktioner.
Temperaturerne i disse varme kilder stiger til 56 grader Celsius. Mens nogle bakterier kan leve i puljer ved temperaturer omkring 100 grader, og nogle kan klare temperaturer omkring 110 grader tæt på dybhavskilder, er det ganske bemærkelsesværdigt, at eukaryoter er en gruppe af mere komplekse livsformer, der inkluderer dyr og planter (røde alger - denne plante) - kan leve ved en temperatur på 56 grader.
De fleste planter og dyr kunne ikke klare disse temperaturer og med god grund. Varme fører til ødelæggelse af kemiske bindinger i proteiner, hvilket fører til deres sammenbrud. Dette har en katastrofal virkning på enzymer, der katalyserer kroppens kemiske reaktioner. Membranerne omkring cellen begynder at lække. Når en bestemt temperatur er nået, kollapser membranen, og cellen går i opløsning.
Endnu mere imponerende er algernes evne til at tolerere et surt miljø. Nogle varme kilder har pH-værdier mellem 0 og 1. Positivt ladede hydrogenioner, også kendt som protoner, gør et stof surt. Disse ladede protoner interfererer med proteiner og enzymer inde i cellerne og forstyrrer de livsvigtige kemiske reaktioner.
Dette genoverførselsfænomen er kendt som "vandret genoverførsel". Typisk arves livsformgener fra forældre. Hos mennesker er dette nøjagtigt tilfældet: Du kan spore dine egenskaber langs grenene på dit stamtræ til de allerførste mennesker.
Ikke desto mindre viser det sig, at både nu og da kan "fremmede" gener af helt forskellige arter inkluderes i DNA'et. Denne proces er almindelig hos bakterier. Nogle hævder, at dette forekommer selv hos mennesker, selvom det er omstridt.
Når andres DNA erhverver en ny ejer, behøver det ikke sidde ledigt. I stedet kan hun begynde at arbejde med værtsbiologi og tilskynde hende til at skabe nye proteiner. Dette kan give ejeren nye færdigheder og give ham mulighed for at overleve i nye situationer. Værtsorganismen kan starte en helt ny evolutionær vej.
I alt identificerede Schoinknecht 75 stjålne gener fra tang, som den lånte fra bakterier eller arkæer. Ikke alle gener giver alger en klar evolutionær fordel, og den nøjagtige funktion af mange gener er ukendt. Men mange af dem hjælper Galdieria med at overleve i ekstreme miljøer.
Dens evne til at håndtere giftige kemikalier som kviksølv og arsen kommer fra gener lånt fra bakterier.
Et af disse gener er ansvarlig for "arsenpumpen", der gør det muligt for alger at effektivt fjerne arsen fra celler. Andre stjålne gener tillader blandt andet algerne at frigive giftige metaller, mens de ekstraherer vigtige metaller fra miljøet. Andre stjålne gener kontrollerer enzymer, der gør det muligt for alger at afgifte metaller som kviksølv.
Algerne har også stjålet generne, der gør det muligt for dem at modstå høje saltkoncentrationer. Under normale omstændigheder suger et saltvand miljø ud af cellen og dræber det. Men ved at syntetisere forbindelser inde i cellen for at udligne det "osmotiske tryk" undgår Galdieria denne skæbne.
Galdierias evne til at tolerere ekstremt sure varme kilder menes at være på grund af dens uigennemtrængelighed for protoner. Med andre ord kan hun simpelthen forhindre syre i at komme ind i sine celler. For at gøre dette inkluderer det simpelthen færre gener, der koder for kanaler i cellemembranen, gennem hvilke protoner normalt passerer. Disse kanaler tillader normalt positivt ladede partikler, såsom kalium, at passere igennem, hvilke celler har brug for, men de tillader også protoner at passere igennem.
"Tilpasningen til lav pH ser ud til at være opnået ved at fjerne ethvert membrantransportprotein fra plasmamembranen, der ville tillade protoner at komme ind i cellen," siger Scheunknecht.”De fleste eukaryoter har flere kaliumkanaler i deres plasmamembraner, men Galdieria har kun et gen, der koder for en kaliumkanal. En smallere kanal giver dig mulighed for at klare høj syreindhold."
Disse kaliumkanaler udfører imidlertid vigtigt arbejde, de optager kalium eller opretholder en potentiel forskel mellem cellen og dens omgivelser. Hvordan algerne forbliver sunde uden kaliumkanaler er endnu ikke klart.
Ingen ved også, hvordan algerne klarer høj varme. Forskere har ikke været i stand til at identificere gener, der ville forklare dette særlige træk ved hendes biologi.
Bakterier og arkæer, som kan leve ved meget høje temperaturer, har en helt anden form for protein og membraner, men algen har gennemgået mere subtile ændringer, siger Scheunknecht. Han har mistanke om, at det ændrer metabolismen af membranlipider ved forskellige temperaturstigninger, men ved endnu ikke nøjagtigt, hvordan dette sker, og hvordan det gør det muligt at tilpasse sig varmen.
Det er klart, at kopiering af gener giver Galdieria en enorm evolutionær fordel. Mens de fleste af de encellede røde alger relateret til G. sulphuraria lever i vulkanske områder og håndterer moderat varme og syrer, kan kun få af dens slægtninge tåle så meget varme, syre og toksicitet som G. sulphuraria. Nogle steder tegner denne art sig faktisk for op til 80-90% af livet - dette indikerer, hvor svært det er for en anden at kalde G. sulphuraria-huset deres.
Der er stadig et mere åbenlyst og interessant spørgsmål: hvordan stjal algerne så mange gener?
Denne alge lever i et miljø, der indeholder mange bakterier og arkæer, så på en måde har den evnen til at stjæle gener. Men forskere ved ikke nøjagtigt, hvordan DNA sprang fra bakterier til en så anden organisme. For at nå frem til værten skal DNA først komme ind i cellen og derefter ind i kernen - og først derefter inkorporere sig i værtens genom.
”De bedste gæt på dette tidspunkt er, at vira kan overføre genetisk materiale fra bakterier og arkæer til alger. Men dette er ren spekulation,”siger Scheunknecht.”Måske er det sværeste at komme ind i et bur. Når det er inde i en celle, er det måske ikke så svært at komme ind i kernen og integrere i genomet.
Vandret genoverførsel forekommer ofte i bakterier. Dette er grunden til, at vi har problemer med antibiotikaresistens. Når et resistent gen vises, spreder det sig hurtigt blandt bakterier. Man mente imidlertid, at genudveksling forekommer sjældnere i mere avancerede organismer end i eukaryoter. Man mente, at bakterier har specielle systemer, der gør det muligt for dem at acceptere nukleinsyrer, som eukaryoter ikke har.
Imidlertid er der allerede fundet andre eksempler på avancerede skabninger, der stjæler gener for at overleve under ekstreme forhold. Snealgerne Chloromonas brevispina, der lever i Antarktis sne og is, bærer gener, der sandsynligvis blev taget fra bakterier, arkæer eller endda svampe.
Skarpe iskrystaller kan gennembore og perforere cellemembraner, så skabninger, der lever i kolde klimaer, skal finde en måde at bekæmpe dette på. Én måde er at producere isbindende proteiner (IBP'er), der udskilles i en celle, der klæber sig til is, der stopper væksten af iskrystaller.
James Raymond fra University of Nevada i Las Vegas kortlagde sne-algenet og fandt ud af, at generne for isbindende proteiner var bemærkelsesværdigt ens i bakterier, arkæer og svampe, hvilket tyder på, at de alle udvekslede evnen til at overleve under kolde forhold under den vandrette genoverførsel.
"Disse gener er vigtige for at overleve, fordi de er fundet i alle kolde tolerante alger og ingen under varme forhold," siger Raymond.
Der er flere andre eksempler på vandret genoverførsel i eukaryoter. Små krebsdyr, der lever i Antarktis havis, synes også at have erhvervet denne færdighed. Disse Stephos longipes kan leve i flydende saltkanaler i is.
"Feltmålinger har vist, at C. longipes lever i superkølede saltlager på et islag," siger Rainer Kiko, videnskabsmand ved Institut for Polarøkologi ved Kiel Universitet i Tyskland. "Underkølet betyder, at temperaturen på denne væske er under frysepunktet og afhænger af saltholdighed."
For at overleve og forhindre sig i at fryse, er der molekyler til stede i blodet fra S. longipes og andre kropsvæsker, der sænker frysepunktet for at matche det omgivende vand. Samtidig producerer krebsdyr ikke-frysende proteiner, der forhindrer dannelse af iskrystaller i blodet.
Det antages, at dette protein også blev opnået ved vandret genoverførsel.
Den smukke monark sommerfugl kan også have stjålet gener, men denne gang fra en parasitisk hveps.
Den glansfulde hveps fra familien Braconid er kendt for at introducere et æg sammen med en virus i et værtsinsekt. Virusens DNA hacker sig ind i værtens hjerne og gør det til en zombie, som derefter fungerer som en inkubator for hvepsets æg. Forskere har opdaget generne af draconider i sommerfugle, selvom disse sommerfugle aldrig har mødt hveps. De menes at gøre sommerfugle mere modstandsdygtige over for sygdomme.
Eukaryoter stjæler ikke bare individuelle gener. Nogle gange er tyverier enorme.
Den lyse grønne marine indbygger Elysia chlorotica menes at have erhvervet evnen til fotosyntese ved at spise alger. Denne søsnegl indtager kloroplaster - organeller, der udfører fotosyntese - hele og opbevarer dem i fordøjelseskirtlerne. Når der trykkes på, og der ikke er nogen alger at spise, kan havsneglen overleve ved at bruge sollysens energi til at omdanne kuldioxid og vand til mad.
En undersøgelse viser, at havsnegle også tager gener fra alger. Forskere indsætter fluorescerende DNA-markører i algenet for at se nøjagtigt, hvor generne var. Efter fodring med alger erhvervede havsneglen et gen til kloroplastregenerering.
Samtidig indeholder cellerne i vores krop små energiproducerende strukturer, mitokondrier, der adskiller sig fra resten af vores cellulære strukturer. Mitokondrier har endda deres eget DNA.
Der er en teori om, at mitokondrier eksisterede som uafhængige livsformer for milliarder af år siden, men så begyndte de på en eller anden måde at blive inkluderet i cellerne i de første eukaryoter - måske blev mitokondrierne slugt, men ikke fordøjet. Denne begivenhed menes at have fundet sted for omkring 1,5 milliarder år siden og var en vigtig milepæl i udviklingen af alle højere livsformer, planter og dyr.
Genetisk stjæling kan være en almindelig evolutionær taktik. Når alt kommer til alt lader hun andre gøre alt det hårde arbejde for dig, mens du høster fordelene. Alternativt kan vandret genoverførsel fremskynde en evolutionær proces, der allerede er begyndt.
”En organisme, der ikke har tilpasset sig varme eller syre, vil sandsynligvis ikke pludselig befolke vulkanske bassiner, simpelthen fordi den har de gener, den har brug for,” siger Scheunknecht. "Men evolution er næsten altid en trin-for-trin proces, og vandret genoverførsel muliggør store spring fremad."
ILYA KHEL
