Az élet evolúciója A Trickster baktériumok megrázzák az élet családfáját - a
Az élet alakulása: a trükkös baktériumok megrendítik az élet családfáját
Minden jó mitológiában valaki trükkös és csaló szerepet játszik - és senki sem szívódik fel benne jobban, mint Loki, az ősi északi istenek legendás alakja. Loki állandóan bajt és sértett istentársait okozza. Alig lehet tőle megkérdezni, anarchikus és ambiciózus. Ő, és ezzel eljutunk a témához, a »Lokiarchaeota« baktériumcsoportjának tökéletes névadója, amely jelenleg arra készül, hogy alapvetően átírja a földünk korai életének fejlődéstörténetét.
A megfoghatatlan Lokiarchaeota az egysejtű élőlények alkategóriájába tartozik, az Archaea nevet viseli. Mikroszkóp alatt ezek baktériumoknak tűnhetnek, de bizonyos szempontból ugyanolyan egyértelműen különböznek egymástól, mint mi emberek. A lokik, amiknek becenevüket adták, először DNS-szekvenciákat írtak le, amelyeket Grönland közelében, a sáros tengerfenék mintáiból izoláltak. Ma néhány rokon mikrobával együtt arra kényszerítik a biológusokat, hogy válaszoljanak meg egy nagyon alapvető kérdésre az élet korai fejlődésével kapcsolatban: az eukarióták, az összes növényt, állatot és gombát magában foglaló élőlények megjelenése.
Az archeák felfedezése az 1970-es évek végén a kutatási világban felvetette azt a gondolatot, hogy a földi élet három ágra vagy "területre" oszlik. Az egyik ág a ma élő baktériumokhoz, a második az archeákhoz, a harmadik pedig az összes eukariótákhoz vezetett. Heves viták azonban hamarosan fellángoltak az élet ezen mellékágainak pontos elosztásáról. Egy széles körben megosztott életmodell azt feltételezte, hogy az eukarióták és az archeák közös ősöktől származnak. Ezzel szemben a "két tartományú" megközelítés versengő iskolája azt feltételezte, hogy az eukarióták sora elszakadt az archeák csupasz oldalsó ágától.
A vita időnként heves volt, de idővel elaludt - emlékeztet Phil Hugenholtz az ausztráliai Brisbane-i Queenslandi Egyetemről. Aztán a lokik ismét "friss széllökésként" stimulálták, mondja Hugenholtz - és biztosították a két területű tézis visszatérését. Mert: Az újonnan felfedezett archeák olyan génszekvenciákat mutattak, amelyeket addig az eukarióták tipikus jellemzőjének tekintettek. Ezenkívül genetikai felépítésük alapos elemzése megmutatta, hogy az eukariótáknak egy csoportba kell tartozniuk velük. Ha ez a helyzet, akkor a komplex élet minden formája - a zöld algától a kék bálnáig - elvileg valóban az archeák csoportjába tartozna.
Sok kutató még mindig távol áll erről. A családfák elkészítése közismerten összetett és élesen ellentmondásos kutatási terület. Emellett azonban soha senki sem tudta a laboratóriumban tartani a Loki törzseket, ami drasztikusan korlátozza a vizsgálati lehetőségeket. Így folytatódnak a keserű érvek, amelyek szerint az ellenfelek "rendkívül ellenségesek" - foglalja össze Hugenholtz: "Mindenki száz százalékig biztos abban, hogy az ellenfélnek valóban nincs igaza egyetlen ponton sem." Elővigyázatosságból egyesek már nem kommentálják a témát. hogy ne kockáztassam meg, hogy a helyszín egyik doyenjére lépjek.
Valami alapvető tét van itt: az evolúciós ugrás mélyebb megértése, amely végül az eukariótákhoz vezetett. Más szavakkal: "a legnagyobb dolog, ami az élet kezdete óta történt" - mondja Patrick Keeling evolúciós biológus, a Vancouveri Brit Kolumbiai Egyetemről. Az eukarióták eredetét kibontva úgy véli, hogy "az egyik legalapvetőbb kérdés a természeti biológiai sokféleség megértéséhez". Keeling szerint ezek megválaszolásához egyértelműen meg kell határozni, hogy ki kivel áll kapcsolatban.
Készítsen hármat a kettőből
Fél évszázaddal ezelőtt a tudomány szépen két kategóriába sorolta a földi életet: Egyrészt voltak eukarióták - sejtes szervezetek, amelyek hártyás belső struktúrákat is tartalmaznak, mint például a sejtmag; másrészt prokarióták, amelyeknek pusztán egysejtű szervezetekként általában nincsenek belső membránjaik. Abban az időben a biológia csak prokariótákként ismerte a baktériumokat.
Carl Woese evolúciós biológus és kollégái 1977-ben az archeát az élet harmadik formájának írták le, amely nyilván több milliárd évvel ezelőtt jelent meg. Woese szerint a földön élő összes szervezetet három és nem két alkategóriára kell osztani.
Ez nem maradt vitathatatlan. Például James Lake evolúciós biológus a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemen az 1980-as években elterjesztette, hogy az eukarióták és az archeák testvércsoportot alkotnak, az úgynevezett "eocitákat", szó szerint a "napfelkeltétől (az időtől kezdve)". A két tartományú forgatókönyv ebből az ötletből alakult ki. Lake és Woese most hevesen küzdött rivális modelljei miatt, amely végül egy hosszú legendás sikoltozó párbajhoz vezetett a 80-as évek közepén. Ezt követően Woese „egyáltalán nem akart találkozni Jim Lake-vel” - emlékeztet Patrick Forterre mikrobiológus a párizsi Pasteur Intézetből. Lake megerősíti az érvelés komolyságát: "Ez valóban elég vita volt, óriási mennyiségű politika kíséretében."
Carl Woese 2012-ben hunyt el. Ma az eukarióták eredetével kapcsolatos vita kissé civilizáltabb. Mindkét oldalról sokan azt gondolják, hogy az eukarióták valahogy az úgynevezett endoszimbiózis során keletkeztek. Ezt az elméletet a néhai biológus, Lynn Margulis tette ismertté: Elmondása szerint egy egyszerű sejt már évekkel ezelőtt lenyelte a baktériumot, majd gazdája lett. Ez kölcsönösen előnyös kapcsolatot eredményezett volna. A csapdába esett baktériumokból végül mitokondrium lett - az a sejtes alépítmény, amely energiát termel. Végül a hibrid sejtek mai eukarióták lettek.
Egy ragasztási pont azonban a mai napig elválasztja a két tábort: Vitatkoznak az eredeti sejt pontos természetéről. A három domén elmélet hívei szerint (mára kihalt) mikroba volt. Forterre például "proto-eukariótának" tekinti őket, vagyis olyan keverékként, amely nem volt sem teljesen modern eukarióta, sem pedig teljesen modern archeák. E megközelítés szerint az evolúció korai történetében több nagy hasadás következett be: először egymilliárd évvel ezelőtt, amikor az előfutár organizmusok baktériumokat és mikrobák egy csoportját termelték, amely mára kihalt. Ez a csoport ezután archeákra és későbbi eukariótákra szakadt.
A két területű világ szerint azonban a baktériumok és az archeák egy ősi ősből fejlődtek ki, és egy archeák nyelték le és tették haza a baktériumot. Ettől minden eukarióta az archeák egyfajta túláradó ágává válna - vagy ahogy egyes tudósok nevezik "másodlagos tartományként".
Titkosított üzenetek
Annak esélye nélkül, hogy az időben visszamenjünk a mikrobák eredetéhez, nehéz lesz ezeket a hipotéziseket értékelni. Nagyon kevés fosszilis nyomot ismerünk az első eukariótákról, és ezeket is nehéz elolvasni. Tehát a tudósoknak a modern organizmusok genomjára kell támaszkodniuk, mint az evolúció archívumára - egy archívumra, amelyet az idők folyamán megrendítettek. "Valószínűleg néhány milliárd éves rejtvényt próbálunk megoldani modern szekvenciaadatokkal" - mondja Tom Williams bioinformatikus a Bristoli Egyetemen. Nem könnyű feladat.
Végül is a viták korszerű génszekvenálási technológiákkal rendelkeznek. Egészen a közelmúltig a tudósoknak a laboratóriumban meg kellett tartaniuk a baktériumok vagy archeák törzseit egy adott élőhelyről, hogy azonosítsák őket. A kutatók most felmérhetik a víz- vagy talajminták mikrobiális sokféleségét a belőlük halászott DNS-nyomok felhasználásával, és matematikai módszerekkel - "metagenomika" segítségével - elemezhetik. Így történik, hogy a tudomány, amely 2002-ben csak az archaea két törzsét (vagy phyláját) ismerte, a metagenomikának köszönhetően drámai módon jobban tájékozott.
Az evolúció kutatói is gyorsan profitáltak a növekvő hozamból: Az új, erőteljes modellezési technikák az evolúciós ágak erdejét hajtják végre, amelyek részletes kapcsolatokat vázolnak fel az archeán belül. És: Sok esetben az eukarióták a kiterjesztett archeák családjába tartoznak. A bizonyítékok súlya, mondja Williams, "a mi szempontunkból valóban a mérleget a két tartományú eocitafa irányába billentette".
Mások még mindig túl kevésnek találták az adatokat ahhoz, hogy félretegyék a vitát. 2015-ben Thijs Ettema, a svéd Uppsala Egyetem akkori evolúciós mikrobiológusa által vezetett csoport közzétette a Lokiarchaeota DNS-szekvenciáit, amelyeket öt évvel korábban hoztak ki üledékmintákból. Alig két év alatt Ettema csapata és más kutatók végül bemutathattak három új, a Lokikhoz kapcsolódó archaea phyla-t. A kutatók e leletek csoportosítását "Asgard" -nak nevezték el a skandináv istenek mitikus birodalmáról.
Az Asgard Archaea aprócska, de kiderült, hogy erőteljesen élénkítik az élet számos területének valódi számáról folytatott ősi vitát. Mindenekelőtt a két domén hipotézisének híveit csábító nyomokkal látták el azzal a sejttípussal kapcsolatban, amelyből az első eukarióták származnak. Lokihoz hasonlóan névadójuk, a Lokiarchaeota és hozzátartozóik is túl egyértelmű értelmezést kerülnek el: kétségtelenül archeák, de genomjuk az eukariótákban is megtalálható gének keveréke. A Loki-DNS például az aktinek, az eukarióta sejtek tipikus állványfehérjeinek genetikai felépítési utasításait tartalmazza. Ezek a gének annyira helytelennek tűntek, hogy az őket felfedező kutató kezdetben egyszerűen azt feltételezte, hogy a szennyeződés az oka: „Azt mondtam, Hmm, hogy lehetséges ez? Ez valóban archaea genom lehet? ”- idézi fel Anja Spang mikrobiológus a holland királyi Texeli Tengerkutatási Intézetből. Az evolúciós modellek ugyanakkor megerősítik az Asgard archaea és az eukarióták közötti szoros kapcsolatot: Például az Ettema csapata által kiszámított összes törzskönyv az összes eukariótát az Asgard csoportba sorolja.
Közben sok kutató ilyen archeák adatsorokat használ, hogy jobb képet kapjon az eukarióta prekurzorról. Előfordulhat, hogy már az eukariótákra jellemző tulajdonságokkal rendelkezett, mielőtt felvette a mitokondriális prekurzort: Ettema elmagyarázza: "valószínűleg már voltak nagyon primitív membrán-biológiai folyamatok". Egy 2018-ban közzétett elemzés szerint az Asgard Archaea őse feltehetően olyan szerves molekulákat evett, mint a zsírsavak és a bután. Ez a diéta olyan végtermékeket eredményezett volna, amelyekből a társult baktériumok táplálkozhatnak. Az ilyen, a mikrobák területén gyakori tápanyagcsere fokozatosan egyre szorosabb kapcsolatokká fejlődhetett. Nem lehet, hogy az archeák és a baktériumok hozzáköszöntése egy cuddly távolságon belül, amelynek van értelme a könnyebb tápanyagcsere érdekében, végső soron végső soron elősegítette egymás felszívódását?
Az ilyen forgatókönyvek azonban még mindig kétségesek. A legnagyobb szkeptikus Patrick Forterre: Miután végigment az Asgard-tanulmányon, először alapvető ellentmondást tett közzé kollégáival.
Félrevezető jelzők?
Ettemát feldühítette a megközelítés: Forterre és csoportja azt javasolta, hogy a Lokis-ban talált eukarióta szekvenciák egy része szennyeződésnek tudható be. Például egy Loki fehérjét, a "2. megnyúlási faktort" "valószínűleg eukarióta szekvenciák szennyeznek" - írta cikkében a Forterre csapata. Ma Forterre azt mondja, hogy ebben nem teljesen biztos, de kollégáival kitartanak az Asgard evolúciós fákkal kapcsolatos kritikáik mellett. Még a kritizált családfák alkotói is elismerik, hogy nehéz feloldani a kétmillió évvel ezelőtt élt szervezetek közötti kapcsolatot.
A biológusok általában rekonstruálják az ilyen kapcsolatokat azáltal, hogy modellezik bizonyos "markerek" - általában egy fehérje vagy egy gén - időbeli változását. Forterre csoportja úgy véli, hogy Ettema csapata véletlenül félrevezető jelzéseket vett fel a családfa kiszámításakor. Forterre csoportja két különlegesen nagy markerfehérjével végezte el saját versengő elemzését a családfáról, mert a nagyobb fehérjeszerkezetek általában több információt is hordoznak a fejlődésük történetéről. Tehát három domainnel rendelkező családfával áll elő.
Ettema azt állítja, hogy a Forterre által használt két jelző nem teszi lehetővé, hogy elegendő következtetést vonjanak le a múltbeli eseményekről - ezt a kritikát bizonyosan megosztják más tudósok is. Emellett megpróbálta reprodukálni a Forterre leletet a két szóban forgó jelzővel, és más, bár publikálatlan eredményre jutott, nevezetesen ismét egy két tartományú családfára.
Az ilyen eltérések a résztvevők tanulmányi hátterének különbségei miatt következnek be? Ettema ezt gyanítja: Patrick Forterre "ragyogó tudós - a maga területén". A Lokikkal azonban "kissé túllépte szakmai szaktudásának határait". Forterre szerint már van némi ismerete a filogenetikáról - és társszerzői még inkább.