Več novih raziskav lahko pomaga osvetliti eno najpomembnejših postaj v zgodovini življenja: nastanek kompleksnih celic pred dvema milijardama let. Strokovnjaki so v oceanih in na kopnem odkrili redke mikroorganizme, ki predstavljajo prehod med preprostimi in kompleksnimi celicami.
Med kompleksnimi celicami, vključno s tistimi v človeškem telesu, in preprostimi mikrobi, kot je E. coli, so razlike očitne. Kompleksne celice so polne kompartmentov, torej zamejenih delov, kot sta celično jedro, ki hrani DNK, in mitohondriji, ki vsebujejo encime za oskrbo celice z energijo. Kompleksne celice imajo tudi notranje omrežje, s katerim lahko spreminjajo položaj, in sicer tako, da posamezne dele te strukture razgradijo in zgradijo nove izrastke. Pri bakterijah E. coli ničesar od tega ni: nimajo ogrodja, mitohondrijev ne ločenega celičnega jedra.
Te razlike in še mnoge druge ustvarjajo eno najpomembnejših delitev v živem svetu. Vrste iz kompleksnih celic so evkarionti, med katere spadajo živali, rastline in glive ter nekateri enoceličarji. E. coli in podobni preprosti mikrobi pa so prokarionti.
Prokarionti so se pojavili pred več kot štirimi milijardami let, evkarionti pa so nastali veliko pozneje, nekje pred 2 do 2,5 milijarde let.
Vprašanje, kako so iz preprostejših prokariontov nastali kompleksni evkarionti, strokovnjake zaposluje že desetletja. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so ob natančnem proučevanju mitohondrijev, virov energije evkariontskih celic, naleteli na pomembno sled. V mitohondrijih so odkrili droben nabor genov, ki ni bil prav nič podoben DNK v celičnem jedru. Izkazalo se je, da so mitohondriji v močni genetski povezavi z bakterijami, ki iz kisika pridobivajo gorivo.
To odkritje je nakazovalo, da so predniki evkariontov vase ujeli bakterije, ki delujejo s kisikom, nato pa jih uporabili za pridobivanje lastnih virov. A ta uvid je o evkariontih še vedno pustil veliko neodgovorjenih vprašanj. Kakšen organizem je bil na primer tisti začetni celični, ki je vase vgradil mitohondrije?
Lov na Asgarde
Leta 2015 so raziskovalci naredili še eno pomembno odkritje. Iz usedlin, zbranih z morskega dna v Arktiki, so izluščili fragmente DNK, iz njih pa sestavili celotne genome tamkajšnjih mikrobov. Eden od njih je bil takšen, kakršnega še nikoli niso našli: prokariont, ki je vseboval številne gene, ki so jih prej našli le pri evkariontih. Med temi evkariontskimi geni so bili nekateri, ki sodelujejo pri gradnji celičnega ogrodja. Drugi pa so pomagali pri oblikovanju kompartmentov, v katerih evkariontske celice razgrajujejo zastarele beljakovine.
Strokovnjaki so začeli iskati druge člane te razvojne linije, podobne evkariontom. Iskanje je bilo sprva izjemno počasno, večina odkritij pa je bila narejena na vzorcih iz globokomorskih usedlin. Posebno razvojno linijo so poimenovali Asgard, po domu skandinavskih mitoloških bogov.
Brett Baker, mikrobni ekolog s Teksaške univerze, si je v zadnjih nekaj letih prizadeval pospešiti iskanje. S sodelavci je organiziral odprave za lov na Asgarde na globokomorske lokacije ob obali Kalifornije in v plitve obalne vode Kitajske. V laboratoriju so nato uporabili nove, učinkovite tehnike za iskanje DNK redkih mikrobov.
Raziskava je bila uspešna, kot so strokovnjaki pred kratkim poročali: na svojih odpravah so našli 404 novih vrst Asgardov. Ugotovili so tudi, da so zbirke podatkov prejšnjih raziskav vsebovale še 30 genomov Asgardov, ki so bili prej spregledani. Strokovnjaki so tako v eni sami raziskavi skoraj podvojili število znanih vrst Asgardov.
»Število Asgardov eksplozivno raste, konca tega procesa pa ni videti«
pravi John Archibald, evolucijski biolog z Univerze Dalhousie v Kanadi, ki pri novi raziskavi ni sodeloval.
Mnogi novi mikrobi Asgard živijo v globokem morju, drugi pa v obalnih vodah. Spet tretji živijo na kopnem, v nešteto vrstah habitatov, od večno zmrznjene tundre do toplih lagun. Čeprav niso zelo pogosti, so zelo razširjeni. »Če gremo na vrt in sekvenciramo prst, bomo našli Asgarde,« pravi Baker.
Ujeti na delu
Čeprav so strokovnjaki vse boljši pri iskanju DNK Asgardov, jim živih celic Asgardov še vedno težko uspe proučevati. Christa Schleper, mikrobiologinja z Dunajske univerze, in njeni sodelavci so osem let ugotavljali, kako gojiti Asgarde, ki so jih našli v usedlinah brez kisika ob obali Slovenije.
Naposled so nekaj živih Asgardov položili na steklene ploščice in jih posneli z video kamero.
Ko so posnetek pospešili, so videli, kako mikrobi lezejo po ploščici – prvič je kdo videl ta bitja v gibanju.
Gibanje Asgardov je razkrilo nove zanimive sledi o izvoru evkariontov. Plezajo tako, da preoblikujejo svoje celično ogrodje in zgradijo dolge »lovke«, s katerimi segajo naprej in se oprijemajo ploščice. Prokarionti se ne gibljejo tako, evkarionti pa. Videoposnetki torej nakazujejo, da so Asgardi več ključnih lastnosti evkariontov, na primer ogrodje, uporabno za plezanje, razvili že precej pred pojavom evkariontov.
Predniki mitohondrijev so zagotovo bili mikrobi, ki dihajo kisik, zato so živeli v okoljih, bogatih s kisikom. Asgardi, ki živijo v usedlinah brez kisika, se z njimi torej niso mogli srečati. A Bakerjeva nova raziskava ponuja tudi nekaj sledi o tem, kako je do tega monumentalnega srečanja lahko prišlo. Raziskovalec in njegovi sodelavci so našli številne nove Asgarde, ki živijo v obalnih vodah, bogatih s kisikom. Natančen pregled njihovih genov pa kaže, da za svoj metabolizem uporabljajo kisik. »Kaže, da vdihavajo kisik in porabljajo organski ogljik – kar nam je zelo domače, saj tudi mi počnemo isto,« pravi Baker.
Na podlagi vsega tega strokovnjaki menijo, da so evkarionti začeli nastajati na zgodnji Zemlji, ko kisika še ni bilo. Zgodnji mikrobi Asgard so se razvijali z ogrodjem, ki so ga uporabljali za plezanje po oceanskem dnu. Zemljina atmosfera se je začela spreminjati pred približno 2,5 milijarde let.
Kisik stopi na prizorišče
Nekatere bakterije so začele fotosintetizirati, kar jim je omogočilo, da za rast uporabljajo ogljikov dioksid in sončno svetlobo. Pri tem pa so kot stranski produkt sproščale kisik. Kisik se je postopoma kopičil v ozračju in prodrl v plitve obalne vode.
Za mnoge mikrobe je bil pojavljajoči se kisik strupen. A nekateri Asgardi, ki živijo v obalnih vodah, so se kisiku prilagodili, nato pa so se z njim začeli preživljati.
»Potem so to sposobnost prenesli na evkarionte,« ugiba Baker. Raziskovalec sumi tudi, da so Asgardi v obalnih vodah, bogatih s kisikom, srečali bakterije, iz katerih so pozneje nastali mitohondriji. Pri morski raziskavi ob obali Kitajske je skupina v isti plasti usedline kot Asgarde našla tudi bakterije, ki so v tesnem sorodstvu z mitohondriji.
Ko so Asgardi pridobili mitohondrije, se je njihov presnovni sistem, ki temelji na kisiku, dramatično pospešil. Dobili so obilno oskrbo z energijo, kar jim je omogočilo, da so postali večji in dobili več sposobnosti, na primer lov na prokarionte. Svet se je tako iz temeljev spremenil.
Kot pojasnjuje Kathryn Appler, mikrobna ekologinja z Inštituta Pasteur, ki je pri novi raziskavi sodelovala z Bakerjem, na srečo strokovnjakom ni treba potovati dve milijardi let nazaj v času, da bi to hipotezo preizkusili. Namesto tega je dovolj, da še naprej proučujejo današnje obalne vode. Mogoče je, da današnji Asgardi sledijo isti poti kot prvi evkarionti in z bakterijami vzpostavljajo tesno partnerstvo. »Včasih tudi ponoči razmišljam, kaj se danes dogaja v usedlinah,« pravi Appler.
