Mokslininkai sužavėti - „tokio atradimo nedrįsome net prognozuoti“: paslaptingi mikrobai padės išspręsti vieną iš didžiausių evoliucijos paslapčių

Net dievams nebuvo lengva susitvarkyti su Loki, vikingų mitologiniu išdaigininku. Tad, tokį liūdnai pagarsėjusį apsukruolį kviestis į šiuolaikinio mokslo pasaulį gal ir buvo neapgalvotai drąsu, bet būtent tai tyrėjų komanda 2008 metais ir padarė.

Norvegijos jūros dugne jiems sunkiai sekėsi rasti hidroterminių versmių grupę, nes jos šiluminis pėdsakas atrodė nuolat judantis. Kai galiausiai uolėtus kaminus rado, pamanė, kad visai tiktų juos pavadinti Lokio pilimi pagal Lokio gebėjimą klaidinti jį persekiojančius keičiant savo pavidalą.

Netrukus problemas ėmė kelti ir mažiausi pilies gyventojai. Ten gyvenantys keisti mikrobai (savaime suprantama, pavadinti Loki) nušviečia vieną iš didžiausių evoliucijos paslapčių: sudėtingos gyvybės atsiradimą.

Negana to, jie vėl pakurstė ginčą apie vieno iš fundamentaliausių gyvybės atsiradimo Žemėje apibūdinimų – gyvybės medžio, formą, kas neišvengiamai susiję ir su mumis. Loki atradimas žmoniją gali priskirti į vieną grupę su keistais vienaląsčiais organizmais, vadinamais archėjais, kas dramatiškai pakeistų mūsų rūšies apibūdinimą.

Vadovėliuose rašoma, kad netrukus po to, kai Žemėje prieš daugiau nei 3,5 milijardus metų atsirado biologinės ląstelės, įvyko išsiskyrimas padalinęs gyvybę į tris skirtingas atšakas. Iš vienos kilo bakterijos – vienaląsčiai, maži, tik mikroskopu matomi organizmai.

Iš antrosios kilo irgi paprasti, tačiau biologiškai kitokie mikrobai – archėjai. O iš trečiosios atšakos kilo sudėtingi organizmai, vadinamieji eukariotai, grupė, kurioje ir žmonės, ir medžiai, ir grybai. Nuo savo paprastesnių giminaičių jie skiriasi jau turinčiomis sudėtingą vidinę struktūrą ląstelėmis.

Tokiu paveikslu abejota dar ilgai iki Loki atradimo. Abejonės kilo, praėjusio amžiaus devintajame dešimtmetyje Italijos karštosiose sieringose versmėse atradus visiškai naujo tipo archėjus. Šie organizmai vadinami Crenarchaeota, dar žinomi kaip eocitai, bet jų ląstelių sandara panaši į eukariotų, kas buvo keista. Lig tol šios dvi grupės buvo laikomos skirtingomis.

Šie panašumai rodė artimą evoliucinį archėjų ir eukariotų ryšį ir paskatino Jamesą Lake'ą iš Kalifornijos universiteto Los Angelese iškelti alternatyvios gyvybės medžio versijos idėją. Jis teigė, kad ląstelinė gyvybė iš suskilo į dvi atšakas, tad tėra du gyvybės domenai: bakterijos ir archėjai.

Viena iš Lake'o idėjos implikacijų – eukariotai yra evoliucinė archėjų atšaka, panašiai kaip biologai dabar sutaria, kad paukščiai yra evoliucinė dinozaurų atšaka. Žvirbliai gal ir nelabai panašūs į brachiozaurus, bet techniškai yra dinozaurai.

Panašiai ir Viljamas Šekspyras ar Albertas Einšteinas neatrodo turintys ką bendro su metaną gaminančiomis pelkių bakterijomis, – bet pagal Lake'o scenarijų, visi techniškai esame archėjai.

Lake'o idėja tapo žinoma, kaip eocitų hipotezė. Bet vadovėliuose apie tai neužsimenama. „Iš esmės tai buvo ignoruojama,“ sako Martinas Embley'is iš Newcastle'o universiteto, JK. „Niekada iš tiesų nesupratau, kodėl.“

Prieš dešimtmetį, Embley'is su kolegomis idėją peržiūrėjo. Viena iš ankstyvųjų gyvybės formų tyrimo problemų yra tai, kad prieš milijardus gyvenę organizmai jau seniausiai išnyko, taigi tyrimai remiasi dabartinių organizmų biologijos supratimu.

Taigi, siekdamas suprasti tarpusavio ryšius, Embley'is ir jo komanda analizavo dešimtis dabartinių bakterijų, archėjų ir eukariotų genų. Jų nuostabai, gauti rezultatai įtikimai rodė eocitų hipotezės siūlomą dviejų domenų gyvybės medį.

Tokiam sukrėtimui ne visi buvo pasirengę. „Niekad neteko patirti tokio sunkaus recenzavimo proceso, koks supo šį straipsnį,“ sako Embley'is. „Man buvo keista, kad žmonės neparodė, kad kurioje nors konkrečiai vietoje buvome neteisūs. Jie tiesiog nepatikėjo mūsų rezultatais.“

Tiesą sakant, prieš daugiau nei 3,5 milijardus metų nutikusius evoliucinius įvykiu rekonstruoti nėra lengva. Šią užduotį dar apsunkina ir tai, kad skirtingų domenų organizmai DNR dalimis dažnai apsikeičia „horizontaliai“ – tai yra, absorbuoja, o ne paveldi.

Embley'is pažymi, kad geriau gyvybės medžio formą galime apčiuopti, sutelkdami dėmesį į tuos genus, kuriais susikeisti horizontaliai itin sunku. Pavyzdžiui, kai kurie fermentai reaguoja su tiek įvairiausių ląstelės molekulių, kad mikrobai savo geno versijomis su negiminingais mikrobais lengvai susikeisti negali.

Dėl to šiuos fermentus koduojantys genai yra atsparūs horizontaliam perdavimui. Tyrėjams ėmus naudoti tokį, tikslesnį, būdą, dviejų domenų medis tapo populiaresniu, sako Embley'is. „Dabar žmonės ima manyti, kad dviejų domenų medžio hipotezė yra geriau paremta,“ sako jis.

Bet norint tikrai įtvirtinti šią idėją, dviejų domenų šalininkams reikėjo simbolinio atradimo – kažko, prilygstančio plunksnuotų dinozaurų fosilijoms, kurios buvo atkastos dešimtajame dešimtmetyje ir galutinai įtikino daugelį abejojusių dinozaurų ir paukščių ryšiu. Čia pasakojime pasirodo Loki.

Dabar Wageningeno universitete Nyderlanduose dirbantis Thijs Ettema su kolegomis nuskaitė iš dumblino jūros dugno netoliese Loki'o Pilies surinktą DNR.

Dalis jos atrodė priklausanti archėjams, tačiau taip pat turėjo dešimtis genų, kurie, kaip anksčiau manyta, priklauso išimtinai eukariotams. Tai buvo plunksnuotų dinozaurų atitikmuo archėjų-eukariotų pasaulyje – kitaip tariant, Loki buvo trūkstama jungtis, rodžiusi, kaip kai kurie archėjai evoliucionavo, tapo itin sudėtingi ir virto pirmaisiais eukariotais. „Tokio atradimo nedrįsome net prognozuoti,“ sako Ettema. „Tai labai smarkiai jaudina.“

„Jie buvo mikrobiniai plunksnuotų dinozaurų ekvivalentai”

Loki, oficialiau vadinami Lokiarchaeota, turi genų, padėjusių eukariotams savo ląstelėse susikurti membranomis atskirtas dalis, versijas. Jei tokių dalių nebūtų, eukariotinės ląstelės neturėtų svarbiausio savo bruožo – branduolio.

Be to, tipiškame Loki genome yra versijos geno, padedančio eukariotinėms ląstelėms apgaubti mažesnius mikrobus. Tai gali būti dar vienas svarbus atradimas. Daugelis biologų mano, kad eukariotai dideli ir sudėtingi tapo tik todėl, kad turi ląstelines jėgaines – mitochondrijas, ir dabar vyrauja idėja, kad mitochondrijos iš pradžių buvo smulkesnės bakterijos, kurias apgaubė primityvūs eukariotai.

Bendrai visi tokie atradimai atitinka idėją, kad eukariotai išsivystė iš archėjų domeno, ir yra jo dalis. „Gal reikia pratintis prie idėjos, kad esame kažkokia keista archėjų grupė,“ svarsto Ettema.

Nuo 2015 metų tyrėjai į Loki panašių mikrobų rado visame pasaulyje – Rumunijos ežeruose, Australijos mikrobiniuose paklotuose ir hidroterminėse versmėse Naujojoje Zelandijoje ir Yellowstone nacionaliniame parke JAV. Kiekviena grupė pavadinta vis kito vikingų mitologijos veikėjo vardu ir, išlaikant mitologinę nuorodą, kartu vadinami Asgardo archėjais.

Netgi kai kurie tyrėjai, dviejų domenų idėją anksčiau vertinę skeptiškai, dabar yra linkę sutikti, kad Loki'iai – ir kalbant plačiau, Asgardai – artimi eukariotų giminaičiai. Tarp jų ir Gregory'is Fournier iš MIT. Tačiau Fournier teigimu, svarbu pabrėžti, kad šis Asgard ir eukariotų ryšys nebūtinai reiškia, kad gyvybės medį reikia nugenėti nuo trijų iki dviejų domenų.

Po milijardų metų evoliucijos eukariotai tapo biologiškai nepalyginamai sudėtingesni už archėjus ar bakterijas. Bet ankstyviausi link eukariotų vedančios šakos mikrobai turėjo būti tokie biologiškai paprasti, kad veikiausiai buvo panašūs į archėjus. Todėl gali būti, kad Asgardai buvo panašūs į archėjus, tačiau iš tiesų užėmė pradines kelionės link eukariotų pozicijas. Pagal tokį scenarijų, Asgardai tabeetilptų į tradicinį trijų domenų medį.

Detaliau tyrinėjant Asgardus, reikėtų, nepalikti abejonių, ar jie tikrai yra archėjai. Pirmą kartą šie mikrobai buvo identifikuoti iš jų DNR fragmentų, tačiau gyvų Asgardų niekas nematė. Todėl buvo susitelkta į jų kultivavimą laboratorijoje, kad būtų galima tinkamai ištirti jų biologiją ir elgesį.

Čiuptuvų atradimas

Pernai Hiroyuki Imachi iš Japonijos Jūros ir Žemės mokslų ir technologijos agentūros su kolegomis tapo pirmaisiais, kuriems tai pavyko. Jie paskelbė izoliavę ir išauginę Asgardą, surinktą iš jūros dugno Japonijos pietinėje pakrantėje. Priešindamiesi tendencijai, pavadino jį ne vikingų, o senovės graikų mitologijos veikėjo garbei Prometheoarchaeum syntrophicum.

Šį mikrobą auginti laboratorijoje auginti taip sunku, o ir auga jis labai lėtai, tad Imachio komanda eksperimentą pradėjo prieš 14 metų, dviem metais anksčiau, nei buvo rasta Loki pilis – ir dar keliais metais anksčiau, nei Ettema ir jo kolegos išsiaiškino, kad Loki ten gyvena. Nepaisant tokios supainiotos laiko juostos, P. syntrophicum tebėra pirmieji išauginti Asgardai. 2020 metų sausį publikuotą Imachio straipsnį mikrobiologai priėmė labai teigiamai. „Iš tiesų nuostabu pagaliau turėti užaugintą Loki,“ sako Fournier.

Tyrimas rodo, kad P. syntrophicum turi labai keistus čiuptuvus primenančias ataugas. Imachio komanda spėlioja, kad jais senoviniai į Asgardus panašūs mikrobai galėjo apgobti bakterijas ir galiausiai įtraukti jas į savo ląsteles kaip mitochondrijas ir tapti pirmaisiais eukariotais. Dar komanda parodė, kad šie mikrobai negyvena patys sau, ir gali augti tik apsijungę su nedidele kitų mikrobų bendrija, užtikrinančia jų išlikimą. Iš tokios glaudžios partnerystės taip pat galėjo rastis Asgardų rūšys su inkorporuotais pagalbiniais mikrobais.

P. syntrophicum atradimai padeda pagrįsti idėją, kad Asgardai yra artimi eukariotų giminaičiai, bet iš tiesų vienareikšmiškai neparodo, ar Asgardo mikrobai tikrai yra archėjai, sako Fournier. Pirma, jokie žinomi archėjai tokių čiuptuvus primenančių ataugų kaip P. syntrophicum neturi. Bėda, kad tai yra ganėtinai specializuotas Asgardo mikrobas. Dar tikrai teks paplušėti, norint padėti tašką šioje istorijoje. Fournier sako, kad reikėtų užauginti Asgardų rūšis, kurios panašesnės į ankstyviausias grupės evoliucijos stadijas, nes tada būtų lengviau nuspręsti, ar tokie primityvūs Asgardai yra archėjai.

Galiausiai, Loki'iai ir Asgardai gali paskatinti biologus atmesti trijų domenų gyvybės medžio versiją vardan dviejų. Bet net jeigu jie tokių radikalių pokyčių nesiims, šie naujai atrasti organizmai nušviečia tokios sudėtingos gyvybės, kokia esame patys, ištakas. Vikingų pokštų dievui tikrai patiktų jo vardu pavadintų mikrobų provokuojama sumaištis.