Lokiai ir Asgardai – paslaptingieji mikrobai keičia žmonijos vietą gyvybės medyje

Netgi dievai nesusitvarko su Loki'u, skandinavų mitologijos triksteriu. Tad, gal buvo pernelyg neapdairu kviesti liūdnai pagarsėjusį slapuką į modernaus mokslo pasaulį – tačiau būtent tai tyrėjų komanda 2008 metais ir padarė. Rasti hidroterminių versmių grupę Norvegijos jūros dugne jiems sekėsi sunkiai, nes karščio pėdsakas nenustygo vietoje. Kai galiausiai šiuos uolinius versmių kaminus jie aptiko, pamanė, kad visai tiktų pavadinti juos Loki'o pilimi, – aliuzija į Loki'o gebėjimą gluminti aplinkinius savo formos pokyčiais.

Netrukus rūpesčius ėmė kelti ir mažiausi šios pilies gyventojai. Ten gyvenantys keisti mikrobai (neišvengiamai pavadinti Loki'u) nušviečia vieną iš didžiausių evoliucijos paslapčių: sudėtingos gyvybės atsiradimą. Negana to, jie vėl įžiebė ginčus dėl gyvybės medžio formos, vieno iš fundamentaliausių biologijos būdų aprašyti gyvybės atsiradimą Žemėje, kas turėjo pasekmių mums visiems. Loki'o atradimas galėjo susieti žmoniją su keista vienaląsčių organizmų, grupe – archėja, kas iš esmės pakeistų supratimą apie mūsų rūšį.

Vadovėliuose rašoma, kad netrukus po biologinių ląstelių atsiradimo Žemėje prieš daugiau nei 3,5 milijardus metų, gyvybė vystėsi trimis skirtingais keliais. Viena kelio atšaka yra bakterijos – tik per mikroskopą matomi vienaląsčiai organizmai. Antra – irgi paprasti, bet biologiškai besiskiriantys mikrobai archėjai. Trečioji atšaka apima sudėtingus organizmus, vadinamus eukariotais – šiai grupei priklauso gyvūnai, augalai ir grybai. Nuo savo paprastesnių giminaičių jie skiriasi ląsteliniu lygiu, vidine jų struktūra.

Abejonės tokiu gyvybės medžio vaizdavimu kilo daug anksčiau nei buvo aptikti Loki. Jos kilo, devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, Italijos karštose sieringose versmėse atradus visiškai naują archėjų tipą. Šie organizmai vadinami Crenarchaeota, kitaip – eocitais, bet jų ląstelių struktūra atrodė panaši į eukariotų, kas negalėjo nestebinti. Lig tol jos buvo laikomos skirtingomis.

Tokie artimą archėjų ir eukariotų ryšį bylojantys panašumai ir paskatino Jamesą Lake]ą iš Kalifornijos universiteto Los Angeles pasiūlyti alternatyvią gyvybės medžio versiją. Jis iškėlė idėją, kad ląstelinė gyvybė iš pradžių skilo į dvi atšakas, tad iš tiesų tėra du gyvybės domenai: bakterijos ir archėjai.

Viena iš Lake'o idėjos kylančių išvadų yra, kad eukariotų evoliucinė atšaka priklauso archėjams – kaip biologai sutaria, kad paukščiai yra evoliucinė dinozaurų atšaka. Gal žvirblis ir nepanašus į Brachiozaurą, bet techniškai jis yra dinozauras. Taip ir čia, – Williamas Shakespeare'as ar Albertas Einšteinas, atrodo, nieko bendro neturintys su metaną gaminančiais drumzlinų pelkių mikrobais, bet remiantis Lake'o scenarijumi, jie techniškai yra archėjai.

Lake'o idėja pavadinta eocito hipoteze. Bet vadovėliuose apie ją neužsimenama. „Iš esmė ji buvo ignoruojama,“ sako Martinas Embley'is iš Newcastle'o universiteto, JK. „Niekada iš tikrųjų nesupratau, kodėl.“

Po dešimtmečio Embley'is su kolegomis prie šios idėjos grįžo. Viena iš ankstyvosios gyvybės tyrinėjimo problemų yra ta, kad prieš milijardus metų egzistavę organizmai jau seniai išnykę, todėl remiasi dabartinių organizmų biologijos supratimu.

Tad, Embley'is su kolegomis analizavo dešimtis dabartinių bakterijų, archėjų ir eukariotų genų, stengdamiesi nustatyti šių trijų grupių sąryšį. Ir nustebo, išsiaiškinę, kad rezultatai gerai dera su eocitų hipotezės dviejų domenų medžiu.

Ne visi buvo pasirengę tokiam sukrėtimui. „Niekada neteko patirti tokio sunkaus recenzavimo, kaip su šiuo straipsniu,“ prisimena Embley'is. „Mane stebino tai, kad žmonės nenurodė, kur konkrečiai esame neteisūs. Jie paprasčiausiai netikėjo mūsų rezultatais.“

Tiesą sakant, evoliucinių įvykių, tikriausiai nutikusių prieš daugiau nei 3,5 mlrd. metų, atkūrimas nėra lengvas, pastebi Embley'is. Užduotį dar apsunkina tai, kad skirtingų domenų organizmai neretai DNR atkarpomis apsikeičia „horizontaliai“ – tiesiogiai absorbuodami, o ne paveldėdami. Embley'is sako, kad gyvybės medžio formą geriau pažinti galime, sutelkdami dėmesį į genus, kuriais apsikeisti horizontaliai itin sunku. Pavyzdžiui, kai kurie fermentai sąveikauja su tokia plačia ląstelės molekulių palete, kad mikrobams jais apsikeisti su negiminingų mikrobų versijomis itin nelengva. Dėl to šiuos fermentus koduojantys genai horizontalaus apsikeitimo išvengia. Tyrėjams pradėjus naudotis šiuo metodu, dviejų domenų medis tapo populiaresnis. „Žmonės ima manyti, kad dviejų domenų gyvybės medis yra geriau paremta hipotezė,“ sako Embley'is.

Bet norint iš tiesų įtvirtinti idėją, dviejų domenų šalininkams reikėjo simbolinio atradimo – kažko tokio, kaip plunksnuoto dinozauro fosilijos, pasirodžiusios praėjusio amžiaus dešimtajame dešimtmetyje ir galutinai įtikinusio daugelį abejojusių paukščių ir dinozaurų ryšiu. Štai čia scenon žengia Loki'ai.

Thijs Ettema, dabar dirbantis Wageningen universitete Nyderlanduose, su kolegomis atliko greta Loki'o pilies paimtų dumblino jūros dugno mėginių DNR sekoskaitą. Dalis sekų priklausė archėjams, bet juose taip pat buvo dešimtys genų, kurie, manyta, būdingi tik eukariotams. Tai buvo plunksnuotų dinozaurų atitikmuo tarp archėjų–eukariotų – kitaip tariant, Loki'ai buvo trūkstama grandis, rodanti, kad kai kurie archėjai evoliucionavo į pirmuosius eukariotus. „Nedrįsome tikėtis padaryti tokį atradimą,“ sako Ettema. „Tai super jaudinama.“

„Jie buvo mikrobinis plunksnuotų dinozaurų ekvivalentas“

Loki'ai, oficialiau vadinami Lokiarchaeota, turi versijas genų, padedančių eukariotams savo viduje kurti membranomis apribotus skyrelius. Be tokių skyrelių eukariotinės ląstelės neturėtų esminio savo bruožo, branduolio.

Dar tipiniame Loki'o genome yra versijos genų, padedančių eukariotinėms ląstelėms apgobti mažesnius mikrobus. Tai irgi gali būti svarbu – daugelis biologų mano, kad eukariotai išaugo ir tapo sudėtingesni tik dėl to, kad juose yra ląstelių jėgainės – mitochondrijos, o manoma, kad mitochondrijos anksčiau buvo mažos bakterijos, kurias apgobė primityvūs eukariotai.

Kartu tokie atradimai dera su su idėja, kad eukariotai išsivystė iš archėjų ir yra šio domeno dalis. „Gal mums reikia apsiprasti, kad esame kažkokia keista archėjų grupė,“ sako Ettema.

Nuo 2015-ųjų tyrėjai panašių Loki mikrobų aptiko visame pasaulyje – Rumunijos ežeruose, Australijos mikrobinėse paklotėse ir hidroterminėse versmėse Naujojoje Zelandijoje ir JAV Jeloustouno nacionaliniame parke. Kiekviena tokių mikrobų grupė pavadinta, pagerbiant vis kitą skandinavų mitologijos personažą ir kolektyviai vadinami Asgardo archėjais.

Netgi kai kurie tyrėjai, skeptiškai vertinę dviejų domenų idėją, linkę sutikti, kad Loki'ai – ir plačiau žiūrint, Asgardai – yra artimi eukariotų giminaičiai. Tarp jų ir Gregory Fournier iš MIT. Tačiau Fournier pažymi, kad šis Asgard-eukariotų ryšys nebūtinai reiškia, kad gyvybės medį reikia apgenėti, vietoje trijų domenų paliekant tik du.

Per milijardus evoliucijos metų eukariotai tapo biologiškai nepalyginamai sudėtingesni už archėjus ar bakterijas. Bet ankstyviausi eukariotų atšakos mikrobai tikriausiai buvo biologiškai tokie paprasti, kad veikiausiai nuo archėjų nelabai ir skyrėsi. Tad, įmanoma, jog Asgardai buvo panašūs į archėjus, nors iš tikrųjų pakartojo ankstyvą kelio link eukariotų atsiradimo versiją. Pagal tokį scenarijų, Asgardai tebetiktų tradiciniam trijų domenų medžiui.

Detalesnis Asgardų tyrimas galėtų padėti panaikinti dvejones ar jie tikrai archėjai. Šie mikrobai pirmą kartą buvo identifikuoti, lyginant jų DNR fragmentus, bet gyvų Asgardo mikrobų nėra pavykę aptikti. Taigi, buvo susitelkta, į tai, kaip išauginti juos laboratorijoje ir atidžiai išnagrinėti jų biologiją ir elgesį.

Čiuptuvų atradimas

Hiroyuki Imachi iš Japonijos jūros ir sausumos mokslų ir technologijos agentūros tai atliko pirmieji. Jie paskelbė izoliavę ir išauginę Asgard tipo mikrobus iš pietinės Japonijos pakrantės dugno. Nepaklusdami tendencijai, pavadino juos Prometheoarchaeum syntrophicum, pagal graikų, ne skandinavų mitologijos veikėją.

Šį mikrobą laboratorijoje auginti taip sunku (ir ilgai trunka), kad Imachi'o komanda eksperimentą pradėjo dviem metais anksčiau, nei buvo atrasta Loki'o pilis – ir dar keliais metais anksčiau, nei Ettema ir jo kolegos aptiko ten gyvuojančius Lokius. Nepaisant tokios visų vingrybių, P. syntrophicum tebėra pirmasis dirbtinai išaugintas Asgardas. Imachi'o straipsnį mikrobiologai šlovino. „Iš tiesų jaudinama pagaliau turėti Loki'o kultūrą,“ sako Fournier.

Tyrimas rodo, kad P. syntrophicum turi labai keistas čiuptuvus primenančias ataugas. Imachi'o komanda spėlioja, kad jomis senoviniai asgardiniai mikrobai apsupdavo bakterijas ir galiausiai jas inkorporuodavo į savo ląsteles, kaip mitochondrijas, taip tapdami pirmaisiais eukariotais. Dar komanda parodė, kad šie mikrobai negyvena atskirai, ir gali augti tik apsijungę į nedideles bendruomenes su kitais mikrobais, užtikrinančiais jų išlikimą. Ši artima partnerystė galėjo ir paskatinti Asgardus inkorporuoti pagalbinius mikrobus.

P. syntrophicum atradimas stiprina idėją, kad Asgardai yra artimi eukariotų giminaičiai, bet nepadeda nuspręsti ar Asgardo mikrobai iš tiesų yra archėjai, pažymi Fournier. Pavyzdžiui, jokie žinomi archėjai tokių čiuptuviškų ataugų, kaip P. syntrophicum neturi. Bėda, kad tai yra gan specializuotas Asgardo mikrobas. Norint klausimą išrišti galutinai, dar teks gerokai paplušėti. Fournier sako, kad dabar reikia išauginti Asgard rūšį, panašesnę į ankstyviausiais grupės evoliucijos stadijas, nes taip bus lengviau nuspręsti, ar tokie primityvūs Asgardai yra archėjai.

Galiausiai, Loki'ai ir Asgardai gali pastūmėti biologus atsisakyti trijų domenų gyvybės medžio versijos ir priimti dviejų domenų. Bet net jeigu radikalaus pokyčio neįvyks, šie organizmai nušviečia sudėtingų gyvybės formų, kuriai priklausome ir mes, kilmę. Išdykėliui skandinavų dievui tikrai patiktų jo vardu pavadintų mikrobų išprovokuotas sujudimas.