7 Minutės
Grybai paruošė sceną gyvenimui sausumoje
Grybai diversifikavosi Žemėje gerokai anksčiau nei pirmosios sausumos augalų formos, o nauji genomikos tyrimai rodo, kad jie galėjo vaidinti centrinį vaidmenį ruošiant žemynus kolonizacijai. Pastarąjį laiką Okinavos mokslo ir technologijų institute (OIST) vadovaujama komanda panaudojo molekulinio laikrodžio metodus, papildytus horizontalaus genų perdavimo (HGT) įrodymais, kad tikslintų grybų evoliucijos chronologiją. Rezultatai rodo, jog šiandienos grybų bendras protėvis galėjo atsirasti maždaug prieš 1,4–0,9 milijardo metų — šimtus milijonų metų anksčiau už pirmuosius aiškius sausumos augalus.
Grybai atsirado dar prieš augalus ir formavo Žemę per ankstyvąsias dirvas bei maisto medžiagų ciklus. Jų nematoma, bet ilgalaikė palikimas rodo, kad jie galėjo paruošti planetą tam, kad gyvybė galėtų sėkmingai išplisti sausumoje. Credit: Shutterstock
Suprasti, kada grybai diversifikavosi, yra svarbu, nes jie yra ekologiniai inžinieriai: skaido uolienas ir organinę medžiagą, perdirba maistines medžiagas, sudaro partnerystes su kitais organizmais ir gali keisti dirvos struktūrą. Jeigu grybai buvo veiklūs sausumoje gerokai anksčiau už augalus, jie galėjo būti lemiami pradinės, primityvios dirvos formavimo bei maistinių ciklų kūrimo agentai, kurie padarė žemynų paviršius tinkamus gyventi.
Kodėl grybų vieta gilioje evoliucinėje istorijoje sunkiai nustatoma
Evoliucinių įvykių datavimas dažniausiai remiasi fosilijomis. Daugelio grupių — raudonųjų dumblių, gyvūnų bei sausumos augalų — paleontologiniai radiniai suteikia tvirtus laiko taškus. Tačiau grybai yra išskirtinai menkai atstovaujami fosiliniame registre. Jų dažniausiai minkšti, plaukuoti kūnai išsilaiko prastai, o sudėtinga daugialąstelė organizacija grybuose atsirado kelis kartus nepriklausomai iš skirtingų vienaląsčių protėvių. Toks derinys komplikuoja paprastus, griežtus medžių modelius: mažai tvarių fosilijų kartu su daugybiniais nepriklausomais sudėtingumo atsiradimais apsunkina vieno, aiškaus kilmės momento nustatymą.
Aiškių fosilijų pavyzdžių rasime daugelyje penkių pagrindinių gyvybės grupių – čia matome Dickinsonia fosiliją, kuri liudija senovinį gyvūnų gyvenimą. Credit: Citronnel/Wikimedia Commons, CC-BY-SA-4.0
Dėl šių spragų mokslininkai kreipiasi į molekulinę filogenetiką ir molekulinį laikrodį: genetiniai skirtumai kaupiasi palaipsniui, tad genomų palyginimas leidžia apytikriai nustatyti divergencijos datas. Tačiau molekuliniai laikrodžiai turi būti kalibruojami — reikia atrasti laiko šuolius (anchor points) iš fosilijų ar kitų laiko apribojimų, kad paverstume genetinius atstumus realiais metais. Grybams tokių „inkaro taškų“ trūksta, todėl iki šiol laikrodžio rodmenys buvo gana netikslūs — kol kas ši kryptis tapo tikslesnė.
Horizontalaus genų perdavimo svarba kaip laiko svertas
OIST vadovaujama grupė pasiūlė novatorišką kalibravimo pagerinimo būdą: jie išanalizavo genomus, ieškodami horizontalaus genų perdavimo (HGT) atvejų. Skirtingai nei įprastinis vertikalus paveldėjimas iš tėvo ūkio į palikuonis, HGT atsiranda, kai genas perkeliamas tarp nesusijusių linijų. Toks perdavimas suteikia kryptinį laiko apribojimą: jeigu linija A perduoda geną linijai B, tuomet donorinė linija turėjo egzistuoti anksčiau nei tas B palikuonis, kuriame genas yra nustatomas.
Identifikavę 17 patikimų HGT įvykių tarp grybų linijų, tyrėjai sukūrė tinklą „senesnis-neuž“ ir „jaunesnis-neuž“ ryšių. Šie apribojimai buvo derinami su esamomis fosilijų datomis, kad susiaurintų molekulinio laikrodžio diapazoną ir gautų tikslesnę grybų diversifikacijos chronologiją. Tai išradingas genominis sprendimas papildyti menką fosilinį archyvą ir sumažinti neapibrėžtumą nustatant išsiskyrimo datas.
Chronologijos peržiūra: grybai prieš augalus
Panaudojus HGT kalibruotą molekulinį laikrodį, tyrimas apskaičiavo šiuolaikinių grybų paskutinio bendro protėvio amžių apie 1,4–0,9 milijardo metų. Šis laiko tarpas rodo reikšmingą periodą — šimtus milijonų metų — tarp grybų pradinės diversifikacijos ir pirmųjų neabejotinų sausumos augalų (apie 470 milijonų metų). Per tą ilgą intervalą grybai kartu su dumbliais tikriausiai kūrė sausumos mikrobiologines bendruomenes, cirkuliavo mineralus ir organinę medžiagą bei po truputį keitė uolienų paviršius.
Dr. Lénárd L. Szánthó, vienas iš pagrindinių autorių, apibendrino ekologines pasekmes: grybai yra esminiai maistinių medžiagų perdirbėjai ir biologinių partnerystių kūrėjai. Jeigu jie jau diversifikavosi iki augalų atsiradimo, jų sąveika su dumbliais ir kitomis mikroorganizmų grupėmis galėjo sukurti tarpinę aplinką, kuri vėliau leido augalams sėkmingai įsitvirtinti sausumoje.
Šie rezultatai keičia mūsų supratimą apie žemynų kolonizaciją. Vietoje to, kad augalai būtų laikomi pagrindiniais sausumos ekosistemų pionieriais, jie galėjo atvykti į aplinką, kurią jau iš esmės pakeitė grybų veikla: pradedančios formuotis dirvos, išsamesnės maistinių atsargų sankaupos ir biologiniai tinklai, palengvinę vėlesnį augalų įsitvirtinimą.
Mokslinis kontekstas: daugialąstelė sudėtingybė ir penkios linijos
Sudėtingas daugialąstelis gyvenimas — organizmai su specializuotomis ląstelėmis, sudarančiomis audinius — Žemėje atsirado nepriklausomai bent penkis kartus: gyvūnuose, sausumos augaluose, grybų grupėje, raudonuosiuose dumbluose ir ruduojuosiuose dumbluose. Kiekvienas perėjimas prie daugialąstelės organizacijos reikalavo naujų inovacijų, tokių kaip ląstelių prisitvirtinimo molekulės, tarpląstelinio signalo perdavimo sistemos ir koordinuota ląstelių diferenciacija. Nors fosilijos pateikia tiesioginius įrodymus kai kurioms linijoms (pvz., Ediakaros gyvūnams, ankstyvosioms dumblių kilpų struktūroms ir augalų sporuose), grybų fosilinis palikimas yra fragmentiškas. Todėl nustatant grybų sudėtingumo atsiradimo laiką užsipildo esminė spraga mūsų vaizde, kaip gyvenimas įvairiuose medžio šakų taškuose organizavosi į sudėtingas formas.
Pasekmės Žemės sistemoms ir tolesnių tyrimų kryptys
Jeigu grybai padėjo formuoti ankstyvąsias dirvas ir maistinių medžiagų ciklus, tai turi svarbių pasekmių modeliuojant ankstyvąjį sausuminį cheminį vandenų ir uolienų ardymą, anglies ciklą ir ekosistemų atsaką į geologinius pokyčius. Pripažinus grybus kaip ilgalaikius ekosistemų inžinierius, atsiveria naujos eksperimentinės ir lauko tyrimų galimybės: ieškoti fosilizuotų grybų veiklos pėdsakų (pvz., mineralų pokyčių, izotopinių signalų) ir išplėsti genomų mėginių imtį tarp menkai ištirtų arba ankstyvų evoliucinių šakų grybų.
Tyrimas taip pat pabrėžia genomikos metodų — molekulinių laikrodžių, filogenomikos ir HGT aptikimo — integracijos su paleontologija naudą. Tolimesnė pažanga priklausys nuo didesnio genų banko (daugiau genomų), patikimesnių molekulinės evoliucijos modelių ir naujų fosilijų atradimų, kurie galėtų suteikti nepriklausomus laiko kalibrus.
Ekspertų įžvalgos
"Šis darbas parodo, kaip genominis detektyvavimas gali atskleisti Žemės paslėptą istoriją," sako dr. Miriam Halvorsen, mikrobinė ekologė (fiktyvus kontekstiniam vertinimui). "Grybai dažnai lieka nematomi inžinieriai: jie keičia mineralus, sulaiko maistines medžiagas ir stato mikrobinį karkasą, kurį vėliau naudoja kiti organizmai. Genominiai įrodymai, kad grybai jau diversifikavosi gerokai anksčiau už augalus, rodo, jog sausumos užkariavimas buvo daugiasluoksnis procesas, kurį iš esmės ruošė mikrobinės bendruomenės."
Dr. Halvorsen priduria, kad HGT pagrindu parengta kalibravimo metodika gali būti pritaikyta ir kitoms grupėms, kurių fosilinis įrašas menkas, padedant tikslinti evoliucinių perėjimų laiko juostas visame gyvybės medyje.
Susijusios technologijos ir perspektyvos
Technologijos, kurios pagreitins šiuos tyrimus, apima didelio pralaidumo genomų sekoskaitą ankstyvosioms, šakomis besiskiriančioms grybų linijoms bei aplinkos mėginiams, pažangesnius algoritmus seniems HGT įvykiams aptikti ir geocheminius instrumentus, leidžiančius fiksuoti grybų atmosferinės ir mineralogeninės tvaros biosignatūras senovinėse uolienose. Šių metodų derinys leis tiesiogiai patikrinti hipotezę, jog grybų veikla iš esmės pakeitė žemynų paviršius prieš plačiai paplitus augalams.
Be to, geresnės metagenomos ir paleogenomikos priemonės gali atskleisti retrospektyvias sąveikas tarp grybų ir dumblių ar bakterijų — pavyzdžiui, identifikuoti konkrečius metabolinius kelius, kurie leido intensyviau ardytis uolienoms ar ilgiau išlaikyti organines medžiagas dirvų horizontuose.
Išvados
Atsiranda vis labiau įtikinamas vaizdas, kuriame grybai nebuvo vėluojantys lankytojai sausumoje, bet ilgalaikiai gyvenamųjų sąlygų architektai. Diversifikavęsi ir sąveikaudami su dumbliais bei mikroorganizmais per šimtus milijonų metų, grybai galėjo sukurti pirmąsias dirvas ir maistinių tinklų sistemas, kurios leido augalams vėliau sėkmingai įsitvirtinti. Genomikos, HGT analizės ir paleontologijos junginys atveria naują kelią rekonstrukcijai Žemės gylio ekologinei istorijai ir padeda geriau suprasti biologines jėgas, formavusias planetą, kurioje gyvename.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą