6 Minutės
Nauji genetiniai tyrimai ir molekulinės detekcijos analizės rodo, kad pirmieji žingsniai link sudėtingų, branduolio turinčių ląstelių — protėvių, iš kurių vėliau atsirado viskas nuo amebų iki žmonių — prasidėjo beveik prieš 3 milijardus metų. Toks laiko perkėlimas atgal gali versti persvarstyti eukariotų (branduolinių gyvų organizmų) kompleksijos atsiradimo datą net iki milijardo metų ir rodo lėtą evoliucinį kaupimąsi, kuris vyko ilgai prieš Žemės atmosferos reikšmingą oksigenaciją.
Peržiūrint, kada prasidėjo kompleksija
Gyvybė Žemėje tradiciškai skirstoma į dvi pagrindines grupes: prokariotus (bakterijas ir archaeas) ir eukariotus (ląsteles su branduoliu ir organelėmis). Prokariotinės ląstelės pasirodė pirmos maždaug prieš 4 milijardus metų; jos yra kompaktiškos ir efektyvios, turi plaukiojantį DNR ir minimalų vidinį struktūrinį sudėtingumą. Eukariotai, priešingai, turi vidaus membranas, branduolį ir organeles, tokias kaip mitochondrijos, kurios palaiko didesnius, griežčiau reguliuojamus genomus ir sudėtingesnes ląstelių funkcijas.
Tačiau tikslus laikas ir mechanizmai, kuriais įvyko šis šuolis link ląstelių sudėtingumo, ilgą laiką buvo diskutuotini. Vienas svarbiausių klausimų yra susijęs su mitochondrijų integracijos laiku — senoviniu partneryste, kai laisvai gyvenusi bakterija tapo ląstelės energijos gamykla. Ar mitochondrijos buvo pagrindinis veiksnys, sukėlęs eukariotinių požymių atsiradimą, ar proto-eukariotai jau buvo įgiję tam tikrą sudėtingumą prieš mitochondrijų endosimbiozę?
Kaip molekulinis laikrodis perrašo laiko juostą
Atsakant į šį klausimą, paleobiologas Christopher Kay iš Bristolio universiteto ir jo komanda atliko plačią molekulinių laikrodžių analizę, apimančią šimtus skirtingų rūšių. Molekuliniai laikrodžiai leidžia įvertinti skirtimosi laikus palyginant DNR arba baltymų sekas ir taikant mutacijų spartos modelius, sukalibruotus naudojant fosilinius laiko apribojimus. Šiame projekte sujungtos filogenetikos, paleontologijos ir molekulinės biologijos priemonės, kad būtų galima priskirti konkrečių genų šeimų atsiradimą absoliučiam laiko kontekstui.
Komandos sudaryta eukariotų evoliucijos laiko schema
Tyrėjai sukūrė modelį pavadinimu CALM — Complex Archaeon, Late Mitochondrion (liet. Kompleksinis archaeonas, vėlyvosios mitochondrijos), skirtą nustatyti, kada pasirodė tipiški eukariotų požymiai. Vietoje to, kad būtų remtasi tik keliais žymeklių genais, jie sekė šimtus genų šeimų, kurios sudaro pagrindą eukariotinių struktūrų ir procesų atsiradimui.
Pagrindinės išvados: ankstyvas karkasas, vėlyvosios mitochondrijos
Išvados yra įspūdingos. Baltymų, dalyvaujančių citoskeleto — ypač actino ir tubulino — struktūrų formavime, genetiniai parašai, kartu su primityviomis citoskeletinėmis struktūromis ir ankstyvuoju protonukleusu, pasirodo maždaug prieš 2,9–3,0 milijardo metų. Tai rodo, kad ląstelių organizacinis karkasas ir tam tikra vidaus erdvės diferenciacija pradėjo formuotis labai anksti.
Vėlesnėse evoliucijos bangose matyti vidaus membranų plėtra, Golgi aparato komponentų evoliucija, bei išaugusios genų raiškos sistemos — pvz., įvairesnės RNR polimerazių rūšys ir transkripcijos reguliavimo mechanizmai. Tokie pokyčiai leido efektyviau tvarkyti genetinę informaciją, suderinti transliaciją bei membranų tarpusavio bendradarbiavimą ir pasirengti platesnėms ląstelių funkcijoms.
Priešingai, į mitochondrijų šaką vedanti linija datuojama gerokai vėliau — maždaug prieš 2,2 milijardo metų. Šis laiko momentas glaudžiai sutampa su Didžiuoju oksidacijos įvykiu (Great Oxidation Event), kai atmosferos deguonies kiekis staigiai padidėjo. Iš to seka svarbi prielaida: daugelis eukariotinių naujovių jau vystėsi mažo deguonies sąlygomis, tačiau mitochondrijų atsiradimas ir pasikeitusi redoksinė aplinka greičiausiai paspartino tolesnę diverzifikaciją ir ląstelių kompleksijos didėjimą.
Kodėl tai svarbu evoliucinėje biologijoje
Jei ankstyvieji eukariotiniai požymiai atsirado milijardus metų prieš mitochondrijas, tai rodo, kad evoliucija vyko per ilgą laiką etapais, o ne per vieną staigų šuolį. Paprastos citoskeleto sistemos ir membraninės pertvaros suteikė organizacinių pranašumų — geresnę genomo priežiūrą, intraceliulinį transportą ir erdvinį reguliavimą — net ir anoksinėje (be deguonies) aplinkoje.
Vėliau, padidėjus deguonies kiekiui ir įsiterpus mitochondrijoms, ląstelės galėjo efektyviau vykdyti energiją reikalaujančias funkcijas (ATP sintezė), taip leidžiant augti genomams, plėstis ląstelių sudėtingumui ir užimti naujas ekologines nišas. Šis energetinis potencialas buvo reikšmingas geležis tam, kas vėliau tapo daugelio tipų daugialąstelinio gyvenimo evoliucija.
Metodologinis gylis ir tarpdisciplininis darbas
Tyrimo ypatingumas yra genų lygmens raiška, susieta su absoliučiu laiku. Analizuodami baltymų sąveikas, funkcinius genų šeimų grupavimus ir pririšdami molekulines mutacijų normas prie fosilinių įkalčių, autoriai rekonstruojo ne tik skirtimosi medį, bet ir seką, kuria atsirado skirtingos ląstelės sistemos. Tai reikalavo tarpdisciplininės ekspertizės: paleontologų, kurie pateikė amžiaus apribojimus; filogenetikų, kurie sudarė tvirtas evoliucines medžių hipotezes; ir molekulinių biologų, kurie interpretavo genų funkcijas.
Tokia integruota metodika leidžia užduoti tikslesnius evoliucinius klausimus: kurios molekulinės modulės atsirado pirmosios, kurios buvo perimtos ar modifikuotos vėliau, ir kaip aplinkos pokyčiai, tokie kaip deguonies lygio kaitos ar maistinių medžiagų prieinamumas, paveikė biologinę inovaciją. Be to, platus taksonominis imties pasirinkimas mažina klaidų riziką, susijusią su ribotu žymių genų vartojimu.
Reikšmė ir tolesni tyrimų keliai
Šie rezultatai persvarsto mūsų supratimą apie gyvybės giliąją istoriją. Jie rodo, kad sudėtinga ląstelės organizacija galėjo vystytis pamažu mažo deguonies sąlygomis, o vėliau, pasikeitus energetiniam fonui, išsiplėsti daug greičiau. Tai turi praktinių pasekmių ir astrobiologijai: ieškant sudėtingos gyvybės kitose planetose, reikia atsižvelgti, kad biologinė kompleksija gali kauptis etapais, galbūt ilgą laiką prieš planetos atmosferos oksigenaciją.
Ateities tyrimai turėtų toliau siaurinti laiko įverčius, testuoti CALM modelį platesnėje genomų įvairoje ir tirti, kaip tokie aplinkos veiksniai kaip maistingųjų medžiagų prieinamumas, redoksinės sąlygos ir mikrobiologinė ekologija formavo ankstyvąją eukariotų evoliuciją. Senieji uolienų įrašai, nauji biomarkeriai ir vis labiau pilni genomai iš įvairių mikrobiologinių linijų suteiks detalesnį, smulkesnį vaizdą apie šiuos procesus.
Ekspertų žvilgsnis
"Šie rezultatai piešia palaipsnės inovacijos vaizdą, o ne staigų perėjimą," teigia dr. Elaine Moreno, evoliucinė biologė, nedalyvavusi tyrime. "Citoplazminiai komponentai ir membraninės sistemos, pasirodančios taip anksti, rodo, kad natūrali atranka ilgą laiką eksperimentavo su vidinės ląstelės architektūra dar prieš mitochondrijų atsiradimą. Kai įvyko oksigenacija ir mitochondrijų endosimbiozė, šios jau paruoštos sistemos galėjo staigiai išsiplėsti."
Ji priduria: "Praktiškai šis darbas pabrėžia fosilijų, funkcinių genų medžių ir plataus taksonominio imties integracijos vertę. Tai galingas metodologinis šablonas giliesiems evoliucijos perėjimams tirti."
Ką stebėti toliau
- Išplėstinis genominis atrinkimas archaejų ir giliai šakotų eukariotų, siekiant patikrinti ankstyvųjų eukariotinių žymenų paplitimą ir išlikimą.
- Geocheminiai tyrimai, tikslinantys deguonies padidėjimo laiką ir regioninius skirtumus ankstyvosios Žemės istorijoje.
- Eksperimentiniai tyrimai, atstatant protinių baltymų sekas (ancestral protein reconstruction) ir vertinant, kaip primityvūs citoskeleto elementai funkcionavo mažo deguonies aplinkoje.
Šių tyrimų derinys leistų patikslinti CALM modelio prognozes, susisteminti genetinius įrodymus ir labiau aiškiai atskleisti ryšius tarp molekulinių inovacijų, ekologinių sąlygų ir geocheminių pokyčių. Toks tarpdisciplininis požiūris yra būtinas norint išnagrinėti vienus svarbiausių gyvybės istorijos etapus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą