Proces, o którym mowa to tzw. endosymbioza pierwotna. Zachodzi, gdy jeden mikroorganizm pochłania drugi i zaczyna go używać jak “narządu wewnętrznego”. W zamian komórka gospodarza zapewnia symbiontowi składniki odżywcze, energię, ochronę i inne korzyści – relacja rozwija się do tego stopnia, że organizm “pochłonięty” nie jest w stanie funkcjonować samodzielnie. Zamienia się w organellum komórkowe, takie jak mitochondrium czy chloroplast.
Czytaj też: Podręczniki biologii do poprawki! Odkryto nowe organellum komórkowe
Teraz naukowcy z Berkeley Lab opisali pierwsze znane organellum wiążącą azot w komórce eukariotycznej – tzw. nitroplast. Szczegóły opisane w czasopiśmie Science nie pozostawiają złudzeń, że mamy do czynienia z wyjątkowym zjawiskiem ewolucyjnym.
Dr Tyler Coale z UC Santa Cruz mówi:
Bardzo rzadko zdarza się, że organelle powstają z tego typu rzeczy. Kiedy pomyślimy, że coś takiego miało miejsce po raz pierwszy, dało to początek całemu złożonemu życiu. Wszystko bardziej skomplikowane niż komórka bakteryjna zawdzięcza swoje istnienie endosymbiozie pierwotnej. Mniej więcej miliard lat temu sytuacja powtórzyła się z chloroplastem i dzięki temu powstały rośliny.
Nitroplast – mamy nowe organellum
Uważa się, że w liczącej 4 mld lat historii życia na Ziemi endosymbioza pierwotna wydarzyła się tylko dwa razy i za każdym razem stanowiła ogromny przełom w ewolucji. Pierwsza miała miejsce ok. 2,2 mld lat temu, kiedy archeony połknęły bakterię, która stała się mitochondrium. To wyspecjalizowane organellum wytwarzające energię umożliwiło ewolucję praktycznie wszystkich złożonych form życia.
Czytaj też: Darwin się mylił? Ewolucja nie jest tak przypadkowa, jak nam się wydawało
Drugi raz endosymbioza pierwotna zaszła ok. 1,6 mld lat temu, kiedy niektóre z bardziej zaawansowanych komórek wchłonęły sinice mogące pozyskiwać energię ze światła słonecznego. Stały się one chloroplastami, które pozwoliły na powstanie roślin.
Teraz znowu doszło do endosymbiozy pierwotnej. Wykazano, że gatunek glonów o nazwie Braarudosphaera bigelowii pochłonął cyjanobakterię, która pozwala im zrobić coś, czego algi i rośliny nie potrafią. Mowa o “wiązaniu” azotu prosto z powietrza i łączeniu go z innymi pierwiastkami w celu wytworzenia bardziej przydatnych związków.
Azot jest kluczowym składnikiem odżywczym i zwykle rośliny i glony uzyskują je dzięki symbiotycznym związkom z bakteriami, które pozostają oddzielone. Początkowo sądzono, że B. bigelowii powiązała tego rodzaju sytuację z bakterią zwaną UCYN-A, ale po bliższym przyjrzeniu się naukowcy odkryli, że te dwie formy życia stały się jednością.
W jednym z ostatnich badań zespół odkrył, że stosunek wielkości glonów do UCYN-A pozostaje podobny u różnych spokrewnionych gatunków glonów. Wydaje się, że ich wzrost jest kontrolowany przez wymianę składników odżywczych, co prowadzi do powiązanych metabolizmów.
Prof. Jonathan Zehr z UC Santa Cruz dodaje:
Dokładnie to samo dzieje się z organellami. Jeśli spojrzysz na mitochondria i chloroplast, to jest to samo: skalują się wraz z komórką.
Odkrycie, które zmieni podręczniki do biologii
W kolejnym badaniu naukowcy z Berkeley Lab wykorzystali potężną technikę obrazowania rentgenowskiego, aby obejrzeć wnętrze żywych komórek glonów. Wykazano, że replikacja i podział komórek były zsynchronizowane między żywicielem a symbiontem, co stanowi kolejny dowód na działanie endosymbiozy pierwotnej.
Czytaj też: Ewolucja znowu nas zwiodła? Odkryto “niekonwencjonalne” organizmy
Na koniec porównano białka wyizolowanego UCYN-A z białkami znajdującymi się wewnątrz komórek glonów i odkryto, że wyizolowana bakteria może wyprodukować tylko ok. połowy potrzebnych jej białek, a resztę zapewnia żywiciel glonowy.
Prof. Jonathan Zehr dodaje:
To jedna z cech charakterystycznych czegoś przechodzącego z endosymbiontu do organelli. Zaczynają wyrzucać fragmenty DNA, a ich genomy stają się coraz mniejsze i zaczynają zależeć od komórki macierzystej, jeśli chodzi o transport produktów genów – lub samego białka – do komórki.
Według najnowszych ustaleń UCYN-A jest pełną organellą, której nadano nazwę nitroplastu. Wydaje się, że zaczęła ona ewoluować ok. 100 mln lat temu, co może wydawać się długim okresem, ale w porównaniu z mitochondriami i chloroplastami to okamgnienie.
Organelle zapewniają również wgląd w ekosystemy oceaniczne. Wszystkie organizmy potrzebują azotu w biologicznie użytecznej formie i polegają na utrwalaczach azotu, które rozbijają ściśle związany azot (N2) w atmosferze i przekształcają go w cząsteczki amoniaku (NH3), które można następnie przekształcić w niezliczone inne związki. Naukowcy odkryli, że UCYN-A występuje wszędzie – od tropików po Ocean Arktyczny – i wiąże on znaczne ilości azotu. Odkrycie może również zmienić rolnictwo. Możliwość syntezy nawozów amoniakalnych z azotu atmosferycznego umożliwiła rozwój rolnictwa – i światowej populacji – na początku XX wieku.
Jednak na temat UCYN-A i jego żywicieli wciąż jest wiele pytań bez odpowiedzi. Uczeni planują głębiej poznać sposób działania UCYN-A i glonów oraz zbadać różne szczepy. To odkrycie, o którym na pewno za jakiś czas będziemy czytać w podręcznikach do biologii.