Evoluția vieții bacteriilor păcălitoare agită arborele genealogic al vieții - spectrul de
Evoluția vieții: bacteriile păcălitoare scutură arborele genealogic al vieții
În fiecare mitologie bună, cineva joacă rolul de păcălitor și înșelător - și nimeni nu intră în ea mai bine decât Loki, figura legendară a cerului nordic antic. Loki provoacă în mod constant probleme și îi ofensează pe semeni. Cu greu poate fi întrebat, este anarhic și ambițios. El este, și acest lucru ne aduce la subiect, omonimul perfect pentru grupul bacterian al "Lokiarchaeota", care se pregătește în prezent să rescrie fundamental istoria dezvoltării vieții timpurii pe pământul nostru.
Evazivul Lokiarchaeota aparține unei subcategorii de viețuitoare unicelulare numite Archaea. La microscop, acestea pot arăta ca bacterii, dar în anumite privințe diferă la fel de clar ca noi, oamenii. Lokis, așa cum au fost poreclite, au fost descrise mai întâi folosind secvențe de ADN care au fost izolate din probe din fundul mării noroioase de lângă Groenlanda. Astăzi, împreună cu câțiva microbi asociați, îi obligă pe biologi să răspundă la o întrebare fundamentală despre dezvoltarea timpurie a vieții: apariția eucariotelor, organismele care includ toate plantele, animalele și ciupercile.
Descoperirea archaea la sfârșitul anilor 1970 a dat naștere noțiunii din lumea cercetării că viața pe pământ era împărțită în trei ramuri sau „domenii”. O ramură a condus la bacteriile care trăiesc astăzi, a doua la archaea și a treia la toate eucariotele. Cu toate acestea, în curând au apărut discuții aprinse despre alocarea exactă acestor ramuri laterale ale vieții. Un model de viață împărtășit pe scară largă presupunea că eucariotele și archaea provin dintr-un strămoș comun. În schimb, școala concurentă a unei abordări „cu două domenii” a postulat că linia eucariotelor se despărțise de o ramură laterală goală a arheilor.
Argumentul în legătură cu aceasta a fost uneori acerbă, dar a adormit de-a lungul timpului, își amintește Phil Hugenholtz de la Universitatea din Queensland din Brisbane, Australia. Apoi, Lokis l-au stimulat din nou „ca o rafală proaspătă de vânt”, spune Hugenholtz - și au asigurat revenirea la teza cu două domenii. Deoarece: Arheele nou descoperite au arătat secvențe genetice care până atunci au fost considerate o trăsătură tipică a eucariotelor. În plus, o analiză amănunțită a compoziției lor genetice a arătat că eucariotele ar trebui să aparțină unui grup cu ei. Dacă acesta este cazul, atunci fiecare formă de viață complexă - de la alga verde până la balena albastră - ar aparține, în principiu, grupului archaea.
Mulți cercetători sunt încă departe de a fi convinși de acest lucru. Întocmirea arborilor genealogici este un domeniu de cercetare notoriu complex și extrem de controversat. În plus, însă, nimeni nu a reușit să țină tulpinile Loki în laborator, ceea ce limitează drastic posibilitățile de investigație. Și astfel continuă argumentele amare, în care oponenții sunt „extrem de ostili”, rezumă Hugenholtz: „Toată lumea este sigură la sută că partea adversă nu are dreptate în niciun punct.” Ca măsură de precauție, unii nu mai comentează acest subiect. pentru a nu risca să calci pe unul dintre doyenii scenei.
Ceva fundamental este în joc aici: o înțelegere mai profundă a saltului evolutiv care a dus în cele din urmă la eucariote. Cu alte cuvinte, „cel mai mare lucru care s-a întâmplat de la începutul vieții”, spune biologul evoluționist Patrick Keeling de la Universitatea British Columbia din Vancouver. Descoperind originea eucariotelor, el consideră „una dintre cele mai fundamentale întrebări pentru înțelegerea diversității biologice în natură”. Pentru a le răspunde, potrivit lui Keeling, trebuie stabilit clar cine are legătură cu cine.
Faceți trei din doi
Cu o jumătate de secol în urmă știința împărțise frumos viața pe pământ în două categorii: Pe de o parte, existau eucariote - organisme celulare care conțin, de asemenea, structuri interne membranare, cum ar fi nucleul celular; iar pe de altă parte procariotele, care, în calitate de organisme pur unicelulare, lipsesc în general de membrane interne. La acea vreme, biologia cunoștea bacteriile doar ca procariote.
În 1977, biologul evoluționist Carl Woese și colegii săi au descris arheea ca fiind a treia formă de viață, care aparent a apărut cu miliarde de ani în urmă. Potrivit lui Woese, toate organismele de pe pământ ar trebui împărțite în trei și nu în două subcategorii.
Acest lucru nu a rămas necontestat. De exemplu, biologul evoluționist James Lake de la Universitatea din California din Los Angeles a propagat în anii 1980 că eucariotele și archaea ar forma un grup suror numit „eocite”, literalmente „celulele din răsăritul soarelui (al timpului)”. Scenariul cu două domenii s-a dezvoltat din această idee. Lake și Woese s-au luptat acum cu înverșunare pentru modelele lor concurente, care au culminat în cele din urmă cu un duel de țipete îndelungat la mijlocul anilor '80. După aceea, Woese „nu a vrut să-l vadă din nou pe Jim Lake”, își amintește microbiologul Patrick Forterre de la Institutul Pasteur din Paris. Lake confirmă severitatea argumentului: „A fost într-adevăr o dezbatere, însoțită de o cantitate enormă de politică”.
Carl Woese a murit în 2012. Astăzi, disputa cu privire la originea eucariotelor este puțin mai civilizată. Pe ambele părți, mulți cred că eucariotele au apărut cumva în cursul așa-numitei endosimbioze. Această teorie a fost făcută cunoscută de regretatul biolog Lynn Margulis: Potrivit ei, o celulă simplă a înghițit o bacterie în urmă cu eoni și apoi a devenit gazda ei. Acest lucru ar fi dus la o relație reciproc avantajoasă. Bacteriile prinse au devenit în cele din urmă mitocondria - substructura celulară care produce energie. În cele din urmă, celulele hibride au devenit eucariote de astăzi.
Cu toate acestea, un punct de lipire separă cele două tabere până în prezent: acestea argumentează despre natura exactă a celulei originale. Potrivit susținătorilor teoriei celor trei domenii, acesta era un microb (acum dispărut). Forterre, de exemplu, îi vede ca pe un „proto-eucariot”, adică ca pe un amestec care nu era nici un eucariot complet modern, nici o arheea complet modernă. Conform acestei abordări, mai multe scindări majore s-au produs în istoria timpurie a evoluției: mai întâi cu miliarde de ani în urmă, când organismele precursoare au produs atât bacterii, cât și un grup de microbi care este acum dispărut. Acest grup s-a împărțit apoi în arhee și ulterior eucariote.
Conform lumii cu două domenii, cu toate acestea, bacteriile și arheele au evoluat dintr-un strămoș străvechi și a fost o arheea care a înghițit și a făcut ca acasă să fie bacteria. Asta ar face ca toate eucariotele să devină un fel de ramură debordantă a arheilor - sau, așa cum o numesc unii oameni de știință, un „domeniu secundar”.
Mesaje criptate
Fără șansa de a călători înapoi în timp la originea microbilor, va fi dificil de evaluat aceste ipoteze. Știm doar foarte puține urme fosile ale primelor eucariote, iar acestea sunt, de asemenea, greu de citit. Deci oamenii de știință trebuie să se bazeze pe genomul organismelor moderne ca o arhivă a evoluției - o arhivă, totuși, care a fost amestecată de-a lungul timpului. „Încercăm să rezolvăm un puzzle vechi de câteva miliarde de ani, cu date de secvență moderne”, spune bioinformaticianul Tom Williams de la Universitatea din Bristol. Nu este o sarcină ușoară.
La urma urmei, dezbaterile au dezvoltat tehnologii actuale de secvențiere a genelor. Până de curând, oamenii de știință trebuiau să păstreze tulpini de bacterii sau arhaea dintr-un habitat specific în laborator pentru a le identifica. Cercetătorii pot evalua acum diversitatea microbiană din probele de apă sau sol folosind urme de ADN pescuit și analizate folosind metode matematice - folosind „metagenomica”. Și așa se întâmplă că știința, care în 2002 cunoștea doar două tulpini (sau filuri) de arhee, este acum mai bine informată datorită metagenomiei.
Cercetătorii în evoluție au beneficiat, de asemenea, rapid de randamentul în creștere: noile tehnici puternice de modelare încolțesc o pădure de ramuri evolutive care conturează relații detaliate în cadrul arheilor. Și: În multe cazuri, eucariotele se plasează în familia extinsă archaea. Ponderea dovezilor, spune Williams, „a înclinat într-adevăr cântarul spre arborele eocitelor din două domenii din punctul nostru de vedere”.
Alții au găsit încă datele prea subțiri pentru a pune deoparte dezbaterea. În 2015, un grup condus de Thijs Ettema, pe atunci microbiolog evolutiv la Universitatea Uppsala din Suedia, a publicat secvențe de ADN din Lokiarchaeota pe care le-au recuperat din probe de sedimente cu cinci ani mai devreme. În doar doi ani, echipa lui Ettema și alți cercetători au reușit în cele din urmă să prezinte trei noi arhaea phyla legate de Lokis. Cercetătorii au numit gruparea acestor descoperiri „Asgard” după tărâmul mitic al zeilor nordici.
Asgard Archaea sunt minuscule, dar s-a dovedit a fi puternic în însuflețirea dezbaterii antice despre adevăratul număr de domenii ale vieții. Mai presus de toate, ei au oferit susținătorilor ipotezei celor două domenii indicii tentante despre tipul de celulă din care au apărut primii eucariote. La fel ca Loki, omonimul lor, Lokiarchaeota și rudele lor evită o interpretare prea simplă: sunt, fără îndoială, archaea, dar genomul lor este un amestec de gene care se găsesc și în eucariote. Loki-ADN, de exemplu, conține instrucțiunile de construcție genetică pentru actine, proteinele tipice ale schelelor celulelor eucariote. Aceste gene păreau atât de deplasate încât cercetătorul care le-a descoperit inițial a presupus pur și simplu că este cauza contaminării: „Am spus, Hmm, cum este posibil acest lucru? Poate fi acesta într-adevăr un genom arhaeal? ”, Își amintește microbiologul Anja Spang de la Institutul Regal Olandez pentru Cercetări maritime din Texel. Cu toate acestea, modelele de evoluție confirmă o legătură strânsă între archaea Asgard și eucariote: De exemplu, toate genealogiile calculate de echipa Ettema plasează toate eucariotele în grupul Asgard.
Între timp, mulți cercetători folosesc astfel de seturi de date archaea pentru a obține o imagine mai bună a precursorului eucariot. Este posibil să fi avut deja unele caracteristici tipice eucariotelor înainte de a prelua precursorul mitocondrial: Ettema explică faptul că au existat „probabil niște procese biologice membranare foarte primitive”. Potrivit unei analize publicate în 2018, strămoșul Asgard Archaea ar fi mâncat probabil molecule organice, cum ar fi acizii grași și butanul. Această dietă ar fi produs produse finale pe care bacteriile partenere asociate le-ar putea alimenta. Astfel de schimburi de nutrienți, obișnuiți în domeniul microbian, s-ar fi putut dezvolta treptat în relații din ce în ce mai strânse. Nu s-ar putea o aproximare a arheilor și a bacteriilor la o distanță plăcută, ceea ce are sens pentru un schimb mai ușor de nutrienți, în cele din urmă și, în cele din urmă, a favorizat absorbția uneia de cealaltă?
Cu toate acestea, scenarii de genul acesta sunt încă îndoielnice. Cel mai mare sceptic este Patrick Forterre: După ce a trecut prin studiul Asgard, a publicat mai întâi o contrapunere fundamentală împreună cu colegii săi.
Marcatori înșelători?
Ettema a fost înfuriat de abordarea lor: Forterre și grupul său au sugerat că unele dintre secvențele eucariote găsite în Lokis s-ar putea datora contaminării. O proteină Loki, „factorul de alungire 2”, de exemplu, este „probabil contaminată de secvențe eucariote”, a scris echipa Forterre în articolul lor. Astăzi, Forterre spune că nu este pe deplin sigur în această privință, dar el și colegii săi susțin criticile aduse copacilor evolutivi Asgard. Chiar și creatorii copacilor genealogici criticați recunosc că este dificil să dezvăluie relația dintre organismele care au trăit acum două miliarde de ani.
Biologii reconstituie de obicei astfel de relații prin modelarea modificărilor anumitor „markeri” - de obicei o proteină sau o genă - în timp. Grupul lui Forterre crede că echipa lui Ettema a inclus în mod accidental markeri înșelători în calculul arborelui genealogic. Grupul Forterre a efectuat propria sa analiză concurentă a arborelui genealogic cu două proteine marker deosebit de mari, deoarece structurile proteice mai mari, în general, conțin și mai multe informații despre istoria lor de dezvoltare. Deci, veniți cu un arbore genealogic cu trei domenii.
Ettema afirmă că cei doi markeri folosiți de Forterre nu permit să se tragă suficient concluzii despre evenimentele care au avut loc cu mult timp în urmă - o critică pe care alți oameni de știință o împărtășesc cu siguranță. De asemenea, a încercat să reproducă descoperirea lui Forterre cu cei doi markeri în cauză și a ajuns la un rezultat diferit, deși nepublicat, și anume din nou un arbore genealogic cu două domenii.
Sunt astfel de abateri datorate diferențelor în mediul academic al participanților? Ettema suspectează acest lucru: Patrick Forterre este „un om de știință genial - în domeniul său”. Cu Lokis, totuși, el „a depășit puțin limitele expertizei sale profesionale”. Forterre spune că are deja unele cunoștințe de filogenetică - și co-autorii săi chiar mai mult.