Több új vizsgálat is segíthet fényt deríteni az élet történetének egyik legfontosabb állomására: a komplex sejtek kétmilliárd évvel ezelőtti kialakulására. A szakértők az óceánokban és a szárazföldön olyan ritka mikroorganizmusokat fedeztek fel, amelyek átmenetet jelentenek az egyszerű és a komplex sejtek között.
A komplex sejtek, beleértve az emberi testben találhatókat is, és az egyszerű mikrobák, például az E. coli között szembetűnőek a különbségek. A komplex sejtek tele vannak kompartmentekkel, vagyis elhatárolt részekkel, mint például a sejtmag, amely a DNS-t tárolja, és a mitokondriumok, amelyek a sejt energiaellátását biztosító enzimeket tartalmazzák. A komplex sejtek továbbá olyan belső hálózattal is rendelkeznek, amely segítségével helyet tudnak változtatni, azáltal, hogy annak a struktúra egyes részeit lebontják és új nyúlványokat építenek. Az E. coli baktériumokban ezek egyike sem található meg: nincs se váz, se mitokondrium, se elkülönült sejtmag.
Ezek a különbségek, és még sok más, az élővilág egyik legjelentősebb megosztottságát hozzák létre. A komplex sejtekből álló fajok az eukarióták, amelyek közé az állatok, a növények és a gombák, valamint egyes egysejtűek tartoznak. Az E. coli és a hasonló egyszerű mikrobák pedig a prokarióták.
A prokarióták több mint négy milliárd évvel ezelőtt jelentek meg, az eukarióták pedig sokkal később, valahol 2–2,5 milliárd évvel ezelőtt alakultak ki.
A kérdés, hogy az egyszerűbb prokariótákból hogyan alakultak ki a komplex eukarióták, évtizedek óta foglalkoztatja a szakértők. Az 1990-es években egy fontos nyomra bukkantak a mitokondriumok, az eukarióta sejtek energiaforrásainak alapos tanulmányozása során. Felfedeztek egy apró génkészletet a mitokondriumokban, amely egyáltalán nem hasonlított a sejtmagban található DNS-hez. Ehelyett kiderült, hogy a mitokondriumok erős genetikai kapcsolatban állnak az oxigénből üzemanyagot előállító baktériumokkal.
Ez a felfedezés azt sugallta, hogy az eukarióták ősei oxigénnel működő baktériumokat kebeleztek be, majd azokat használták fel saját erőforrásaik előállításához. De ez a felismerés továbbra is sok kérdést hagyott megválaszolatlanul az eukariótákkal kapcsolatban. Például, milyen organizmus lehetett az a kezdeti sejt, amely bekebelezte a mitokondriumokat?
Vadászat az Asgardokra
2015-ben aztán újabb fontos felfedezést tettek a kutatók. DNS-fragmentumokat vontak ki az Északi-sarkvidék tengerfenekéről gyűjtött üledékből, majd ezekből összerakták az ott élő mikrobák teljes genomját. És ezek egyike olyan volt, amilyet még soha nem találtak: egy prokarióta, amely számos, korábban csak eukariótákban található gént tartalmazott. Ezek között az eukarióta gének között voltak olyanok, amelyek a sejtek vázának felépítésében vettek részt. Mások pedig olyan kompartmentek kialakításában segítettek, amelyekben az eukarióta sejtek lebontják az elavult fehérjéket.
A szakértők elkezdték keresni ennek az eukariótákhoz hasonló fejlődési vonalnak a többi tagját. A keresés eleinte rendkívül lassú volt, és a legtöbb felfedezés a mélytengeri üledékekben talált minták révén történt. A különleges leszármazási vonalat Asgardnak nevezték el, a skandináv mitológiai istenek otthona után keresztelve el őket.
Brett Baker, a Texasi Egyetem mikrobiális ökológusa az elmúlt néhány évben a keresés felgyorsításán dolgozott. Kollégáival Asgardokra vadászó expedíciókat szerveztek a kaliforniai partok közelében fekvő mélytengeri helyszínekre és Kína sekély, part menti vizeire. A laborban aztán új, hatékony technikákat alkalmaztak a ritka mikrobák DNS-ének megtalálásához.
A kutatás eredményes volt, ahogy arról nemrégiben beszámoltak a szakértők: expedícióik során 404 új Asgard-fajt találtak. Azt is feltárták, hogy a korábbi kutatások adatbázisai további 30 Asgard-genomot tartalmaztak, amelyek előzőleg figyelmen kívül maradtak. Így a szakértők egyetlen vizsgálat során közel megduplázták az ismert Asgardok fajainak számát.
„Az Asgardok száma robbanásszerűen nő, és nem látszik a folyamat vége”
– mondja John Archibald, a kanadai Dalhousie Egyetem evolúciós biológusa, aki nem vett részt az új kutatásban.
Az új Asgard mikrobák közül sok a mélytengerben él, mások viszont a part menti vizekben. Megint mások pedig a szárazföldön, az örökké fagyott tundráktól a meleg a lagúnákig terjedően számtalan típusú élőhelyen. Bár nem nagyon gyakoriak, nagyon széles körben elterjedtek. „Ha kimegyünk a kertbe, és szekvenáljuk a talajt, Asgardokat fogunk találni” – mondja Baker.
Tetten érve
Annak ellenére, hogy a szakértők egyre jobbak az Asgard DNS-t megtalálásában, továbbra is nehezen tudják tanulmányozni az élő Asgardok sejtjeit. Christa Schleper, a Bécsi Egyetem mikrobiológusa és kollégái nyolc évet töltöttek azzal, hogy kitalálják, hogyan lehetne tenyészteni azon Asgardokat, amelyeket Szlovénia partjainál találtak az oxigénmentes üledékben.
Végül néhány élő Asgardot üveglemezekre helyeztek, és videokamerával rögzítették őket.
Amikor felgyorsították a felvételt, látták, ahogy a mikrobák átmásznak a lemezen – ez volt az első alkalom, hogy valaki mozgásban látta ezeket az élőlényeket.
Az Asgardok mozgása újabb izgalmas nyomokat tárt fel az eukarióták eredetéről. Úgy másznak, hogy átalakítják sejtvázukat, és hosszú „csápokat” építenek fel, amelyekkel kinyúlnak és megragadják a lemezt. A prokarióták nem így mozognak, az eukarióták viszont igen. A videók tehát azt sugallják, hogy az Asgardok az eukarióták több kulcsfontosságú jellemzőjét, például a mászáshoz használható vázat, már jóval az eukarióták megjelenése előtt kifejlesztették.
A mitokondriumok elődei biztosan oxigént lélegző mikrobák voltak, ezért oxigénben gazdag környezetben éltek. Az oxigénmentes üledékekben élő Asgardok így nem találkozhattak velük. Baker új kutatása azonban szolgáltat néhány nyomot arra vonatkozóan is, hogy ez a monumentális találkozás hogyan történhetett. A kutató és kollégái számos új Asgardot találtak, amelyek oxigénben gazdag part menti vizekben élnek. Ezek génjeinek alapos vizsgálata pedig azt mutatja, hogy oxigént használnak az anyagcseréjükhöz. „Úgy tűnik, hogy oxigént lélegeznek be és szerves szént fogyasztanak – ami számunkra nagyon ismerős, hiszen mi is ezt tesszük” – mondja Baker.
A szakértők mindezek alapján úgy vélik, hogy az eukarióták a korai Földön kezdtek kialakulni, amikor még nem volt oxigén. A korai Asgard mikrobák sejtvázzal fejlődtek, amelyet arra használtak, hogy az óceán fenekén mászkáljanak. A Föld légköre körülbelül 2,5 milliárd évvel ezelőtt kezdett megváltozni.
Az oxigén színre lép
Bizonyos baktériumok elkezdtek fotoszintetizálni, amely lehetővé tette számukra, hogy szén-dioxidot és napfényt használjanak fel a gyarapodáshoz. Ennek során pedig oxigént bocsátottak ki melléktermékként. Az oxigén fokozatosan felhalmozódott a légkörben, és behatolt a sekély part menti vizekbe.
Sok mikroba számára a megjelenő oxigén mérgező volt. De néhány, a part menti vizekben élő Asgard alkalmazkodott az oxigénhez, majd elkezdtek megélni belőle.
„Aztán ezt a képességet továbbadták az eukariótáknak” – spekulál Baker. A kutató azt is gyanítja, hogy az Asgardok az oxigénben gazdag part menti vizekben olyan baktériumokkal találkoztak, amelyekből később kialakultak a mitokondriumok. A csapat Kína partjainál végzett tengeri vizsgálata során az Asgardokkal azonos üledékrétegben élő, a mitokondriumokkal közeli rokonságban álló baktériumokat is találtak.
Miután az Asgardok szert tettek a mitokondriumokra, drámai módon felgyorsult az oxigénalapú anyagcseréjük. Bőséges energiaellátáshoz jutottak, ami lehetővé tette számukra, hogy nagyobbakká váljanak és több képességgel rendelkezzenek, például prokariótákra vadásszanak. A világ így alapvetően átalakult.
Ahogy Kathryn Appler, a Pasteur Intézet mikrobiális ökológusa, aki Bakerrel együtt dolgozott az új vizsgálatban, magyarázza, szerencsére nem kell kétmilliárd évvel visszamenni az időben, hogy ezt a hipotézist teszteljék a szakértők. Ehelyett elég, ha tovább vizsgálják a mai part menti vizeket. Lehetséges, hogy a ma élő Asgardok is ugyanazt az utat követik, mint az első eukarióták, és szoros partnerséget alakítanak ki a baktériumokkal. „Néha éjszaka is azon gondolkodom, hogy vajon mi történhet ma az üledékben” – mondja Appler.
