Kā cilvēki var izdzīvot ilgāk kosmosā? Fotosintētiska āda

Tālāk ir izvilkums no Nākamie 500 gadi: inženierijas dzīve, lai sasniegtu jaunas pasaules autors Kristofers Meisons.

Pērciet grāmatu

Nākamie 500 gadi: inženierijas dzīve, lai sasniegtu jaunas pasaules

Hibrīdie gēni starp sugām

Ūdeņos ap Bostonu un Ņujorku peld dīvains, mazs, zaļā nokrāsas hibrīds jūras gliemezis: Elysia chlorotica . Šai unikālajai sugai ir spēja kļūt līdzīgai augiem, no aļģēm, ko tā ēd, nozogot pilnībā funkcionējošus, fotosintēzes hloroplastus — procesu, ko sauc par 'kleptoplastiku', kas burtiski nozīmē plazmīdu (hloroplastu) vai organellu 'zādzību'. Lai gan DNS absorbēšana un mobilo ģenētisko plazmīdu pārvietošana baktērijās ir izplatīta, lielākos organismos visu sistēmu pārvietošana notiek reti.

Dažkārt saukti par 'ar saules enerģiju darbināmiem jūras gliemežiem', Elīzes sugas izmanto zaļo hloroplastu kā maskēšanos pret plēsējiem. Aļģēm parasti ir cieta, bieza augu šūnu siena, kas novērš jebkādu lūšanu vai iebrukumu sugām — kā tad elīsieši savā ķermenī nokļūst hloroplasti?

Ar salmiņiem, protams! Elīsiešiem ir iebūvēti molekulāri salmiņi, kas ļauj tiem izurbties cauri aļģu sienām un izsūkt hloroplastisko labību, kļūstot spilgti zaļā krāsā. Ja gliemeži neēd pietiekami daudz savu “dārzeņu” (hloroplastu), tie kļūst brūni ar sarkaniem pigmenta plankumiem.

Pārsteidzoši, ka hloroplasti var izdzīvot mēnešus vai pat gadus (tagad zaļo) jūras gliemežu lielajā zarojošajā gremošanas sistēmā. Līdzīgi kā cilvēka imūnsistēmas fagocīti, Elīzes fagocīti var viegli aprīt aļģes un pēc tam integrēt hloroplastus savās bioloģiskajās sistēmās. Pat tad, kad hloroplasti ir iestrādāti viņu ķermenī, tie joprojām darbojas, uztver saules gaismu, rada cukuru un izelpo skābekli. Lai gan sākotnēji tika uzskatīts, ka šausmīgi zaļajiem jūras gliemežiem ir nepieciešami hloroplasti, lai tie izdzīvotu, izrādījās, ka tie lieliski iztiek bez gaismas. Pētnieks Svens Goulds parādīja, ka pat bez gaismas gliemežu izdzīvošana un svars bija aptuveni vienādi. Tātad tā zināmā mērā ir gliemežu atpūtas iezīme, it kā viņu iecienītākais dienas pavadīšanas veids ir zaļo, iekšējo rotu zagšana.

Bet šie mazie zaļie zagļi uzdod jautājumu - kā hloroplasti izdzīvo un funkcionē viņu ķermenī? Normālos augos hloroplastiem ir nepieciešami 90 procenti no svarīgākajām olbaltumvielām, kas nāk no auga saimnieka kodola. Viņi būtībā ir mānījušies istabas biedri. Skaidrs, ka šie jūras gliemeži var apmierināt arī viņu apmeklējošo hloroplastu vajadzības, bet kā? Meklējot iespējamos gēnus, kas varētu atbalstīt hloroplastu izdzīvošanu un fotosintēzi, Džeimss Manharte un citi pētnieki pamanīja, ka galvenais aļģu gēns psbO atrodas jūras gliemežu DNS. psbO ir kritisks gēns, jo tas kodē mangānu stabilizējošu proteīnu, kas ir daļa no hloroplasta fotosistēmas II kompleksa.

Vissvarīgākais ir tas, ka jūras gliemežu gēna un aļģu gēna DNS secība bija gandrīz identiska. Šķiet, ka jūras gliemezis jau sen būtu aizņēmies gēnu no aļģēm un nekad to nav atdevis. Tas pavēra aizraujošu horizontālās gēnu pārneses (HGT) iespēju, kad gēns no organisma tiek “horizontāli” pārvietots no vienas sugas uz citu. Tas ir pretstatā “vertikālajai” gēnu pārnesei, kur DNS pārvietojas no vienas paaudzes uz nākamo.

Bet kā šie pētnieki varēja būt pārliecināti, ka tas ir HGT? Sākotnējie pierādījumi liecināja, ka gēns jau bija olās un dzimumšūnās Elysia chlorotica . Tomēr gēni nešķita aktīvi, kad turpmākajā darbā tika pārbaudīta to RNS, un turpmākās analīzes 2017. gadā liecināja, ka olšūnas (dīgļu līnijas) DNS faktiski bija maz pierādījumu par šiem gēniem. Tādējādi, kamēr mehānisms, kā hloroplasti notverti ar Elysia chlorotica var izdzīvot tik ilgi, joprojām ir zināmā mērā noslēpums, tas ir nepārprotami iespējams, un, iespējams, to palīdzēja HGT.

Vēl viens HGT piemērs nāk no tardigradiem, kas ir slavenie 'ūdens lāči', kas var izdzīvot kosmosa vakuumā (arī aprakstīti 4. nodaļā). Desmitiem tardigradu gēnu, iespējams, ir iegūti no HGT, un tie var arī veicināt organisma bioloģiju. Šis “šķidrumo gēnu” process starp sugām ir galvenais evolūcijas virzītājspēks, jo miljoniem gadu ilgs selekcijas spiediens vienā kontekstā pēkšņi var tikt pozicionēts pilnīgi jaunā kontekstā jaunai pazīmju un funkciju ģenētiskai bagātināšanai.

Chlorohumans divu tenisa kortu izmērs

Vai cilvēki varētu atdarināt mūsu zagļus draugus, Elysia chlorotica , un fotosintēzē, nevis vienmēr jāēd ar muti? Lai hloroplasti darbotos cilvēkos, mums būtu jāizdara daži lieli pieņēmumi. Pirmais pieņēmums ir tāds, ka cilvēka ādas šūnas būtu spējīgas atbalstīt hloroplastus. Šis atbalsts prasītu, lai mūsu imūnsistēma tos neatgrūstu un melanīns (pigments, kas piešķir ādai krāsu) netraucētu hloroplastu funkcijām. Turklāt hloroplastiem vajadzētu izdzīvot un būt funkcionāliem, taču Elysia chlorotica sistēma parāda, ka tas ir iespējams.

Nākamais pieņēmums, kas mums jāizdara, attiecas uz hloroplastu fotonu uztveršanas efektivitāti tā jaunajā cilvēka saimniekorganismā. Neviena ķīmiskā reakcija nekad nav 100% efektīva, galvenokārt otrā termodinamikas likuma, efektivitātes biofizikālo ierobežojumu un citu kļūdu dēļ. Tātad, cik procentus no saules enerģijas mums vajadzētu pieņemt, ka jaunais 'zaļais cilvēks' var uztvert? Aplēses liecina, ka augu efektivitāte fotonu uztveršanā ir tikai aptuveni 5 procenti. Tātad, mēs pieņemsim, ka jaunās 'hloroskin' šūnas darbotos līdzīgi.

Nākamais jautājums ir par to, cik daudz enerģijas mēs varētu iegūt no mūsu hlorādas. Vidēji katram cilvēkam ir aptuveni 1,7 kvadrātmetri ādas, taču pat tad, ja viņš ir pilnīgi kails, tikai puse ādas, visticamāk, būtu pakļauta saulei (piemēram, ja jūs guļat uz vēdera). Spilgtā dienā saules gaismas enerģijas līmenis ir aptuveni 300 vati uz kvadrātmetru, kas ir pietiekami, lai parastu spuldzi darbinātu apmēram trīs stundas. Visbeidzot, lai būtu konservatīvs, pieņemsim, ka fotosintēzes bioķīmija hloroplasta iekšpusē ir tikai 75% efektīva. Ņemot vērā šo ievadi, hlorāda stundā savāks tikai aptuveni 34 kilodžoulus enerģijas. Vidēja izmēra cilvēkam, lai izdzīvotu, ir nepieciešami aptuveni 10 miljoni džoulu dienā.

Tādējādi, lai cilvēks darbotos normālā enerģijas līmenī, būtu nepieciešamas 290 stundas pusdienas saules gaismas, lai savāktu pietiekami daudz enerģijas, lai izturētu vienu dienu. Tomēr, lai sasniegtu nepieciešamo enerģiju, vairāk ādas varētu darīt to triku. Ja cilvēka epiderma tika paplašināta 300 reizes (1,7 m^divi× 300), kas ir aptuveni divu tenisa kortu lielumā, hlorcilvēkam, kas guļ uz vēdera, saulē vajadzētu nosēdēt tikai aptuveni vienu stundu. Tāpēc hlorcilvēks varētu doties pusdienu pārtraukumā, kaut kur izlocīt savu jaunatklāto ādu lielā tukšā laukā, paēst, iespējams, nosnausties, un tad aizvērt ādu un atgriezties iekšā, pilns un piesātināts.

Mobilie gēni un semigēni

Ņemot vērā, ka dzīvnieku valstībā pastāv hloroplastiski kleptomāni, nav jābrīnās, ka starp sugām pārvietojas arī citas mazas, mobilas molekulas. 2010. gadā Alēns Robičons atklāja augstu karotinoīdu līmeni laputīm, maziem kukaiņiem, kas atrodami lapās visā pasaulē. Tas pats par sevi nav pārāk dīvaini, ņemot vērā, ka dzīvniekiem karotinoīdi ir nepieciešami dažādām šūnu funkcijām, tostarp redzei, krāsošanai un vitamīnu apstrādei. Īpatnība izriet no iepriekšējiem Nensijas Moranas un Tailera Jarvika pētījumiem, kas parādīja, ka laputu uzturā karotinoīdi nav sastopami. Tika uzskatīts, ka oranžos un sarkanos organiskos pigmentus, kas piešķir ķirbjiem un tomātiem raksturīgās rudens krāsas, ražo tikai augi, aļģes, baktērijas un sēnītes, taču šeit ir kāds kukainis, kas acīmredzot varētu tos izgatavot pats.

Robičons un viņa komanda nolēma atklāt, ko šie mazie kukaiņi varētu darīt ar tik augstu, acīmredzot, sintezētu vai nozagtu karotinoīdu. Viņi vispirms pamanīja, ka šūnām ar augstu karotinoīdu līmeni ir arī paaugstināts adenozīna trifosfāta (ATP) līmenis - būtībā šūnu benzīns. Pēc tam viņi pamanīja, ka ATP līmenis mainīsies atkarībā no kukaiņa gaismas iedarbības. Novietojiet kukaini gaismā, ATP iet uz augšu; ieliec tumsā, ATP nokrīt. Lai vēl vairāk pārbaudītu to reakciju uz gaismu, komanda sadalīja laputis divās grupās: tajās, kurām ir augsts karotinoīdu līmenis, un tajās, kurām ir zemāks līmenis. Kā gaidīts, grupa ar augstākiem karotinoīdiem spēja absorbēt vairāk gaismas. Komanda arī parādīja, ka laputu karotinoīdi atrodas tuvu virsmai (0–40 nm), tieši to, ko varētu sagaidīt, ja karotinoīdus izmantotu saules gaismas uztveršanai.

Ziedojiet Zinātnei piektdien

Ieguldiet kvalitatīvā zinātnes žurnālistikā, ziedojot Zinātnes piektdienai.

Pēc tam 2012. gadā Morans un Jarviks pabeidza filoģenētisko analīzi, kas identificēja kukaiņu gēnus, kas bija gandrīz identiski tiem, kas atradās karotinoīdu ceļā sēnēs. Viņi aplūkoja trīsdesmit četras laputu sugas visā pasaulē un atzīmēja, ka visām laputīm bija vismaz viena šī gēna kopija (likopēna ciklāzes/fitoēna sintāzes), un dažām laputu sugām bija pat septiņas. Turpretim visiem sēnīšu genomiem ir tikai viena kopija. Tuvākie dzīvojošie laputu radinieki, saukti par adelgidiem, arī parādīja pierādījumus, ka viņiem ir šis ceļš. Tādējādi, ņemot vērā pietiekami daudz laika, gēni no vienas dzīvības valstības var pārvietoties citā un tālāk nodrošināt pilnīgi jaunas funkcijas.

Svarīgi, ka šie nav vienīgie gēnu piemēri, kas pārvietojas no viena organisma uz otru. HGT ir pierādīts baktērijās līdz sēnītēm ( Saccharomyces cerevisiae ), baktērijas augiem ( Agrobacterium ), baktērijas uz kukaiņiem ( Volbahija , vabolēs un gultas blaktēs), organellu uz organellu (parazītos Rafflesiaceae ), no auga uz augu (sēnes uz papardes), no sēnītēm uz kukaiņiem (kā iepriekš attiecībā uz zirņu laputīm), no cilvēka uz parazītu ( Plasmodium vivax ), vīruss augam (tabakas mozaīkas vīruss) un, iespējams, augi dzīvniekiem (Elysia sugas, iepriekš). Skandalozākais un apjomīgākais HGT, kāds jebkad ir novērots, ir lēciens no baktērijām uz dzīvniekiem mazās ērcēs, kas dzīvo visā pasaules okeānā, bdelloīdos rotiferos. Aptuveni 8 procenti viņu gēnu ir iegūti no baktērijām.

Tomēr visspilgtākais gēnu pārvietošanās piemērs ir tad, kad viņi to dara masveidā. Mitohondriju un hloroplastu endosimbiozes teorija apgalvo, ka kādā brīdī šīs 'minibaktērijas' tika uzņemtas vai apvienotas ar eikariotu šūnām. Tā vietā, lai mirtu vai šķirtos, viņi nolēma apprecēties un kopš tā laika ir bijuši kopā mīlošā šūnu laulībā. Tas ļāva pārvietot ne tikai vienu gēnu, bet veselus tīklus, membrānas un jaunas spējas. Piemēram, cilvēka šūnās esošo ATP, no kuras cilvēka bioloģija ir atkarīga no uztura un eksistences, pat nerada cilvēka šūnas sastāvdaļa; tas ir izveidots mitohondrijās.

Proti, gēnu pārnešana no mitohondrijiem uz cilvēka genomu un otrādi ir process, kas joprojām turpinās. Kodolmitohondriju DNS segmenti (NUMT) ir šīs iesaistīšanās rezultāts, un tie pastāv tur, kur mitohondriju gēni ir migrējuši, tāpat kā nomadi, no mitohondrijiem uz cilvēka kodolu. DNS mūsu šūnās darbojas neatkarīgi no tā, no kurienes tā nāk, kas nozīmē, ka mūsu gēnu tīkli neizvēlas savu vietu mūsu šūnās, ņemot vērā to vēsturi; drīzāk viņu vieta tiek noteikta, pamatojoties uz to, kas ir nepieciešams. Šo pašu principu, kas attiecas uz dzīvību uz Zemes, var viegli pielietot arī ārpus Zemes. Ņemot vērā šos plaši izplatītos un izplatītos piemērus DNS apmaiņai starp sugām, nav negaidīti vai pat nedabiski sākt domāt par to, kā to darīt cilvēka šūnās. Tā kā mūsu pašu cilvēku izcelsme sniedz tikai dažu pēdējo miljonu gadu evolūcijas mācības, mums būtu labāk izmantot mācību, kas gūtas no miljardiem gadu ilgas evolūcijas, lai mēs varētu izdzīvot tālās pasaulēs.

Izvilkums no Nākamie 500 gadi: inženierijas dzīve, lai sasniegtu jaunas pasaules , autors Kristofers E. Meisons, izdevis The MIT Press.