Jesteś eukariontem

Biolodzy z Berkeley opublikowali kolejną wersję tzw. drzewa życia. I znów wiele osób zachodzi w głowę, jak to możliwe, że zwierzęta (a wśród nich ludzie) ulokowane są tak blisko roślin i grzybów. I czym są te całe eukarionty, prokarionty i protisty?

Kiedyś dorwałem szkolny podręcznik od biologii sprzed kilkudziesięciu lat. Jego autor rozpoczął narrację od przedstawienia uczniom najprostszego w świecie podziału organizmów żywych na trzy klasyczne królestwa: zwierząt, roślin i grzybów. W zasadzie klasyfikacja ta nadal obowiązuje, tyle że jako element większej – niekoniecznie tak oczywistej – całości.

Zaczęło się od ekologa z Uniwersytetu Cornella, Roberta Whittakera. Uczony zburzył dotychczasowy status quo, tworząc całkiem nową systematykę, opartą już nie o to co każdy widzi gołym okiem, lecz o różnice leżące u samych fundamentów. Sięgając po mikroskop i dokonując selekcji na poziomie komórkowym, Whittaker udowodnił, że w ramach trzech podstawowych królestw nie można upakować całego bogactwa natury. Pierwsze na co zwrócił uwagę to organizmy pozbawione arcyważnych jąder komórkowych, obecnych przecież we wszelkich “normalnych” komórkach zwierząt jak i roślin czy grzybów. Wyodrębniono zatem prokarionty, do których przeniesiono (z królestwa roślin) choćby sinice. Na oddzielenie grubą kreską zasłużyły zdaniem ekologa również suwerenne jednokomórkowce, jak między innymi podglądane na lekcjach biologii pantofelki i ameby. Znamy je obecnie pod nazwą protistów.

Z czasem również i ta systematyka doczekała się krytyki, a kolejni śmiałkowie kreślili coraz wymyślniejsze drzewa życia. Dało to wymierne efekty w latach 70. gdy wśród ambitnych reformatorów pojawiły się takie osoby jak Carl Woese oraz Lynn Margulis (nawiasem mówiąc, małżonka wielkiego Carla Sagana). Rzecz jasna, ich praca nie polegała na rysowaniu atrakcyjnych dla oka drzewek, lecz na dalszym badaniu komórek oraz zgłębieniu genezy poszczególnych gatunków.

Najdokładniejsze, kołowe drzewo życia
Fragment najdokładniejszego, kołowego drzewa życia, skonstruowanego przez Marka Hillsa z Uniwersytetu Austin. Pełna wersja tutaj.
Co powiecie na taki tatuaż? W ten sposób ozdobiła swoje ciało dr Clare d'Alberto z Melbourne.
Co powiecie na taki tatuaż? W ten sposób ozdobiła swoje ciało dr Clare d’Alberto z Melbourne.
Najnowsze drzewo organizmów, biologów z Berkeley
Najnowsze drzewo biologów z Berkeley. Ujmuje znacznie mniej gatunków, ale oparte jest o nowsze badania genetyczne.

Idąc ich tropem, cofnijmy się o niecałe 4 miliardy lat. W pierwotnej zupie życia pojawiły się pierwsze aminokwasy, następnie prymitywne replikatory, a w końcu coś co mamy prawo nazwać protokomórkami. Carl Woese, korzystając z coraz bardziej zaawansowanych narzędzi oferowanych przez genetykę, pragnął sięgnąć samych źródeł. Próbował odnaleźć jak najstarszy wspólny mianownik dla wszystkich ziemskich organizmów i od niego zacząć wędrówkę ku dzisiejszym gatunkom. Wszystko wskazywało, że najrozsądniej będzie wziąć pod lupę rybosomy: mikroskopijne zaawansowane struktury, niezbędne komórkom do produkcji białek. Najistotniejszy dla profesora z Illinois był fakt, iż rybosomy spotykamy we wszelkich znanych obecnie typach komórek, toteż moment ich powstania należy traktować jako super-cezurę w dziejach życia.

Szczegółowe oględziny budowy różnorakich rybosomów, uświadomiły systematykom jak mało wiedzieli o przeszłości i pokrewieństwie ziemskich stworzeń. Nagle okazało się, że trzy wielkie królestwa organizmów na poziomie komórkowym nie różnią się od siebie zbyt mocno. W każdym razie, nie w porównaniu z… bakteriami. Te, według Woese’a na pewno istniały na długo, długo, długo przed narodzinami wspólnego przodka zwierząt, roślin i grzybów. Biolog odkrył jeszcze coś zaskakującego. Niektóre z drobnych organizmów uważanych dotąd za bakterie, legitymowały się jeszcze innymi rybosomami i odmiennym procesem translacji białek. Co więcej, mogły hasać w pierwotnym bulionie jeszcze przed bakteriami, w związku z czym nadano im zaszczytne miano archeobakterii lub po prostu archeonów.

Jedno nie podlega dyskusji. Komórki zwierząt, roślin i grzybów – choć są łatwe do rozróżnienia – posiadają wyraźne wspólne cechy. Są o wiele bardziej złożone od bakterii i archeonów, a co za tym idzie królestwa te musiały narodzić się sporo później.

Co takiego posiadamy czego brakuje naszym poprzednikom? To trochę tak, jak gdybyśmy porównali współczesny laptop do kalkulatora. Nasze nieocenione komórki wręcz tętnią aktywnością licznych podzespołów (zwanych organellami), na czele z mitochondriami czy wspomnianymi wcześniej jądrami. Jak zyskaliśmy te dobrodziejstwa? Elegancka hipoteza endosymbiozy stwierdza, że niektóre elementy zaawansowanej biologicznej maszynerii wiodły niegdyś własne życie, aż zostały wchłonięte przez ekspansywne komórki. Innymi słowy, praprzodek mitochondrium mógł być zwykłą bakterią, zaanektowaną któregoś dnia przez większego archeona i wykorzystaną przezeń jako minielektrownia. Była to energetyczna rewolucja bez precedensu! Komórka dostała kopa, co ukierunkowało ewolucję i prawdopodobnie przyczyniło się do wyodrębnienia m.in. specjalnego sektora dla DNA – jądra komórkowego. 

Endosymbioza mogła zrodzić eukarionty
Tak mogło wyglądać wchłonięcie bakterii, wykorzystanej jako mitochondrium.

Pierwsi komórkowi szabrownicy mogli przemierzać oceany nieco ponad miliard lat temu. Nazywamy je eukariontami (jądrowcami), które w toku dalszego różnicowania dały ostatecznie początek królestwom zwierząt, roślin, grzybów, ale także często pomijanych protistów.

Trochę inne ujęcie systematyki.
Trochę inne ujęcie systematyki, z zakwalifikowaniem bakterii i archeonów do wspólnej grupy prokariontów. Po prawej mamy królestwa eukariotyczne: grzyby, zwierzęta, protisty i rośliny.

Choć może wydać się to dziwaczne, wszystkie stworzenia jakie dostrzegamy nieuzbrojonym okiem, obejmujące bez mała 9 milionów gatunków, stanowią zaledwie jedną z trzech wielkich grup organizmów. Nowoczesne drzewa życia uwzględniają więc fakt, że u zarania naszą planetą władały wyłącznie maleńkie bakterie i archeony, a dopiero ich późniejsze połączenie zrodziło komórki eukariotyczne, obecne dziś w ciałach kotów, psów, rybek, komarów, muchomorów, kwiatów, trawy, drzew i rzecz jasna, w nas samych.

Literatura uzupełniająca
N. Lane, Pytanie o życie. Energia, ewolucja i pochodzenie życia, przeł. A. Tuz, Warszawa 2016;
R. Dawkins, Najwspanialsze widowisko świata. Świadectwa ewolucji, przeł. P. Szwajcer, Warszawa 2010;
C. Zimmer, Scientists Unveil New ‘Tree of Life’, [online: nytimes.com/2016/04/12/science/scientists-unveil-new-tree-of-life.html?_r=2];
A new view of the tree of life, [online: nature.com/articles/nmicrobiol201648];
Sympatyczny gif pożyczony od: amoebagifs.blogspot.com.
Najgenialniejszy samouk w dziejach – Srinivasa Ramanujan LIGO-Virgo i fale grawitacyjne – rozmowa z Adamem Kutynią Naukowe “naj” 2015