Πηγή:
physics4u.gr

Η ζωή ξεκίνησε με ένα πλανητικό μέγα-οργανισμό
Submitted by admin on Δευτέρα, 28 Νοεμβρίου 2011No Comment.

Μια φορά κι έναν καιρό, 3 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ζούσε ένα απλός οργανισμός που ονομάστηκε LUCA (Last universal common ancestor). Ήταν τεράστιος: ένα μέγα-οργανισμός όπως κανένας δεν έχει δει από τότε, που γέμισε τους ωκεανούς του πλανήτη μας προτού να διαιρεθεί σε τρεις άλλους και κυοφορήσει τους προγόνους όλων των ζωντανών οργανισμών πάνω στη Γη σήμερα.

Από τον τελευταίο κοινό πρόγονο (LUCA) ξεκίνησαν πριν 3 δισεκατομμύρια χρόνια οι τρεις κατηγορίες έμβιων όντων

Αυτή η παράξενη εικόνα αναδύεται μετά τις προσπάθειες να γίνει αντιληπτός ο τελευταίος παγκόσμιος κοινός πρόγονος – όχι η πρώτη ζωή που προέκυψε στη Γη, αλλά εκείνη η μορφή της ζωής που οδήγησε σε όλους τους άλλους.

Τα τελευταία αποτελέσματα δείχνουν πως ο LUCA ήταν το αποτέλεσμα της μάχης που έδωσε η πρώιμη ζωή για να επιβιώσει, οι προσπάθειες οι οποίες μετέτρεψαν τον ωκεανό σε ένα παγκόσμιο γενετικό ανταλλακτικό κατάστημα για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Τα κύτταρα που αγωνίζονταν να επιβιώσουν από μόνα τους αντάλλαξαν χρήσιμα τμήματα μεταξύ τους χωρίς κανένα ανταγωνισμό – ουσιαστικά δημιουργώντας έναν παγκόσμιο μέγα-οργανισμό.

Ήταν η εποχή, περίπου 2,9 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, που ο LUCA χωρίζεται σε τρία τμήματα: τα μονοκύτταρο βακτήρια, τα αρχαία καθώς και τα πιο σύνθετα ευκαρυωτικά κύτταρα που έδωσαν ζωή στα ζώα και τα φυτά (κάτω χρονοδιάγραμμα)

Είναι δύσκολο να γνωρίζουμε τι συνέβη πριν από αυτή τη διάσπαση. Σχεδόν κανένα απολίθωμα δεν παραμένει από αυτή την περίοδο και κάθε γονίδιο από την ημερομηνία εκείνη είναι πολύ παλιό, που πιθανό να έχει μεταλλαχθεί τόσο που να μην αναγνωρίζεται πια.

Αυτό δεν είναι ανυπέρβλητο εμπόδιο για να κάνουμε το σκίτσο του LUCA, λέει ο Gustavo Caetano-Anollés του Πανεπιστημίου του Illinois στο Urbana-Champaign. Ενώ η ακολουθία των γονιδίων αλλάζει γρήγορα, η τρισδιάστατη δομή των πρωτεϊνών κωδικοποιούνται για να είναι πιο ανθεκτικές στη δοκιμασία του χρόνου. Έτσι, αν όλοι οι οργανισμοί σήμερα φτιάχνουν μια πρωτεΐνη με την ίδια γενική δομή, λέει, αποτελεί ένα καλό στοίχημα ότι η δομή αυτή ήταν παρούσα στον LUCA. Αποκαλεί αυτές τις δομές ζώντα απολιθώματα, και επισημαίνει ότι επειδή η λειτουργία μιας πρωτεΐνης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την δομή της, θα μπορούσε να μας πει τι θα μπορούσε να κάνει ο LUCA.

«Η δομή είναι γνωστό ότι διατηρείται ενώ οι ακολουθίες όχι», συμφωνεί ο Anthony Poole του Πανεπιστημίου του Canterbury στη Νέα Ζηλανδία, αν και προειδοποιεί ότι δύο πολύ παρόμοιες δομές θα μπορούσαν ενδεχομένως να έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα από τον LUCA.

Για να ανακατασκευάσει το σύνολο των πρωτεϊνών που θα μπορούσε να φτιάξει ο LUCA, ο Caetano-Anollés αναζήτησε μια βάση δεδομένων των πρωτεϊνών από 420 σύγχρονους οργανισμούς, ψάχνοντας για τις δομές που είναι κοινές για όλους αυτούς. Από τις δομές που βρέθηκαν, μόλις 5 έως 11 τοις εκατό ήταν καθολικές, που σημαίνει ότι είχαν διατηρηθεί αρκετό χρόνο για να υπήρχαν στον LUCA.

Εξετάζοντας τη λειτουργία τους, ο ίδιος καταλήγει στο συμπέρασμα ότι ο LUCA είχε ένζυμα για να διασπάσει και να εξάγει ενέργεια από τα θρεπτικά συστατικά, και κάποιο είδος εξοπλισμού για να παράγει πρωτεΐνες, αλλά δεν είχε τα κατάλληλα ένζυμα για τη λήψη και την ανάγνωση μορίων DNA.

Αυτό το συμπέρασμα είναι σύμφωνο με ένα μη δημοσιευμένο (ανέκδοτο) έργο του Wolfgang Nitschke του Μεσογειακού Ινστιτούτου Μικροβιολογίας στη Μασσαλία. Ο τελευταίος έχει ανακατασκευάσει την ιστορία των ενζύμων ζωτικής σημασίας για το μεταβολισμό και διαπίστωσε έτσι ότι ο LUCA μπορεί να χρησιμοποιήσει ταυτόχρονα νιτρικά άλατα και άνθρακα ως πηγή ενέργειας. Ο Nitschke παρουσίασε το έργο του στο Συμπόσιο για την Προέλευση της Ζωής στο Λονδίνο στις 11 Νοεμβρίου.

Αν ο LUCA ήταν φτιαγμένος από κύτταρα θα πρέπει να είχε μεμβράνες, και ο Armen Mulkidjanian του Πανεπιστημίου του Osnabrück στη Γερμανία πιστεύει ότι ξέρει τι είδους θα ήταν αυτές. Έχει εντοπίσει την ιστορία των μεμβράνων των πρωτεϊνών και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο LUCA θα μπορούσε να κάνει μόνο απλές ισοπρενοειδείς μεμβράνες, οι οποίες ήταν πιο άδειες σε σχέση με τα πιο σύγχρονα σχήματα.

Ο LUCA πιθανότατα είχε επίσης ένα οργανίδιο (ένα διαμέρισμα κελί) με μια συγκεκριμένη λειτουργία. Τα οργανίδια θεωρούνταν σαν οι ρεζέρβες των ευκαρυωτικών κυττάρων, όμως το 2003 οι ερευνητές βρήκαν ένα τέτοιο οργανίδιο (ονομάζεται acidocalcisome) σε βακτήρια. Ο Caetano-Anollés έχει πλέον διαπιστώσει ότι μικροσκοπικά κοκκία σε κάποια αρχαία είναι επίσης τέτοια οργανίδια, ή τουλάχιστον οι πρόδρομοι τους. Αυτό σημαίνει ότι αυτά βρίσκονται και στα τρία είδη της ζωής, και βρίσκονταν και στο Luca.

Έτσι ο LUCA είχε έναν πλούσιο μεταβολισμό που χρησιμοποιούσε διάφορες πηγές τροφίμων, και είχε εσωτερικά οργανίδια. Μέχρι στιγμής, όλα φαίνονται γνωστά. Όμως, η γενετική του είναι μια διαφορετική ιστορία από όλες τις απόψεις.

Έτσι, ο LUCA μπορεί να μην είχε χρησιμοποιήσει το DNA. Ο Anthony Poole δεν βρήκε κανένα στοιχείο ότι είχε DNA ο LUCA. Αντιθέτως, μπορεί να είχε χρησιμοποιήσει RNA: πολλοί βιολόγοι πιστεύουν ότι το RNA ήρθε πρώτα, επειδή μπορεί να αποθηκεύει πληροφορίες και χημικές αντιδράσεις ελέγχου.

Το κρίσιμο σημείο είναι ότι ο LUCA ήταν ένας «προ-γεννήτορας”, με πλημμελή έλεγχο πάνω στις πρωτεϊνες που έφτιαχνε, λέει ο Massimo Di Giulio του Ινστιτούτου Γενετικής και Βιοφυσικής στη Νάπολη της Ιταλίας. «Ο LUCA ήταν ένας αδέξιος τύπος που προσπαθούσε να επιλύσει την πολυπλοκότητα της ζωής στην πρωτόγονη Γη,» λέει ο Caetano-Anollés.

Ο ίδιος νομίζει ότι, προκειμένου να αντιμετωπίσουν τα όποια προβλήματα, τα πρώτα κύτταρα θα πρέπει να είχαν κοινά γονίδια και πρωτεΐνες μεταξύ τους. Νέα και χρήσιμα μόρια θα είχαν περάσει από κύτταρο σε κύτταρο χωρίς κανένα ανταγωνισμό ή εμπόδιο, και τελικά πήραν παγκόσμιες διαστάσεις. Κάποια κύτταρα που δεν μπόρεσαν να ανταλλάξουν τα γονίδια τους καταδικάστηκαν.

«Ήταν πιο σημαντικό να διατηρηθούν το έμβια συστήματα από το να ανταγωνίζονται με άλλα συστήματα», νομίζει ο Caetano-Anollés. Τονίζει ότι η ελεύθερη ανταλλαγή και η έλλειψη ανταγωνισμού σημαίνει πως αυτά που ζούσαν στον αρχέγονο ωκεανό, ουσιαστικά λειτούργησαν ως ένας ενιαίος μέγα-οργανισμός.

“Υπάρχει ένα στέρεο επιχείρημα υπέρ της ανταλλαγής γονιδίων, ενζύμων και μεταβολιτών,» λέει ο Mulkidjanian. Τα λείψανα αυτού του συστήματος με την ανταλλαγή των γονιδίων εμφανίζονται σε κοινότητες μικροοργανισμών που μπορούν να επιβιώσουν μόνο σε μικτές κοινότητες. Και οι μεμβράνες που άφηναν την ανταλλαγή στον LUCA θα είχαν βοηθήσει τα κύτταρα να μοιραστούν πολλά τμήματα.

«Είναι μια εύλογη ιδέα,» συμφωνεί ο Eric Alm του MIT. Αλλά λέει ότι «ειλικρινά δεν μπορεί να πει αν αυτό είναι αλήθεια.

Μόνο όταν μερικά από τα κύτταρα εξέλιξαν τρόπους παραγωγής οτιδήποτε χρειάζονταν θα μπορούσαν οι μέγα-οργανισμοί να έχουν διασπαστεί στις τρεις κατηγορίες. Δεν γνωρίζουμε γιατί συνέβη αυτό, αλλά φαίνεται να συνέπεσε με την εμφάνιση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, πριν περίπου 2,9 δισεκατομμύρια χρόνια. Ανεξάρτητα από την αιτία, η ζωή στη Γη από τότε δεν ήταν ποτέ ξανά ίδια.

Πηγή: New Scientist

Advertisements