Apakah bentuk kehidupan yang paling stabil dan kuat di dunia kita? Lipas terkenal kerana daya hidup mereka - banyak orang yakin bahawa mereka bahkan dapat bertahan dari kiamat nuklear. Tardigrades, atau beruang air, lebih tahan. Mereka bahkan dapat bertahan di angkasa. Terdapat satu alga yang tinggal di mata air mendidih Taman Nasional Yellowstone. Di sekitarnya terdapat air kaustik, berperisa dengan arsenik dan logam berat. Untuk terus hidup di tempat yang mematikan ini, dia menggunakan muslihat yang tidak dijangka.
Apa rahsia dia? Kecurian. Dia mencuri gen untuk bertahan hidup dari bentuk kehidupan lain. Dan taktik ini jauh lebih biasa daripada yang disangka.
Sebilangan besar makhluk hidup yang tinggal di tempat yang melampau adalah organisma uniselular - bakteria atau archaea. Bentuk hidup sederhana dan kuno ini tidak mempunyai biologi haiwan yang kompleks, tetapi kesederhanaannya adalah kelebihan: mereka mengatasi dengan lebih baik dengan keadaan yang melampau.
Selama berbilion tahun, mereka bersembunyi di tempat yang paling tidak ramah - jauh di bawah tanah, di dasar lautan, di permafrost atau di mata air panas mendidih. Mereka telah menempuh perjalanan panjang, mengembangkan gen mereka selama berjuta-juta atau berbilion tahun, dan sekarang mereka membantu mereka mengatasi hampir semua perkara.
Tetapi bagaimana jika makhluk lain yang lebih kompleks hanya boleh datang dan mencuri gen tersebut? Mereka akan mencapai prestasi evolusi. Dalam satu serangan, mereka akan memperoleh genetik yang membolehkan mereka bertahan di tempat yang melampau. Mereka akan sampai ke sana tanpa melalui evolusi yang melelahkan dan sukar selama berjuta-juta tahun yang biasanya diperlukan untuk mengembangkan kemampuan ini.
Begitu juga dengan alga merah Galdieria sulphuraria. Ia boleh didapati di mata air belerang panas di Itali, Rusia, Taman Yellowstone di Amerika Syarikat dan Iceland.
Video promosi:
Suhu di mata air panas ini meningkat kepada 56 darjah Celsius. Walaupun sebilangan bakteria dapat hidup di kolam pada suhu sekitar 100 darjah, dan ada yang dapat mengatasi suhu sekitar 110 darjah, dekat dengan mata air laut dalam, cukup luar biasa bahawa eukariota adalah sekumpulan bentuk kehidupan yang lebih kompleks yang merangkumi haiwan dan tumbuhan (alga merah - tumbuhan ini) - boleh hidup pada suhu 56 darjah.
Sebilangan besar tumbuhan dan haiwan tidak dapat mengatasi suhu ini, dan untuk alasan yang baik. Haba membawa kepada pemusnahan ikatan kimia dalam protein, yang menyebabkan keruntuhannya. Ini mempunyai kesan bencana pada enzim yang menjadi pemangkin reaksi kimia badan. Membran yang mengelilingi sel mula bocor. Setelah mencapai suhu tertentu, membran runtuh dan selnya hancur.
Yang lebih mengagumkan, bagaimanapun, adalah kemampuan alga untuk bertolak ansur dengan persekitaran yang berasid. Beberapa mata air panas mempunyai nilai pH antara 0 dan 1. Ion hidrogen bermuatan positif, juga dikenal sebagai proton, menjadikan suatu zat berasid. Proton bermuatan ini mengganggu protein dan enzim di dalam sel, mengganggu reaksi kimia yang penting bagi kehidupan.
Suhu di mata air panas ini meningkat kepada 56 darjah Celsius. Walaupun sebilangan bakteria dapat hidup di kolam pada suhu sekitar 100 darjah, dan ada yang dapat mengatasi suhu sekitar 110 darjah, dekat dengan mata air laut dalam, cukup luar biasa bahawa eukariota adalah sekumpulan bentuk kehidupan yang lebih kompleks yang merangkumi haiwan dan tumbuhan (alga merah - tumbuhan ini) - boleh hidup pada suhu 56 darjah.
Sebilangan besar tumbuhan dan haiwan tidak dapat mengatasi suhu ini, dan untuk alasan yang baik. Haba membawa kepada pemusnahan ikatan kimia dalam protein, yang menyebabkan keruntuhannya. Ini mempunyai kesan bencana pada enzim yang menjadi pemangkin reaksi kimia badan. Membran yang mengelilingi sel mula bocor. Setelah mencapai suhu tertentu, membran runtuh dan selnya hancur.
Yang lebih mengagumkan, bagaimanapun, adalah kemampuan alga untuk bertolak ansur dengan persekitaran yang berasid. Beberapa mata air panas mempunyai nilai pH antara 0 dan 1. Ion hidrogen bermuatan positif, juga dikenal sebagai proton, menjadikan suatu zat berasid. Proton bermuatan ini mengganggu protein dan enzim di dalam sel, mengganggu reaksi kimia yang penting bagi kehidupan.
Fenomena pemindahan gen ini dikenali sebagai "pemindahan gen mendatar". Biasanya, gen bentuk hidup diwarisi daripada ibu bapa. Pada manusia, ini betul-betul berlaku: anda dapat menelusuri ciri-ciri anda di sepanjang dahan pokok keluarga anda hingga orang pertama.
Walaupun begitu, ternyata gen "asing" sekarang dan kemudian dari spesies yang sama sekali berbeza dapat dimasukkan ke dalam DNA. Proses ini biasa berlaku pada bakteria. Ada yang berpendapat bahawa ini berlaku walaupun pada manusia, walaupun ia dipertikaikan.
Apabila DNA orang lain memperoleh pemilik baru, ia tidak perlu diam. Sebagai gantinya, dia dapat mula mengerjakan biologi tuan rumah, mendorongnya untuk membuat protein baru. Ini dapat memberi pemilik kemahiran baru dan membolehkannya bertahan dalam situasi baru. Organisma tuan rumah dapat bergerak di jalan evolusi yang sama sekali baru.
Secara keseluruhan, Schoinknecht mengenal pasti 75 gen yang dicuri dari rumpai laut, yang dipinjamnya dari bakteria atau archaea. Tidak semua gen memberikan kelebihan evolusi yang jelas pada alga, dan fungsi sebenar banyak gen tidak diketahui. Tetapi banyak dari mereka membantu Galdieria bertahan dalam persekitaran yang melampau.
Keupayaannya untuk menangani bahan kimia beracun seperti merkuri dan arsenik berasal dari gen yang dipinjam dari bakteria.
Salah satu daripada gen ini bertanggungjawab untuk "pam arsenik" yang membolehkan alga mengeluarkan arsenik dari sel dengan berkesan. Gen curi yang lain, antara lain, membolehkan alga melepaskan logam toksik sambil mengekstrak logam penting dari alam sekitar. Gen curi lain mengawal enzim yang membolehkan alga menyahtoksin logam seperti merkuri.
Ganggang juga telah mencuri gen yang memungkinkan mereka menahan kepekatan garam yang tinggi. Dalam keadaan normal, persekitaran garam akan menyedut air keluar dari sel dan membunuhnya. Tetapi dengan mensintesis sebatian di dalam sel untuk menyamakan "tekanan osmotik", Galdieria mengelakkan nasib ini.
Keupayaan Galdieria untuk bertolak ansur dengan sumber air panas yang sangat berasid dipercayai disebabkan oleh ketebalannya terhadap proton. Dengan kata lain, dia hanya boleh mencegah asid memasuki selnya. Untuk melakukan ini, ia hanya merangkumi lebih sedikit gen yang memberi kod untuk saluran dalam membran sel yang dilalui oleh proton. Saluran ini biasanya membolehkan zarah bermuatan positif, seperti kalium, melewati, yang diperlukan oleh sel, tetapi juga membenarkan proton melewatinya.
"Penyesuaian terhadap pH rendah tampaknya telah dilakukan dengan mengeluarkan protein pengangkutan membran dari membran plasma yang akan memungkinkan proton memasuki sel," kata Scheunknecht. "Kebanyakan eukariota mempunyai banyak saluran kalium dalam membran plasma mereka, tetapi Galdieria hanya memiliki satu gen yang menyandikan saluran kalium. Saluran yang lebih sempit membolehkan anda mengatasi keasidan yang tinggi."
Walau bagaimanapun, saluran kalium ini melakukan kerja penting, mereka mengambil kalium atau mengekalkan kemungkinan perbezaan antara sel dan persekitarannya. Bagaimana alga tetap sihat tanpa saluran kalium masih belum jelas.
Juga, tidak ada yang tahu bagaimana alga mengatasi panas yang tinggi. Para saintis tidak dapat mengenal pasti gen yang akan menjelaskan ciri khas biologinya.
Bakteria dan archaea, yang dapat hidup pada suhu yang sangat tinggi, mempunyai jenis protein dan membran yang sama sekali berbeza, tetapi alga telah mengalami perubahan yang lebih halus, kata Scheunknecht. Dia mengesyaki bahawa ia mengubah metabolisme lipid membran pada peningkatan suhu yang berbeza, tetapi belum mengetahui dengan tepat bagaimana ini berlaku dan bagaimana ia memungkinkan untuk menyesuaikan diri dengan panas.
Jelas bahawa menyalin gen memberikan kelebihan evolusi yang besar kepada Galdieria. Walaupun sebilangan besar alga merah uniselular yang berkaitan dengan G. sulphuraria tinggal di kawasan gunung berapi dan mengatasi panas dan asid yang sederhana, sebilangan kerabatnya dapat menahan panas, asid dan toksik sebanyak G. sulphuraria. Sebenarnya, di beberapa tempat, spesies ini menyumbang hingga 80-90% nyawa - ini menunjukkan betapa sukarnya orang lain memanggil rumah G. sulphuraria sebagai milik mereka.
Masih ada satu persoalan yang lebih jelas dan menarik: bagaimana alga mencuri begitu banyak gen?
Alga ini hidup di persekitaran yang mengandungi banyak bakteria dan archaea, sehingga dari satu segi, ia mempunyai kemampuan untuk mencuri gen. Tetapi saintis tidak tahu dengan tepat bagaimana DNA melompat dari bakteria ke organisma yang berbeza. Untuk berjaya sampai ke inang, DNA mesti masuk ke dalam sel terlebih dahulu, dan kemudian ke dalam nukleus - dan hanya kemudian memasukkannya ke dalam genom inang.
"Teka-teki terbaik pada masa ini adalah bahawa virus dapat memindahkan bahan genetik dari bakteria dan archaea ke alga. Tetapi ini adalah spekulasi murni,”kata Scheinknecht. "Mungkin masuk ke dalam kandang adalah langkah paling sukar. Setelah berada di dalam sel, masuk ke dalam nukleus dan bergabung ke dalam genom mungkin tidak begitu sukar.
Pemindahan gen mendatar sering berlaku pada bakteria. Inilah sebabnya mengapa kita menghadapi masalah dengan ketahanan terhadap antibiotik. Setelah gen tahan muncul, ia menyebar dengan cepat di antara bakteria. Walau bagaimanapun, dipercayai bahawa pertukaran gen berlaku lebih jarang pada organisma yang lebih maju daripada pada eukariota. Dipercayai bahawa bakteria mempunyai sistem khas yang memungkinkan mereka menerima asid nukleik, seperti eukariota.
Walau bagaimanapun, contoh lain makhluk canggih yang mencuri gen untuk terus hidup dalam keadaan ekstrem telah dijumpai. Spesies alga salji Chloromonas brevispina, yang hidup di salji dan ais Antartika, membawa gen yang mungkin diambil dari bakteria, archaea, atau bahkan kulat.
Kristal ais yang tajam dapat menembusi dan melubangi membran sel, jadi makhluk yang hidup di iklim sejuk mesti mencari jalan untuk memerangi ini. Salah satu caranya adalah dengan menghasilkan protein pengikat ais (IBP), yang dirembeskan dalam sel yang menempel pada ais, menghentikan pertumbuhan kristal ais.
James Raymond dari University of Nevada di Las Vegas memetakan genom alga salji dan mendapati bahawa gen untuk protein pengikat ais sangat serupa dengan bakteria, archaea, dan jamur, menunjukkan bahawa mereka semua bertukar kemampuan untuk bertahan dalam keadaan sejuk semasa mendatar pemindahan gen.
"Gen-gen ini sangat penting untuk bertahan hidup kerana ia telah dijumpai di setiap alga yang tahan sejuk dan tidak ada dalam keadaan hangat," kata Raymond.
Terdapat beberapa contoh pemindahan gen mendatar di eukariota. Krustasea kecil yang tinggal di ais laut Antartika nampaknya telah memperoleh kemahiran ini juga. Longipes Stephos ini boleh hidup di saluran garam cair di dalam ais.
"Pengukuran di lapangan telah menunjukkan bahawa C. longipes hidup di air garam yang sejuk di permukaan es," kata Rainer Kiko, seorang saintis di Institut Ekologi Polar di University of Kiel di Jerman. "Subcooled bermaksud bahawa suhu cecair ini berada di bawah beku dan bergantung kepada kemasinan."
Untuk bertahan dan mencegah dirinya daripada membeku, molekul terdapat dalam darah S. longipes dan cecair badan lain yang menurunkan titik beku agar sepadan dengan air di sekitar. Pada masa yang sama, krustasea menghasilkan protein yang tidak membeku yang menghalang kristal ais terbentuk dalam darah.
Diasumsikan bahawa protein ini juga diperoleh melalui pemindahan gen mendatar.
Kupu-kupu raja yang cantik mungkin juga mempunyai gen yang dicuri, tetapi kali ini dari tawon parasit.
Tawon berkilau keluarga Braconid terkenal kerana memasukkan telur bersama dengan virus ke dalam serangga inang. DNA virus itu meretas otak tuan rumah, mengubahnya menjadi zombie, yang kemudian bertindak sebagai inkubator untuk telur tawon. Para saintis telah menemui gen drakonid dalam rama-rama, walaupun rama-rama ini tidak pernah bertemu tawon. Mereka dipercayai menjadikan kupu-kupu lebih tahan terhadap penyakit.
Eukariota tidak hanya mencuri gen individu. Kadang-kadang kecurian besar-besaran.
Penduduk laut hijau terang Elysia chlorotica dipercayai memperoleh kemampuan untuk melakukan fotosintesis dengan memakan alga. Slug laut ini memakan kloroplas - organel yang melakukan fotosintesis - keseluruhan dan menyimpannya dalam kelenjar pencernaan. Apabila ditekan dan tidak ada ganggang untuk dimakan, siput laut dapat bertahan dengan menggunakan tenaga dari cahaya matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi makanan.
Satu kajian menunjukkan bahawa siput laut juga mengambil gen dari alga. Para saintis memasukkan penanda DNA pendarfluor ke dalam genom alga untuk melihat dengan tepat di mana gen itu berada. Setelah memakan alga, siput laut memperoleh gen untuk pertumbuhan semula kloroplas.
Pada masa yang sama, sel-sel di dalam badan kita mengandungi struktur penghasil tenaga kecil, mitokondria, yang berbeza dari struktur selular kita yang lain. Mitokondria bahkan mempunyai DNA mereka sendiri.
Terdapat teori bahawa mitokondria wujud sebagai bentuk kehidupan bebas berbilion tahun yang lalu, tetapi kemudian entah bagaimana mereka mula dimasukkan ke dalam sel eukariota pertama - mungkin mitokondria ditelan, tetapi tidak dicerna. Peristiwa ini dipercayai berlaku kira-kira 1.5 bilion tahun yang lalu dan merupakan tonggak penting dalam evolusi semua bentuk, tumbuh-tumbuhan dan haiwan yang lebih tinggi.
Pencurian genetik mungkin merupakan taktik evolusi yang biasa. Lagipun, dia membiarkan orang lain melakukan semua kerja keras untuk anda semasa anda memperoleh faedahnya. Sebagai alternatif, pemindahan gen mendatar dapat mempercepat proses evolusi yang telah dimulakan.
"Organisme yang tidak beradaptasi dengan panas atau asid tidak mungkin mendadak mendapan kolam gunung berapi hanya kerana ia mempunyai gen yang diperlukannya," kata Scheunknecht. "Tetapi evolusi hampir selalu merupakan proses selangkah demi selangkah, dan pemindahan gen mendatar memungkinkan lompatan besar ke depan."
ILYA KHEL
