Sudėtingos, branduolines ląsteles turinčios gyvybės – nuo amebų iki žmonių – ištakos Žemėje gali siekti kur kas senesnius laikus, nei manyta anksčiau.
Naujame tyrime, kuriame atsekti ankstyviausi žingsniai link sudėtingos gyvybės, siūloma, kad šis virsmas iš paprastesnių pirmtakų prasidėjo beveik prieš 3 milijardus metų – gerokai iki Žemėje atsirado tokie deguonies kiekiai, kurie galėtų palaikyti klestinčią eukariotų biosferą.
Šis laikotarpis yra beveik milijardu metų ankstesnis, nei kai kuriuose vertinimuose nurodoma sudėtingų ląstelių atsiradimo riba. Tai rodo ne staigų šuolį sudėtingumo link, o netikėtai ilgą, ištemptą evoliucinį pasirengimo laikotarpį.
Prokariotai ir eukariotai: esminis skirstymo principas
Gyvybę Žemėje galima grupuoti įvairiais būdais, tačiau vienas iš pačių esmingiausių skirtumų yra tarp prokariotų ir eukariotų.
Prokariotai – tai grupė, kuriai priklauso bakterijos ir archejos. Manoma, kad jie buvo pirmoji gyvybės forma, atsiradusi Žemėje maždaug prieš 4 milijardus metų. Prokariotai yra palyginti paprasti: iš esmės tai ląstelės membrana, keli atsparūs baltymai ir laisvai plūduriuojanti DNR.
Tuo tarpu eukariotai atsirado vėliau ir yra gerokai sudėtingesni – jų ląstelėse yra branduoliai, įvairūs organoidai, sudėtingos vidinės membranos ir didesnės, labiau organizuotos genomų struktūros.
Kaip tiksliai vėliau jie atsirado ir kokia tvarka vystėsi jų vidinės dalys, ilgą laiką buvo atviras klausimas. Viena iš didžiausių paslapčių – kurioje vietoje laiko skalėje atsirado mitochondrijos – vadinamosios ląstelės „jėgainės“, kurios padeda cheminę energiją, sukauptą gliukozėje, paversti adenozintrifosfatu (ATP), būtinu ląstelių procesams.
Manoma, kad mitochondrijos kilo iš laisvai gyvenusių bakterijų, kurios apsigyveno kitos ląstelės viduje ir ilgainiui su ja susijungė. Šių dviejų organizmų susiliejimo laikas yra itin svarbus: ar mitochondrijos atsirado pirmiausia ir inicijavo kitus sudėtingumo didėjimo pokyčius, ar iš pradžių vystėsi sudėtingesnė ląstelių sandara, o mitochondrijos prisijungė vėliau?
Kaip „molekulinis laikrodis“ padeda matuoti praeitį
Siekdama atsakyti į šiuos klausimus, paleobiologo Christopherio Kay vadovaujama komanda iš Bristolio universiteto (Jungtinė Karalystė) atliko genetinių sekų, priklausančių įvairioms organizmų rūšims, „molekulinio laikrodžio“ analizę.
„Mūsų metodas buvo dviejų dalių: surinkę sekų duomenis iš šimtų rūšių ir sujungę juos su žinomais fosilijų įrodymais, sukūrėme laike kalibruotą gyvybės medį“, – pasakoja kompiuterinės evoliucijos biologas Tomas Williamsas iš Bato universiteto Jungtinėje Karalystėje.
„Tuomet šį pagrindą galėjome pritaikyti tikslesniam istorinių įvykių, vykusių atskirų genų šeimose, datavimui.“
Molekulinis laikrodis – tai metodas, padedantis mokslininkams įvertinti, kada skirtingi organizmai išsiskyrė iš bendros evoliucinės linijos ir kada pirmą kartą atsirado tam tikri bruožai. Visos gyvybės formos Žemėje turi kelis bendrus požymius, pavyzdžiui, universalią genetinę koduotę, beveik vienodą amino rūgščių rinkinį ir universalų ATP naudojimą energijai gauti.
Mokslininkai gali įvertinti, kokiu greičiu tam tikrose DNR sekose kaupiasi mutacijos, palyginti tas pačias sekas skirtingose rūšyse ir taip atsukti laiką atgal, kad nustatytų, kada šios rūšys turėjo bendrą protėvį. Tuo pačiu principu galima spręsti ir apie tai, kada pirmą kartą atsirado tam tikri bruožai ar genų funkcijos.
CALM modelis: sudėtingas archeonas, vėlyvos mitochondrijos
Sutelkdami dėmesį į skirtumus tarp eukariotų ir prokariotų, tyrėjai panaudojo šimtų organizmų genus ir atstatė laiko juostą, parodančią, kokia tvarka atsirado pagrindiniai eukariotų požymiai. Šį savo modelį jie pavadino CALM santrumpa – „Complex Archaeon, Late Mitochondrion“ („Sudėtingas archeonas, vėlyvos mitochondrijos“).
Stulbina tai, kad pirmieji genetiniai sudėtingesnės ląstelės pėdsakai pasirodo maždaug prieš 2,9–3 milijardus metų. Tuomet išryškėja pirmieji žingsniai link aktino ir tubulino baltymų, paprastos citoskeleto struktūros bei ankstyvų protonukleo požymių.
Vėliau pasirodo pokyčiai, atvedę prie citoplazminių membranų ir tokio organoido kaip Goldžio aparatas formavimosi, taip pat – iki to laiko buvusių genų raiškos sistemų, tokių kaip RNR polimerazės, diferenciacijos.
Mitochondrijos, remiantis šiuo modeliu, „į vakarėlį“ atvyko gerokai vėliau – maždaug prieš 2,2 milijardo metų.
Deguonis, mitochondrijos ir sudėtingos gyvybės šuolis
Įdomu tai, kad mitochondrijų atsiradimo laikas sutampa su laikotarpiu, kai Žemės atmosferoje sparčiai padidėjo deguonies kiekis – vadinamuoju Didžiuoju oksidacijos įvykiu. Tai rodo, kad nors eukariotinė gyvybė buvo susiformavusi ir iki Didžiojo oksidacijos įvykio, jai vis dėlto prireikė aplinkos sąlygų pokyčių, kad pasiektų dabartinę įvairovę ir sudėtingumą.
„Kas išskiria šį tyrimą, tai itin detali analizė, ką konkrečios genų šeimos daro ir kurie baltymai su kuriais sąveikauja – ir visa tai susiejama su absoliučiu laiku“, – aiškina Christopheris Kay.
„Tam reikėjo sujungti keletą disciplinų: paleontologiją, kad būtų galima sudaryti laiko skalę, filogenetiką, kad gautume patikimus ir informatyvius gyvybės medžius, ir molekulinę biologiją, kad įprasmintume šių genų šeimų funkcijas.“
