Alles, was wir heute menschlich nennen, wurde von unbelebter Materie vorweggenommen. Das Buch des Evolutionsbiologen Nikolai Kukushkin „Clap with one palm. Wie die unbelebte Natur den menschlichen Geist geboren hat“(Verlag „Alpina Sachbuch“) beginnt mit der Entstehungsgeschichte aller Lebewesen, setzt sich mit der Entstehungsgeschichte der Spezies Homo sapiens fort und endet mit der Geschichte des die Entwicklung des menschlichen Gehirns und Bewusstseins. Das Organisationskomitee des Aufklärerpreises hat dieses Buch in eine „lange Liste“von 25 Büchern aufgenommen, unter denen die Finalisten und Preisträger des Preises ausgewählt werden. N + 1 lädt seine Leser ein, eine Passage zu lesen, die der Entdeckung und dem Studium der Archaeen von Asgard gewidmet ist, einer Übergangsform zwischen den übrigen Archaeen und Eukaryoten.
Schloss Loki
Mit dem Aufkommen der genetischen Sequenzierung in den 1970er Jahren. Biologen beeilten sich, jedes Lebewesen, das sie finden konnten, zu sequenzieren. Heute sequenzieren sie sogar, was sie nicht finden können. Moderne Methoden ermöglichen es Ihnen, eine Probe der Erde zu entnehmen und Gigabytes an genetischen Sequenzen daraus zu entnehmen, und dann zu sitzen und herauszufinden, was Sie sequenziert haben und zu wem es gehören könnte - all dies nennt man Metagenomik. Das Ergebnis ist ein interessantes Bild. Es gibt Millionen von Arten, die wir kennen, die aber noch nie jemand gesehen hat. Eine Art genetische dunkle Materie.
Im Jahr 2010 wurde eine solche Probe aus einer hydrothermalen Quelle namens Loki Castle zwischen Grönland und Norwegen gezogen. Es enthielt Gene, von Wissenschaftlern in Tausende von Arten sortiert, in denen ganze Spezialistenteams seit mehreren Jahren durchwühlt hatten. 2015 entdeckte die schwedische Bioinformatikgruppe Tais Ethema in den endlosen Leinwänden des Vier-Buchstaben-Codes, was nur mit Archaeopteryx zu vergleichen ist.
Dieses fossile Halb-Vogel-Halb-Eidechse ist ein legendäres Symbol der Evolution, das erstmals zwei Jahre nach der Veröffentlichung von The Origin of Species gefunden wurde und von vielen Unterstützern Darwins als der ultimative Sieg seiner Theorie angesehen wird. Archaeopteryx ist eine klassische "Übergangsform" zwischen zwei modernen Evolutionszweigen. Ebenso stellen die in den Gendatenbanken von Castle Loki gefundenen Archaeen eine Übergangsform zwischen den übrigen Archaeen und uns, den Eukaryoten, dar.
Uppsala-Gelehrte nannten diese Archaea Lokiarchaeota, Lokiarchaea, nach der Burg Loki. Ihre Fanfarenwerke sind in der renommierten Zeitschrift Nature erschienen. Innerhalb weniger Monate gaben amerikanische Wissenschaftler unter der Leitung von Brett Baker die Entdeckung einer weiteren ähnlichen Gruppe bekannt, die sie zum Lachen zu Ehren eines anderen skandinavischen Gottes und Helden des entsprechenden Filmepos Thorarchaeota, Torarchaea, nannten. Es gab keinen Weg zurück. Seitdem gab es mehr odinarchei, heimdallarchei, und wie Sie verstehen, wird niemand diese Party aufhalten. All dieses Königreich zusammen heißt jetzt offiziell Asgard - nach der mythischen Welt, in der all diese Götter miteinander rumhingen. Alle Eukaryoten gehören dazu, also können Sie und ich uns auch als Asgarden bezeichnen.
Was machte die Lokiarchaea und ihre Verwandten so unterschiedlich, dass sie als genetischer Archaeopteryx unserer mikroskopischen Vergangenheit anerkannt wurden? Sie enthielten die Rudimente von Genen einer der grundlegenden Erfindungen der Eukaryoten - der beweglichen Membran.
Über Raubtiere und Beute
Es mag seltsam klingen, aber ein Bakterium kann kein anderes Bakterium fressen. Es wird die Membran nicht so verbiegen.
Damit Bakterien fressen können, müssen sie den Nährstoff in molekularer Form aufnehmen. Wenn es also nicht in einer Zuckerlösung schwimmt, muss es zuerst etwas auflösen, und dann wird diese gelöste Substanz durch die Membranporen in spezielle Proteine aufgenommen. Dies erklärt zum Teil die kollektive Natur von Bakterien. Ein Bakterium verdaut nicht viel, aber wenn es viele gibt, können sie alles fermentieren. Daher können sich Bakterien gegenseitig verdrängen, vergiften, blockieren, aber nicht im Ganzen schlucken.
Unsere Zellen beherrschen die Kunst des Schluckens perfekt. Dieser Vorgang wird Phagozytose genannt. Zum Beispiel wird ein Bakterium, das versehentlich in Ihren Körper gelangt ist, von einem Makrophagen angegriffen, einer riesigen menschlichen Zelle, die dieses Bakterium mit seiner Membran umhüllt. Es knospt aus dem Inneren des Makrophagen und bildet eine Blase oder ein Vesikel, in dem sich die eingefangenen Bakterien befinden. Dann verschmilzt das Vesikel mit dem auf dem Makrophagen schwimmenden Lysosom, einer speziellen Organelle zur Verdauung, und die Bakterienzelle löst sich lebendig auf. Der Makrophage nimmt Nährstoffe auf und macht sich auf die Suche nach anderen Tätern.
Aus molekularer Sicht erfordert dieser komplexeste Prozess erstens das Fehlen einer dichten Zellwand, zweitens einen beweglichen Membranrahmen - das Zytoskelett und drittens einen regulierten Apparat der Knospung und Membranfusion. In den Genen der Lokiarchaea wurden die Rudimente von Proteinen gefunden, die möglicherweise eine eukaryontische Kontrolle der Membran ermöglichen.
Tatsächlich ist das Verschlingen von Zellen nur eine der Anwendungen eines umfassenderen Phänomens, das zusammenfassend als Membran- oder vesikulärer Transport bezeichnet wird. Im Allgemeinen ist dies die Fähigkeit von Membranen, sich zu biegen, zu verschmelzen und zu knospen, wodurch eine Vielzahl von Vesikeln, Vakuolen, Zisternen und Prozessen entsteht. Es gibt Endozytose (das gleiche Phänomen wie Phagozytose, aber nicht unbedingt in Auflösung enden) - dies ist, wenn die Zelle ein äußeres Objekt absorbiert und es mit einem Vesikel umhüllt. Die Vesikel knospen aus der äußeren Membran und wandern nach innen. Es gibt Exozytose - im Gegenteil, ein Vesikel nähert sich der Membran von innen, verschmilzt mit ihr und gibt seinen Inhalt nach außen ab. So funktioniert beispielsweise die Ausschüttung von Neurotransmittern – Signalmolekülen, die Botschaften von einer Nervenzelle zur anderen übermitteln.
Neben seiner Rolle beim eigentlichen Transport von Molekülen außerhalb und innerhalb der Zelle wird der vesikuläre Transport als Grund für die Existenz von Organellen angesehen. Ein Bakterium ist eine Blasenzelle und ein Eukaryont ist eine Blasenzelle. Bakterien haben keine anderen Membranen innerhalb der Zellmembran. In Eukaryoten, wo immer Sie spucken - Membranen sind überall. Minizellen, jede mit ihren eigenen intrinsischen Eigenschaften und Funktionen. Stapel flacher Zisternen, Netzwerke verzweigter Röhren, Bläschenbläschen, ein Kern mit zwei Membranen und natürlich Mitochondrien und manchmal Chloroplasten.
Prometheus ist Loki
Vor kurzem veröffentlichte eine Gruppe japanischer Wissenschaftler die Ergebnisse eines 12-jährigen Experiments zur Kultivierung von Tiefsee-Archaea. Das Ergebnis dieser Arbeit, die mit wahrhaft japanischer Hingabe ausgeführt wurde, war die erste Isolierung einer echten, lebenden Lokirchea.
Biologisches Material für den Anbau wurde aus Methanquellen entnommen - Tiefseequellen dieses Gases auf dem Meeresboden. Methan (CH4) besteht wie Kohlendioxid (CO2) aus einzelnen Kohlenstoffatomen, nur sind sie statt zwei Sauerstoffatomen an vier Wasserstoffatome gebunden. Methan ist das Endprodukt der Zersetzung organischer Stoffe in Abwesenheit von Sauerstoff. Alle Arten von Meereskompost setzen sich auf dem Boden ab und sammeln sich dort nach und nach als dichte Schlammschicht an, in die Sauerstoff nicht gut eindringt. In den Tiefen des Kissens sitzen Mikroorganismen, die keinen Sauerstoff transportieren können - Anaerobier, "luftlos" - und fressen diese auf sie fallenden Reste der Biosphäre auf und geben Methan ab. Es steigt an die Oberfläche und dringt durch Methanquellen in das Wasser und die Atmosphäre ein.
Methanaustritte bleiben eine der seltenen Ecken des Planeten, in denen das Leben unter anoxischen Bedingungen stattfindet, und daher hofften die Wissenschaftler, einen unserer nächsten archaealen Verwandten, dh die Vertreter von Asgard, herauszugreifen. Da Eukaryoten in Anwesenheit von sauerstoffverbrauchenden Mitochondrien einzigartig unter den Asgarden sind, sollte nach allen anderen Archaeen dieser Gruppe gesucht werden, wo kein Sauerstoff vorhanden ist.
Die bei Geiern entnommene Probe wurde in einen Bioreaktor gegeben, der die innere Umgebung dieser Quellen nachbildet. Typische Labormikroorganismen in einer Lösung eines Nährmediums vermehren sich schnell und vervielfachen sich in einer Nacht um das Tausendfache. In diesem Fall mussten die Forscher 2000 Tage warten – fünfeinhalb Jahre. Es dauerte noch einige Jahre, die Kulturen zu optimieren und zu reinigen, doch damit erreichten die Wissenschaftler ihr Ziel: Sie hatten endlich ein Reagenzglas mit Vertretern der bisher ausschließlich „virtuellen“Gruppe der Lokiarchaen in der Hand.
Bisher wurden die Archaeen von Asgard durch Metagenomik untersucht: die blinde Analyse von DNA-Fragmenten, die auf dem Meeresboden gefunden wurden. Niemand hat diese Archaeen je selbst gesehen. Und hier haben wir lebende Asgarden vor uns, aber nicht irgendwelche, sondern vielleicht die nächsten Verwandten der Eukaryoten, die heute bekannt sind. Es ist eine unschätzbare Informationsquelle über die Ursprünge unserer Domain. Ein solches „lebendes Fossil“mit eigenen Augen zu sehen ist jedenfalls so, als würde man einem lebenden Neandertaler begegnen.
Japanische Wissenschaftler nannten den so isolierten Organismus Prometheoarcheum - Archean-Prometheus. Das ist anscheinend ein Bindeglied zwischen den archaischen Göttern und eukaryotischen Völkern und vielleicht zwischen der skandinavischen Mythologie und dem Altgriechischen. All dies führt zu einer völlig lächerlichen Verwirrung, denn es stellt sich heraus, dass Prometheus einer der Loki-Typen ist.
Das erste, was man über Prometheus sagen kann: Diese Kreatur ist obszön gebrechlich. Anstelle eines gewaltigen Raubtiers, das seine Membranen drehte, stellte es sich als kleiner, inaktiver Einzeller heraus, bei dem es 14 bis 25 Tage für eine einzelne Teilung braucht. Wie erwartet, kann Prometheus nicht atmen. Was er tun kann, ist Aminosäuren zu verarbeiten, wofür er ein großes Arsenal an geeigneten Enzymen hat. Das heißt, Prometheus ernährt sich anscheinend von den Resten der Biosphäre, die von der Oberfläche des Ozeans fallen. Aber das Interessanteste ist, dass er selbst dies nicht allein tun kann. Seine erfolgreiche Kultivierung erfordert, dass Symbionten die letzten Schritte der Umwandlung von Aminosäuren in Methan durchführen. Das heißt, ohne Stoffwechselbegleiter ist Prometheus völlig hilflos. In den Reagenzgläsern japanischer Wissenschaftler lebte er mit einer anderen Archaea, Methanogenium, zusammen, aber die Autoren der Arbeit vermuten, dass Bakterien - die Vorfahren zukünftiger Mitochondrien - zu Anbeginn der Zeit eine ähnliche Rolle als "Freund" gespielt haben könnten.
Eine weitere faszinierende Eigenschaft des Archean-Prometheus ist seine einzigartige Form. Es ist eine kugelförmige Zelle mit mehreren sich verzweigenden Membranfortsätzen. Ausgehend von dieser Form und der metabolischen Hilflosigkeit von Prometheus schlagen die Autoren eine Alternative zum „räuberischen“Modell der Endosymbiose vor. Sie sehen keine große Zelle, die eine kleine verschluckt und plötzlich die Vorteile der Kooperation erkennt, sondern eine bereits bestehende Symbiose, die sich allmählich von einem Zellkollektiv in eine Kollektivzelle verwandelt und sich so neue Möglichkeiten und Fähigkeiten aneignet. Glaubt man den japanischen Experten, dann ist das Auffressen einer Zelle durch eine Zelle nicht die Ursache, sondern das Ergebnis der Endosymbiose der Archaeen mit den Mitochondrien. Diese Meinung wurde übrigens bereits von anderen Spezialisten geäußert, die glauben, dass die Phagozytose ohne Mitochondrien bedeutungslos ist: Die Beute kann einfach nicht verdaut werden.
Dieses von Prometheus aktualisierte Modell der Eukaryontenbildung kann unter anderem den Ursprung des eukaryotischen Kerns erklären – der Zweimembranmembran, die das genetische Material in jeder unserer Zellen umgibt. Unter den verschiedenen Ansichten zu diesem Thema war traditionell die sogenannte „Outside-In“-Version die beliebteste: In der Mitte schwebte eine Archaee mit DNA, und dann beugte sich die Membran dieser Zelle in tiefen Falten nach innen und breitete sich aus als Kugel um die Gene und umgibt sie mit einer Doppelmembran. Aber heute gewinnt die umgekehrte Version "von innen nach außen" an Popularität: Zuerst gab es einen Zellkern, und das Zytoplasma nach außen entstand aus seinen Prozessen. Das Vorhandensein von Verzweigungsprozessen in Prometheus macht diese Version plausibler.
Mit dem Feuer verbündet
Mit der Entdeckung der Archaeen von Asgard wurde die Logik der Eukaryontenbildung klar. Es ist fast sicher bekannt, dass Eukaryoten aus der Vereinigung von Archaeen mit Bakterien unter Sauerstoffdruck entstehen. Verantwortlich dafür ist letztendlich die Photosynthese, die giftiges Gas in den Planeten gepumpt und die Airless gezwungen hat, sich zu verstecken. Einige Bakterien haben einen Weg gefunden, Sauerstoff zu entgiften, indem sie ihn als unterste Stufe der Elektronentransportkette adaptieren. Die resultierende Atmung ermöglichte es diesen Organismen, nicht nur das Problem der Sauerstofftoxizität zu lösen und ihren Lebensraum zu erweitern, sondern auch die Kraft des Sauerstoffs zu nutzen, um die Effizienz der Nährstoffe zu vervielfachen. Diese unternehmungslustigen Bakterien, die Vorfahren der Mitochondrien, die den gefährlichen Sauerstofflöwen kühn an der Kehle gepackt haben, sind einer unserer Vorfahren.
Gleichzeitig gab es unter den Archaeen eine Gruppe, die nicht atmen konnte, aber eine bewegliche, biegsame Membran besaß. Vielleicht waren dies die ersten Raubtiere in der Natur, die bereits in der Lage waren, die Zellen anderer Menschen ganz zu verschlingen. Vielleicht waren es keine furchterregenden Verschlinger, sondern Sicheltiere wie Prometheus, die mit ihren verzweigten Tentakeln Stoffwechselpartner verhedderten. Was auch immer diese Kreaturen sind, sie sind auch unsere Vorfahren.
Irgendwann erkannten diese beiden Vorfahren, dass sie gut zusammen waren. Das Bakterium ist vor anderen Fressfeinden geschützt, die es fressen können und es nicht bereuen, und die Archaeen steckt im Allgemeinen in Schokolade, denn sie hat jetzt nicht nur keine Angst vor Sauerstoff, sondern hat plötzlich zehnmal mehr Energie, die sie in Form ausschüttet von ATP-Sauerstoffbakterien. Und dieses Bakterium wird zu einem halbunabhängigen Organell mit einem dauerhaften Aufenthalt im archaealen Zytoplasma. Dieser Moment der Verschmelzung der beiden Domänen kann als die Geburt des dritten, eukaryotischen, betrachtet werden. (Allerdings könnte der „Moment“leicht über Millionen von Jahren gedehnt werden.) Wir traten als Reaktion auf Sauerstoff auf, was uns letztendlich um ein Vielfaches stärker machte.
