Kuidas saavad inimesed kosmoses kauem ellu jääda? Fotosünteetiline nahk

Järgnev on väljavõte sellest Järgmised 500 aastat: elu kavandamine uute maailmadeni jõudmiseks autor Christopher Mason.

Osta raamat

Järgmised 500 aastat: elu kavandamine uute maailmadeni jõudmiseks

Liikidevahelised hübriidgeenid

Bostoni ja New Yorgi ümbruse vetes hõljub kummaline, väike rohelise tooniga hübriidne merenälkjas: Elysia chlorotica . Sellel ainulaadsel liigil on võime muutuda taimesarnaseks, varastades täielikult funktsioneerivaid, fotosünteesivaid kloroplaste vetikatelt, mida ta sööb – seda protsessi nimetatakse 'kleptoplastikaks', mis tähendab sõna-sõnalt plasmiidide (kloroplastide) või organellide 'vargust'. Kuigi DNA neelamine ja mobiilsete geneetiliste plasmiidide liigutamine bakterites on tavaline, on tervete süsteemide liigutamine suuremates organismides haruldane.

Mõnikord nimetatakse seda 'päikeseenergial töötavateks merenälkjateks', Elüüsia liigid kasutavad rohelist kloroplasti röövloomade kamuflaažina. Vetikatel on tavaliselt kõva ja paks taimeraku sein, mis takistab liikide murdumist või sissetungimist – kuidas saavad elyslased kloroplastid oma kehasse?

Õlekõrtega muidugi! Eleesiatel on sisseehitatud molekulaarsed kõrred, mis võimaldavad neil vetikate seintest läbi tungida ja kloroplastilist headust välja imeda, muutudes erkroheliseks. Kui nälkjad ei söö piisavalt oma 'köögivilju' (kloroplaste), muutuvad nad pruuniks punaste pigmendilaikudega.

Üllataval kombel võivad kloroplastid (nüüd rohelise) merenälkja suures hargnevas seedesüsteemis ellu jääda kuid või isegi aastaid. Sarnaselt inimese immuunsüsteemi fagotsüüdidega võivad Elüüsia fagotsüüdid vetikad kergesti neelata ja seejärel kloroplastid oma bioloogilistesse süsteemidesse integreerida. Isegi kui kloroplastid on nende kehadesse sattunud, toimivad nad endiselt, püüavad kinni päikesevalgust, tekitavad suhkrut ja hingavad välja hapnikku. Kuigi algul arvati, et jubedad rohelised merenälkjad vajavad ellujäämiseks kloroplaste, selgus, et nad saavad ilma valguseta suurepäraselt hakkama. Teadlane nimega Sven Gould näitas, et isegi ilma valguseta olid nälkjate ellujäämine ja kaal ligikaudu samad. Seega on see nälkjate jaoks teatud määral meelelahutuslik omadus, nagu oleks nende lemmikviis oma päeva veeta roheliste sisekaunistuste röövimine.

Kuid need väikesed rohelised vargad tõstatavad küsimuse - kuidas kloroplastid oma kehas ellu jäävad ja toimivad? Tavalistes taimedes vajavad kloroplastid 90 protsenti oma olulistest valkudest, et need pärineksid peremeestaime tuumast. Põhimõtteliselt on nad möllavad toakaaslased. On selge, et need merenälkjad suudavad rahuldada ka neid külastavate kloroplastide vajadusi, kuid kuidas? Otsides võimalikke geene, mis võiksid toetada kloroplastide ellujäämist ja fotosünteesi, märkasid James Manharte ja teised teadlased, et merenälkja DNA-s oli vetikate põhigeen psbO. psbO on kriitiline geen, kuna see kodeerib mangaani stabiliseerivat valku, mis on osa kloroplasti fotosüsteemi II kompleksist.

Kõige tähtsam on see, et merinälkja geeni ja vetikageeni DNA järjestus olid peaaegu identsed. Näib, nagu oleks merenälkjas ammu vetikatelt geeni laenanud ega tagastanud seda kunagi. See avas põneva võimaluse horisontaalseks geeniülekandeks (HGT), kus organismist pärit geen viiakse 'horisontaalselt' ühest liigist teise. See on vastupidine 'vertikaalsele' geeniülekandele, kus DNA liigub ühe põlvkonna ja järgmise põlvkonna vahel.

Kuid kuidas said need teadlased olla kindlad, et see oli HGT? Esialgsed tõendid näitasid, et geen oli juba olemas munarakkudes ja sugurakkudes Elysia chlorotica . Siiski ei paistnud geenid olevat aktiivsed, kui järgnev töö nende RNA-d uuris, ning 2017. aastal tehtud täiendavad analüüsid näitasid, et munaraku (idutee) DNA-s oli nende geenide kohta tegelikult vähe tõendeid. Seega, kuigi mehhanism, kuidas kloroplastid püütud poolt Elysia chlorotica võib nii kaua ellu jääda, on endiselt mõnevõrra mõistatus, see on ilmselgelt võimalik ja HGT võis seda aidata.

Veel üks näide HGT-st pärineb tardigradidest, mis on kuulsad 'veekarud', kes suudavad ellu jääda kosmosevaakumis (seda käsitletakse ka peatükis 4). Kümned tardigradide geenid pärinevad tõenäoliselt HGT-st ja võivad samuti aidata kaasa organismi bioloogiale. See liikidevaheline 'vedelike geenide' protsess on evolutsiooni peamine tõukejõud, sest miljoneid aastaid kestnud valikusurve ühes kontekstis võib ootamatult positsioneerida täiesti uude konteksti tunnuste ja funktsioonide uueks geneetiliseks rikastamiseks.

Kahe tenniseväljaku suurus Chlorohumans

Kas inimesed võiksid jäljendada meie varastavaid sõpru, Elysia chlorotica , ja fotosünteesivad, selle asemel, et alati suuga süüa? Selleks, et kloroplastid inimestel tööle hakkaksid, peaksime tegema mõned suured eeldused. Esimene eeldus on, et inimese naharakud oleksid võimelised kloroplaste toetama. See toetus eeldab, et meie immuunsüsteem ei lükkaks neid tagasi ja et melaniin (pigment, mis annab nahale värvi) ei segaks kloroplastide funktsioone. Peale selle peaksid kloroplastid ellu jääma ja toimima, kuid Elysia chlorotica süsteem näitab, et see on võimalik.

Järgmine eeldus, mille peame tegema, puudutab kloroplasti footonite püüdmise tõhusust selle uues, inimesest peremeesorganismis. Ükski keemiline reaktsioon pole kunagi 100 protsenti efektiivne, peamiselt termodünaamika teise seaduse, efektiivsuse biofüüsikaliste piiride ja muude vigade tõttu. Niisiis, mitu protsenti päikeseenergiast peaksime eeldama, et uus 'roheline inimene' suudab kinni püüda? Hinnangud näitavad, et tehase efektiivsus footoni püüdmisel on vaid umbes 5 protsenti. Seega eeldame, et uued 'kloronaha' rakud toimiksid sarnaselt.

Järgmine küsimus on selles, kui palju energiat saaksime oma kloronahast saada. Keskmiselt on igal inimesel umbes 1,7 ruutmeetrit nahka, kuid isegi kui ta on täiesti alasti, oleks päikese käes tõenäoliselt ainult pool sellest nahast (nt kui lamate kõhuli). Heledal päeval on päikesevalguse energiatase umbes 300 vatti ruutmeetri kohta, millest piisab tavalise lambipirni toiteks umbes kolmeks tunniks. Lõpuks, et olla konservatiivne, eeldame, et kloroplasti sees olev fotosünteesi biokeemia on ainult 75 protsenti efektiivne. Arvestades seda sisendit, koguks kloronahk tunnis vaid umbes 34 kilodžauli energiat. Keskmise suurusega inimene vajab ellujäämiseks umbes 10 miljonit džauli päevas.

Seega, et inimene töötaks normaalsel energiatasemel, oleks vaja 290 tundi keskpäevast päikesevalgust, et koguda piisavalt energiat ühe päeva läbimiseks. Vajaliku energia saavutamiseks võiks aga rohkem nahka ära teha. Kui inimese epidermis laieneks 300 korda (1,7 m^kaks× 300), mis on umbes kahe tenniseväljaku suurune, peaks kõhuli lamaval kloroinimesel päikese käes istuma vaid umbes tund. Seetõttu võiks kloroinimene minna lõunapausile, oma äsja leitud naha kuskil suurel tühjal väljal lahti harutada, võib-olla uinakut tehes einestada ja seejärel naha sulgeda ning täis ja küllastunud peaga tagasi sisse viia.

Mobiilsed geenid ja semigeenid

Arvestades, et loomariigis eksisteerivad kloroplastilised kleptomaanid, ei tohiks olla üllatav, et liikide vahel liiguvad ka teised väikesed liikuvad molekulid. 2010. aastal avastas Alain Robichon lehetäides, väikestes putukates, mida võib leida lehtedest üle kogu maailma, kõrge karotenoidide taseme. See iseenesest pole kuigi kummaline, arvestades, et loomad vajavad karotenoide mitmesuguste rakufunktsioonide jaoks, sealhulgas nägemiseks, värvimiseks ja vitamiinide töötlemiseks. See eripära pärineb Nancy Morani ja Tyler Jarviku varasematest uuringutest, mis näitasid, et lehetäide toidus karotenoide ei esinenud. Arvati, et oranžid ja punased orgaanilised pigmendid, mis annavad kõrvitsatele ja tomatitele iseloomulikud sügisvärvid, on toodetud ainult taimede, vetikate, bakterite ja seente poolt, kuid siin on putukas, kes ilmselt suudab neid ise valmistada.

Robichon ja tema meeskond otsustasid välja selgitada, mida need väikesed putukad ilmselt nii suure sünteesitud või varastatud karotenoidisisaldusega teha võiksid. Esmalt märkasid nad, et kõrge karotenoidisisaldusega rakkudel oli kõrgenenud adenosiintrifosfaadi (ATP) tase – põhiliselt rakkude bensiin. Seejärel märkasid nad, et ATP tase muutub sõltuvalt putuka kokkupuutest valgusega. Asetage putukas valguse kätte, ATP tõuseb; pane see pimedasse, ATP läheb alla. Et täiendavalt testida nende reaktsiooni valgusele, jagas meeskond lehetäid kaheks rühmaks: need, kellel oli kõrge karotenoidide tase, ja need, kellel on madalam tase. Ootuspäraselt suutis kõrgema karotenoididega rühm neelata rohkem valgust. Lisaks näitas töörühm, et lehetäide karotenoidid olid pinna lähedal (0–40 nm), täpselt see, mida võiks oodata, kui karotenoide kasutataks päikesevalguse püüdmiseks.

Anneta teadusele reedel

Investeerige kvaliteetsesse teadusajakirjandusse, tehes teadusreede annetuse.

Seejärel viisid Moran ja Jarvik 2012. aastal lõpule fülogeneetilise analüüsi, mis tuvastas putukates geenid, mis olid peaaegu identsed seente karotenoidide rajas leiduvate geenidega. Nad vaatlesid 34 lehetäiliiki üle maailma ja märkisid, et kõigil lehetäidel oli vähemalt üks selle geeni koopia (lükopeeni tsüklaas/fütoeeni süntaas) ja mõnel lehetäiliigil isegi seitse. Seevastu kõigil seenegenoomidel on ainult üks koopia. Lehetäide lähimad elavad sugulased, keda nimetatakse adelgiidideks, näitasid samuti tõendeid selle raja omamise kohta. Seega, kui antakse piisavalt aega, saavad tervest elukuningriigist pärit geenid liikuda teise ja pakkuda täiesti uusi funktsioone.

Oluline on see, et need pole ainsad näited geenide liikumisest ühest organismist teise. Bakterites on näidatud HGT-d seentele ( Saccharomyces cerevisiae ), bakterid taimedele ( Agrobacterium ), bakterid putukatele ( Wolbachia , mardikatel ja lutikatel), organellidest organellidesse (parasiitides Rafflesiaceae ), taimelt taimele (sarverohust sõnajalgadele), seentest putukatele (nagu eespool herne lehetäide puhul), inimeselt parasiidile ( Plasmodium vivax ), viirusest taimele (tubaka mosaiikviirus) ja võib-olla ka taimedest loomadele (Elysia liigid eespool). Kõige skandaalsem ja ulatuslikum HGT, mida eales on täheldatud, on hüpe bakteritelt loomadele väikestes lestades, kes elavad kogu maailma ookeanis, bdelloidsete rotiferites. Hinnanguliselt 8 protsenti nende geenidest on pärit bakteritest.

Kõige markantsem näide geenide liikumisest on aga see, kui nad teevad seda massiliselt. Mitokondrite ja kloroplastide endosümbioosi teooria väidab, et mingil hetkel neelati need 'minibakterid' alla või liideti eukarüootsete rakkudega. Selle asemel, et surra või lahku minna, otsustasid nad abielluda – ja on sellest ajast saati olnud koos armastavas rakulises abielus. See võimaldas liigutada mitte ainult ühte geeni, vaid terveid võrgustikke, membraane ja uusi võimeid. Näiteks inimrakkudes sisalduvat ATP-d, millest inimese bioloogia ülalpidamine ja olemasolu sõltub, ei tooda isegi raku inimkomponent; see tekib mitokondrites.

Nimelt on geenide ülekandmine mitokondritest inimese genoomi ja vastupidi protsess, mis veel kestab. Tuuma mitokondriaalsed DNA segmendid (NUMT-d) on selle seotuse tulemus ja eksisteerivad seal, kus mitokondriaalsed geenid on migreerunud, nagu nomaadid, mitokondritest inimese tuuma. Meie rakkudes olev DNA töötab sõltumata sellest, kust see pärit on, mis tähendab, et meie geenivõrgud ei vali oma kohta meie rakkudes, võttes arvesse nende ajalugu; pigem määratakse nende koht vastavalt vajadusele. Seda sama põhimõtet, mis kehtib elu kohta Maal, saab hõlpsasti rakendada ka väljaspool Maad. Arvestades neid laialt levinud ja laialt levinud näiteid DNA vahetamisest liikide vahel, pole ootamatu ega isegi ebaloomulik hakata mõtlema selle peale inimese rakkudes. Kuna meie endi inimsuguvõsa annab evolutsioonilisi õppetunde ainult viimase paari miljoni aasta jooksul, oleks meile parem kasutada miljardeid aastaid kestnud evolutsiooni õppetunde, et saaksime kaugetes maailmades ellu jääda.

Väljavõte alates Järgmised 500 aastat: elu kavandamine uute maailmadeni jõudmiseks , Christopher E. Mason, väljaandja The MIT Press.