Bir milyar yıl sonra ilk kez iki yaşam formu gerçek anlamda birleşerek tek bir organizmaya dönüştü

Bir milyar yıl sonra ilk kez iki yaşam formu gerçek anlamda birleşerek tek bir organizmaya dönüştü

Evrim, gezegenimizdeki yaşamın çeşitliliğinden sorumlu olan bazı rastgele aktivite patlamalarıyla oldukça harikulade ve uzun bir süreçtir. Bunlar, daha verimli uzuvların evrimi gibi büyük ölçeklerde gerçekleşebilir. Ayrıca, hücrenin farklı bölümleri ilk oluştuğunda olduğu gibi mikroskobik hücresel düzeyde de meydana gelirler.

Şimdi, bir bilim insanları ekibi, en az bir milyar yıldır gerçekleşmemiş olabilecek büyük bir yaşam olayının işaretini tespit etti. Birincil endosimbiyozu gözlemlediler - iki yaşam formunun bir organizmada birleşmesi. Bu inanılmaz derecede nadir olay, bir tür bol deniz yosunu ile bir bakteri arasında laboratuvar ortamında gözlemlendi. Bakış açısı için, bitkiler gezegenimizi ilk kez bu gerçekleştiğinde noktalamaya başladı. Sonuçlar, yakın zamanda Cell ve Science dergilerinde yayınlanan iki makalede açıklanmıştır.

Hücrenin 'güç merkezi' ve kloroplastlar nereden geliyor

Birincil endosimbiyoz, bir mikrobiyal organizma diğerini yuttuğunda gerçekleşir. Daha sonra yutulan organizmaları iç organ olarak kullanmaya başlar. Konak organizmaya -şimdi endosimbiyont olarak adlandırılır- besin, enerji ve koruma gibi çeşitli faydalar sağlar. Artık kendi başına yaşayamadığı zaman, yutulan endosimbiyont, organel adı verilen konak için bir organ haline gelir.

"Bu tür şeylerden organellerin ortaya çıkması çok nadirdir," dedi Kaliforniya Üniversitesi, Santa Cruz'da doktora sonrası araştırmacı ve Cell çalışmasının ortak yazarı Tyler Coale. "Bunun gerçekleştiğini düşündüğümüz ilk zaman, tüm karmaşık yaşamın ortaya çıkmasına neden oldu."

Konak yaşam formunun başka bir organizmanın işlevi için temel hale geldiği endosimbiyoz, bilinen sadece üç kez gerçekleşti. Tüm bu örnekler, konaklarıyla birleşmenin endosimbiyontların varlığı için temel hale gelmesinden bu yana evrim için büyük bir atılımdı.

İlk olay yaklaşık 2,2 milyar yıl önce gerçekleşti. Bu, arkea adı verilen tek hücreli bir organizmanın sonunda mitokondriye dönüşen bir bakteriyi yuttuğu zamandır. Bu özel organel, her biyoloji öğrencisinin öğrendiği gibi, "hücrenin güç merkezi"dir ve oluşumu karmaşık organizmaların evrimleşmesine olanak sağlamıştır.

Coale, "Bakteriyel bir hücreden daha karmaşık olan her şey varlığını bu olaya borçludur," dedi. Coale, "Yaklaşık bir milyar yıl önce, kloroplastta tekrar oldu ve bu bize bitkileri verdi," dedi.

Bu ikinci olay, daha gelişmiş hücrelerin siyanobakterileri emmesiyle gerçekleşti. Siyanobakteriler, güneş ışığından enerji toplayabilir ve sonunda güneş ışığından enerji toplayabilen kloroplast adı verilen organeller haline gelirler. Kloroplastlar bize biyolojinin bir başka temel ilkesini verdi: Güneşten yiyecek üretebilen yeşil bitkiler.

Bu son endosimbiyoz olayıyla, alglerin atmosferdeki azotu diğer hücresel süreçlerde kullanabileceği amonyağa dönüştürmesi mümkün. Ancak, bir bakterinin yardımına ihtiyacı var.

Yeni bir organel mi?

Cell'de yayınlanan makalede, bir bilim insanları ekibi bu sürecin bir kez daha gerçekleştiğini gösteriyor. Braarudosphaera bigelowii adlı bir alg türüne baktılar. Alglerin bir siyanobakteriyi yutması ona biraz bitki süper gücü veriyor. Havadan doğrudan azotu "sabitleyebiliyor" ve daha faydalı bileşikler oluşturmak için diğer elementlerle birleştirebiliyor. Bu, bitkilerin normalde yapamayacağı bir şey.

Azot, yaşamın var olması için çok önemli bir besindir ve bitkiler bunu normalde bitkiden veya alglerden ayrı kalan bakterilerle karşılıklı ilişkiler yoluyla alırlar. Ekip ilk olarak B. bigelowii alglerinin UCYN-A adlı bir bakteriyle bu tür bir simbiyotik ilişkiye sahip olduğunu düşündü. İlişki aslında çok daha yakın ve ciddi bir hal almıştı.

Algler ve UCYN-A bakterisi arasındaki boyut oranının B. bigelowii algleriyle ilişkili farklı türlerde benzer kaldığını buldular. Büyüme, metabolizmalarını birbirine bağlayan temel besinlerin değişimiyle kontrol ediliyor gibi görünüyor. Büyüme oranlarının bu senkronizasyonu, araştırmacıları UCYN-A'yı organel benzeri olarak adlandırmaya yöneltti.

Çalışmanın ortak yazarı ve UC Santa Cruz mikrobiyal oşinografı Jonathan Zehr bir açıklamada "Organellerde olan tam olarak budur" dedi. "Mitokondriye ve kloroplasta bakarsanız, aynı şey: hücreyle ölçeklenirler."

Nitroplastın tanıtımı

Bu bakterinin bir organel olduğuna dair daha fazla kanıt bulmak için, içeriye daha derinlemesine bakmaları gerekiyordu. Science dergisinde yayınlanan çalışmada, yaşayan B. bigelowii alg hücrelerinin iç kısmına bakmak için gelişmiş X-ışını görüntüleme kullanıldı. Hem konak alg hem de UCYN-A bakterisi arasında replikasyon ve hücre bölünmesinin senkronize olduğu ortaya çıktı. Bu, bu organizmanın birincil endosimbiyoz sürecinin birleşmesine dair daha fazla kanıt sağladı.

"Bu makaleye kadar, bunun hala bir 'endosimbiyont' olup olmadığı veya gerçek bir organel haline gelip gelmediği sorusu hala vardı?" dedi, Berkeley Lab'ın Biyolojik Bilimler Alanı'nda araştırmanın ortak yazarı ve öğretim görevlisi bilim insanı ve Ulusal X-Ray Tomografi Merkezi Müdürü Carolyn Larabell bir açıklamada. "X-ışını görüntülemeyle, alg konakçı ve endosimbiyontunun replikasyon ve bölünme sürecinin senkronize olduğunu gösterdik ve bu da ilk güçlü kanıtı sağladı."

Berkeley Lab bilim insanları tarafından gerçekleştirilen yumuşak X-ışını tomografisiyle oluşturulan bu görüntüler, algleri hücre bölünmesinin farklı aşamalarında gösteriyor. Azot sabitleyici varlık olan ve artık bir organel olarak kabul edilen UCYN-A, camgöbeği; alg çekirdeği mavi, mitokondriler yeşil ve kloroplastlar leylak renginde. KAYNAK: Valentina Loconte/Berkeley Lab

Ayrıca izole edilmiş UCYN-A bakterilerinin proteinlerini alg hücrelerinin içindeki proteinlerle karşılaştırdılar. Ekip, izole edilmiş bakterinin ihtiyaç duyduğu proteinlerin yalnızca yaklaşık yarısını üretebildiğini buldu. Yaşamak için gerekli olan proteinlerin geri kalanını sağlamak için alg konağına ihtiyaç duyuyor.

"Bu, bir endosimbiyonttan organele geçen bir şeyin ayırt edici özelliklerinden biridir," dedi Zehr. "DNA parçalarını atmaya başlıyorlar ve genomları giderek küçülüyor ve bu gen ürünlerinin veya proteinin kendisinin hücreye taşınması için ana hücreye bağımlı hale geliyorlar."

Ekip, bunun UCYN-A'nın tam bir organel olarak kabul edilebileceğini gösterdiğine inanıyor. Buna "nitroplast" adını verdiler ve potansiyel olarak yaklaşık 100 milyon yıl önce evrimleşmeye başladı. Bu, insan zaman algımıza uzun gelse de, mitokondri ve kloroplastlarla karşılaştırıldığında evrimsel sürede yalnızca bir milisaniyedir.

UCYN-A ve alg konakçısı hakkında birçok başka soru cevapsız kalmaya devam ediyor ve ekip ayrıca UCYN-A ve alglerin nasıl çalıştığını anlamayı ve farklı suşları incelemeyi planlıyor. Nitroplastlar üzerinde daha fazla çalışma yapılması, bunların diğer hücrelerde bulunup bulunmadığını ve faydalarının ne olabileceğini de belirleyebilir. Örneğin, tarımda geniş uygulamaları olabilir.

Coale, "Bu sistem azot fiksasyonuna yeni bir bakış açısı getiriyor ve böyle bir organelin mahsul bitkilerine nasıl dönüştürülebileceğine dair ipuçları sağlayabilir" dedi.

Zehr'e göre, bilim insanları muhtemelen UCYN-A ile benzer evrimsel hikayelere sahip başka organizmalar bulacaklar, ancak bu keşif "ders kitaplarına girecek bir şey."

Kaynak: PS