In bila je celica

Pred štirinajstimi dnevi smo v oddaji Frequenza della Scienza predstavili, kaj je življenje in kako je nastalo. Danes se bomo posvetli nadaljevanju in pojavu kompleksnejših celic. Preden vam razložimo zgodbo nastanka evkariontskih celic ali celic z jedrom in organeli, se znebimo nekaterih napačnih pogledov na živo naravo. Verjetno večina pozna delitev živih organizmov na pet kraljestev, in sicer: bakterije, arheje, glive, rastline in živali. V zadnjem stoletju pa smo, predvsem zaradi uporabe novih metod raziskovanja, spoznali, da v osnovi življenje lahko razdelimo na tri domene: evbakterije, arheje in evkarionte.

Evbakterije in arheje gradijo prokariontske celice, ki imajo krožno DNK in so brez organelov. Evkarionti pa predstavljajo vse ostale eno- in večcelične organizme iz evkariontskih celic. Gre za celice z jedrom, v katerem se skriva dedni zapis v obliki linearne DNK, v citoplazmi pa najdemo različne organele. Prednost evkariontske celice je namreč vzpostavitev različnih prostorov znotraj celice, ki omogočajo potek različnih kemijskih reakcij hkrati. Podoben princip delovanja, torej deljenje nalog med posameznimi deli celice, se je ob selekcijskih pritiskih okolja razvil v specializacijo celic in nastanek različnih tkiv in organov.

V današnji oddaji se bomo torej v začetku posvetli nastanku prvih evkariontov, kasneje se bomo dotaknili pojava večceličnosti in spolnega razmnoževanja. V zadnji tretjini oddaje pa bomo predstavili zgodbo razvoja rastlin. Iskali bomo skupne dogodke, ki so naprej vodili v razvoj vsega živega. Takšna dogodka sta glede na trenutno znanje samo dva, in sicer nastanek organskih molekul in kasneje razvoj evkariontske celice za nastanek evkariontov.

Najstarejša prokariontska celica je bila zelo preprosta in predvidevajo, da je nastala pred tremi in pol milijardami let. Po nastanku prvih bakterij pa je življenje čakalo kar dve milijardi let, preden se je razvilo v kaj bolj zapletenega.

Zapletati naj bi se začelo s pojavom prvih evkariontov. Najstarejše fosile evkariontskih celic poznamo dobro milijardo in pol let. Šele od takrat lahko z gotovostjo trdimo, da so se pojavile prve celice s posebnimi deli, ki so služili celičnemu dihanju in proizvodnji energije. Te dele celic ali organele sedaj imenujemo mitohondriji. Kasneje in večkrat neodvisno pa so rastlinske celice naselili predniki kloroplastov. Več o tem preskoku in pomenu za razvoj živih bitij nam je povedal profesor Rok Kostanjšek z Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani:

 

Rok Kostanjšek: "Zdej ta preskok, kako je postal evkariont, kako je dobil jedro, kako je celica prešla v večji potencial za svoj razvoj, za kompleksnost..."

 

Začetna zgodba o nastanku evkariontske celice z jedrom in organeli govori o tem, kako so preproste bakterijske celice zašle v druge bakterijske celice in začele živeti v simbiozi. Čez čas pa se je iz primarnih bakterij razvila zapletena evkariontska celica. Ta ima, kot pove že ime evkariont, jedro, v katerem skriva dedni zapis. Poleg tega pa v sebi skriva tudi polno različnih celičnih organelov z različnimi nalogami. Kakšen pomen je imela ta simbioza, nam je povedal profesor Rok Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: "Zato ker kar naenkrat si bil sposoben pridelat ogromne količine energije, nisi bil več odvisen od tega kar znaš sam..."

 

Sodelovanje dveh bakterij, ki naj bi vodilo v evkariontsko celico, opiše teorija endosimbioze. Zagovarjala jo je omenjena znana ameriška biologinja Lynn Margulis v 60-ih letih prejšnjega stoletja. Margulis je zagovarjala hipotezo, po kateri naj bi nekatere bakterije zašle v druge bakterije in tako naj bi nastale prve preproste evkariontske celice ali celice z DNK v jedru. Okoli jedra pa najdemo organele, med njimi tudi mitohondrije, ki služijo proizvodnji energije in celičnemu dihanju. Profesor Kostanjšek je omenil, da ne poznamo dosti dokazov, ki bi endosimbiotski teoriji nasprotovali. Poznamo pa tri dokaze, ki to teorijo utrjujejo.

Prvič, kloroplasti in mitohondriji se razmnožujejo na enak način kot njihove predniške bakterije oziroma še danes živeči najbližji sorodniki. Poleg tega so tudi njihova krožna DNK in ribosomi podobni tistim iz predniških bakterijskih celic. Naslednji dokaz je dejstvo, da imata lastno DNK. Poleg tega najdemo posebne ribosome ali strukture, ki skupaj sestavijo proteine, le znotraj mitohondrijev in kloroplastov in so drugačni od ostalih, ki jih najdemo znotraj evkariontske celice. Zadnji dokaz pa predstavljajo membranski proteini in lipidi oziroma maščobne molekule, ki jih najdemo na notranji membrani obeh struktur. Oboji so edinstveni mitohondrijem oziroma kloroplastom in jih ne najdemo nikjer drugje v evkariontski celici.

Nastanek mitohondrijev in kloroplastov je dokaj jasen, manj pa vemo o nastanku samega jedra. Več o tem nam je povedal profesor Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: "Manj pa vemo o tem v kaj je ta simbiont prišel, kako je res prva celica in njeno jedro nastalo..."

 

Raziskovalci in raziskovalke so po teoriji endosimbioze zgodbo o začetku evkariontov še dodatno zapletli. Z začetkom genetskih analiz se je namreč izkazalo, da so se mitohondriji verjetno res razvili iz bakterij, ki pa niso zasedle drugih bakterij, pač pa arheje.

Arheje, kot vemo danes, so poleg bakterij in evkariontov tretja velika skupina organizmov. Carl Woese jih je prvi uvrstil v novo skupino leta 1977. V ločeno skupino so jih uvrstili, ko so primerjali dedni material prokariontskih celic, ki so jih takrat predstavljaje le bakterije in evkariontske celice. Pri tem so odkrili dedni material, ki ni bil podoben niti bakterijam niti evkariontom. Tako smo dobili novo skupino organizmov, poimenovano arheje. Slednje so si Zemljo delile z bakterijami še pred pojavom prvih evkariontov. Zelo verjetno so namreč obstajale že kmalu po začetku življenja na Zemlji.

Raziskovalec Bill Martin je podal eno izmed verjetnih hipotez o nastanku evkariontskih celic: bakterija, ki je opravljala celično dihanje, je naselila arhejo. Sodelovanje med bakterijami in arhejami pa naj bi vodilo v začetek evkariontskih celic. Profesor Kostanjšek pa je izpostavil, da to sodelovanje ni bilo nujno tako vzajemno. Morda je v začetku šlo za parazitski odnos med gostiteljsko celico in predniškim organizmom, ki se je razvil v organel, ki ga danes poznamo kot mitohondrij. Profesor Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: "Odprto vprašanje pa ostaja ali je bil to simbiont ali je bil to parazit, ki je prišel v gostiteljsko celico, prvi mitohondrij..."

 

Zanimivo raziskovalno zgodbo, ki se dotika vprašanja, ali je bilo to sodelovanje prijazne narave ali bolj tekmovalno in parazitsko, pa je nadaljeval profesor Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: "Prvi so odkrili eno bakterijo za katero niso vedeli kaj je, v prebavilu klopa..."

 

George Lukas je bil torej navdušen nad uporabo imena Midichloria iz sage Vojna zvezd za poimenovanje bakterij, ki so jo odkrili znotraj mitohondrijev. Raziskovalna skupina z Dunaja, s katero sodeluje profesor Kostanjšek, pa je kasneje odkrila bakterijo v amebah, ki je genetsko blizu Midichlori mitochondrii. Več o njej nam je povedal Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: "S skupino iz Dunaja pa smo delali na enih drugih znotrajcelični baketrijah, in po naključju ugotovili, da so te znotrajcelični paraziti ameb ..."

 

Medtem je Disney kupil Lukas film in franšizo Vojna zvezd in vse povezano z njo je sedaj naprodaj in očitno nedostopno znanosti. Toda prvi avtor raziskave se je znašel in se poigral z besedami. Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: "Ni Jedibacter ampak je Jidaibakter, ker je prvi avtor poiskal odkod je George Lucas črpal ime za jedije, nek japonski izraz in je ..."

 

Bakterija znotraj mitohondrija v črevesnih celicah klopa je torej imela gen za biček, bakterija, najdena v amebah, pa je še vedno izražala biček. Po besedah profesorja Kostanjška sta bili obe novo odkriti vrsti bakterij bližnji sorodnici današnjim mitohondrijem.

Odkritje bakterij z bički oziroma z genom za biček znotraj mitohondrijev kaže na to, da sam nastanek evkariontske celice ni bil tako miroljuben proces. Morda je prišlo do invazije predniških evkariontskih celic s strani parazitskih prednikov mitohondrijev. Prednik mitohondrijev je zelo verjetno imel biček in je parazitiral predniško evkariontsko celico, a na koncu obtičal v njeni citoplazmi. Če nadaljujemo z metaforo iz Vojne zvezd, lahko nastanek evkariontske celice razumemo kot proces, v katerem mitohondrijskih stormtrooperji zavzamejo predniške evkariontske celice. Te pa nekako spominjajo na nesrečne planete, ki jih je zavzel galaktični imperij.

 

Komad

 

Dobrodošli nazaj na frekvenco 89,3 MHz Radio Študent. Poslušate oddajo Frequenza della Scienza, kjer vam danes razkrivamo sam začetek evolucije, ki je vodil v razcvet živega. V začetku smo predstavili nastanek evkariontskih celic, ki jih sedaj najdemo v vseh glivah, rastlinah in živalih. Naše celice namreč niso prav dosti drugačne od tistih v deževnikih. Seveda imamo različne tipe celic glede na tkiva, a osnovno zgradbo celic si delimo tudi s solato. Ključni korak v razvoju pa je bil prehod predniške bakterije, ki sedaj predstavlja mitohondrij, v drugo celico.

Pri razvoju in nastanku vseh danes živečih živih organizmov sta nam torej skupna le dva dogodka. Vsi izhajamo iz iste razvojne linije, v katero se je vključil mitohondrij, in vsi izhajamo iz iste prve celice. O skupnih točkah vsega živega nam več pove redni profesor Rok Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: ”V bistvu smo mi kot živi, pogojeni samo z dvema enkratnima dogodkoma. Prvič da se je tako skupaj sestavilo ...”

 

Druge lastnosti, kot so spolno razmnoževanje, večceličnost, izkoriščanje alternativnih virov energije pa so se v evoluciji razvile večkrat. Dolgo so mislili, da so vsi živi organizmi odvisni od Sonca kot primarnega vira energije. Danes vemo, da ob termalnih vrelcih živijo bakterije, ki za svoje življenje izkoriščajo termalno energijo in Sonca za svoje preživetje ne potrebujejo. Vsem živim organizmom je skupno dejstvo, da smo sestavljeni iz enakih organskih molekul. Evkarionte pa povezuje še dejstvo, da nas gradijo celice z jedrom in organeli. Razen teh dveh skupnih lastnosti pa ni drugih skupnih imenovalcev, za katere bi lahko rekli, da so naredili življenje.

Proces, ki je omogočil raznolikost organizmov, je tudi razvoj mnogoceličnosti. V zgodovini življenja se je mnogoceličnost razvila večkrat, saj omogoča veliko prednosti za preživetje organizma. Zakaj je bolje, če je več celic na kupu, smo vprašali profesorja Kostanjška:

 

Rok Kostanjšek: ”Več celic na kupu pomeni, da si večji, kar pomeni, da te je težje požret ...”

 

To so bili glavni pritiski, zakaj je prišlo do mnogoceličnosti. Mnogoceličnost poznamo v vseh treh domenah življenja – torej pri arhejah, bakterijah in evkariontih. Arheje se združujejo v agregate, evbakterije ob neugodnih pogojih lahko migrirajo v skupini in naredijo sporam podobno tvorbo, ki jim omogoča preživetje. Mnogoceličnost seveda poznamo tudi pri evkariontih in je večnivojska. Najbolj osnovno združevanje celic predstavljajo spužve, ki še ne tvorijo enotnega organizma. Če celico ovratničarko, ki v spužvi usmerja tok hrane, odstranimo iz skupine, bo sposobna tudi samostojno preživeti v okolju.

Spužve predstavljajo primer mnogoceličarja pred organogenezo oziroma razvojem organov in tkiv. Tudi za nastanek mnogoceličnosti imamo dve teoriji, ki ju dokazujejo danes še živeči predstavniki. Stabilnejša mnogoceličnost pa je mogoča le pri evkariontih, ki imajo celice z jedrom. Različne pristope k razumevanju razvoja mnogoceličarjev nam natančneje razloži Rok Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: ”Pristop k tej bolj kompleksni večceličnosti je, da naj bi nastala ali kot posledica nerazdruževanja celic po delitvi ...”

 

Obe teoriji imata neposredne dokaze v danes živečih organizmi. Mnogoceličnost je torej nekaj, kar je bilo v evoluciji zelo koristno in se je zato razvilo večkrat. Dokaz za to, da so po delitvi celice ostale skupaj, je v rastlinskem svetu alga po imenu Volvoks. Teorijo, da naj bi želatinasta masa, imenovana galerta, napolnila prostor med celicami in tako tvorila večjedrni organizem, pa potrjujejo nekatere danes živeče glive.

Podobno kot mnogoceličnost se pri vseh treh domenah življenja pojavlja tudi spolno razmnoževanje oziroma vsaj izmenjava dednega materiala. Kljub temu da ima razvoj spola visoko ceno, se izmenjava dednega materiala v zgodovini pojavlja večkrat in je zagotovo velika evolucijska prednost.

 

Rok Kostanjšek: ”Zanimivo je razmišljanje, kakšen velik selekcijski pritisk je bil, da je prišlo do spola...”

 

In vendar lahko spolno razmnoževanje opazujemo tudi pri najbolj preprostih enoceličnih evkariontih, kot je paramecij. Ti se lahko razmnožujejo nespolno z mitozo, torej svojo celico v ugodnih pogojih razdelijo na dva dela in tako iz enega osebka nastaneta dva. Parameciji imajo namreč dve jedri – veliko in malo. V primeru, da se razmere v okolju spremenijo, lahko en osebek z drugim izmenja malo jedro in tako pride do izmenjave dednega materiala. Prav izmenjava dednine je glavni razlog za obstoj biološkega spola. In drugi razlogi za spol? Profesor Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: ”Danes vemo, da je odgovor v rekombinaciji dednine, popravljanju napak ...”

 

Spolno razmnoževanje je v svetu živali in rastlin zelo raznoliko in zapleteno. Ljudje obstajamo šele zelo malo časa in večina živalskih vrst, ki so kdaj živele na planetu, za katerega pravimo, da je naš - po nekaterih ocenah kar 99 odstotkov vseh - je že izumrla. Ocena vključuje tudi vrste, ki danes še živijo, a jih še ne poznamo.

Sledi krajši glasbeni premor, po katerem nadaljujemo z razvojem rastlinske celice, ki jo je pot vodila v vse različne smeri znotraj domene rastlin. Ostanite z nami.

 

Komad

 

Dobrodošli nazaj v oddaji znanstvene redakcije Frequenza della scienza. Danes opisujemo dogodke v zemeljski zgodovini, ki so vodili do tako kompleksnih organizmov, kot jih poznamo danes. Vsem živim bitjem je skupno prvo kemijsko okolje, vsem evkariontskim organizmom pa nastanek celice s kemijsko elektrarno, imenovano tudi mitohondrij.

Za razvoj rastlin pa je bil ključen še vstop kloroplasta, ki se je v daljni preteklosti zgodil večkrat. O začetkih celic, sposobnih fotosinteze, smo vprašali rednega profesorja na Biotehniški fakulteti, Roka Kostanjška:

 

Rok Kostanjšek: ”Kloroplasti oziroma organeli sposobni fotosinteze so prišli v evkariontkso celico večkrat, mislim da šestkrat, sedemkrat,  ...”

 

Ena od razlag primarne endosimbioze razvoja kloroplastov je povezana s predstavniki bakterij rodu Chlamydia, čeprav se slednji v rastlinah današnjega časa ne pojavljajo. Nepričakovano veliko število genov klamidije je namreč podobnih rastlinskim genom. Znanstveniki in znanstvenice so pokazali, da je pri vstopu fotosintetske cianobakterije v evkariontsko celico sodelovala tudi predstavnica bakterija klamidije.

Znotrajcelični patogeni klamidije naj bi v citosol, tekoči del evkariontske gostiteljske celice, izločili encime, ki so omogočali oskrbovanje ogljika fotosintetskih cianobakterij. Tako lahko govorimo o trojni simbiotični povezavi. Gre namreč za zelo kompleksen proces endosimbiotske povezave med plastidom oziroma kloroplastom in gostiteljsko celico. To lahko razloži, zakaj so bili endosimbiotski odnosi med heterotrofi oziroma porabniki, kamor spadajo živali, in fotoavtotrofi oziroma proizvajalci, kamor spadajo rastline, v preteklosti redko uspešni.

Druga možna razlaga primarne endosimbioze razvoja kloroplastov pa najde dokaze v amebah Paulinella chromatophora. V teh enoceličnih organizmih namreč najdemo fotosintetske organele kromatofore, ki so v njih prisotni šele okoli 60 milijonov let. Biokemijski dokazi namreč kažejo, da so produkti treh fotosintetskih genov, ki se nahajajo v njihovem jedru, sintetizirani v citoplazmi amebe in preneseni v kromatofore. Preučevanje teh ameb predstavlja pomemben del raziskovanja razvoja fotosintetskih organelov v procesu endosimbioze.

Zanimiv primer fotosintetskih simbiontov predstavljajo tudi tako imenovani kleptoplasti, ki se pojavljajo v nefotosintetskih organizmih. Kleptoplasti so kloroplasti fotosintetskih vrst, ki jih organizem pridobi, ko zaužije alge. Pri tem pa prebavi večino alg, a pusti kloroplaste nedotaknjene. Med najbolj znanimi primeri lahko omenimo morskega polža Elysia cholorotica. Ta namreč zaužije fotosintetsko aktivne rumeno-zelene alge, njihove kloroplaste pa v sebi hrani tudi do 10 mesecev.

Prvi fotosintetski organizmi naj bi se tako pojavili pred približno 3,4 milijardami let. To so bile fotosintetske bakterije, ki so absorbirale bližnjo infrardečo svetlobo namesto vidne. Stranski produkt procesa ni bil kisik, temveč sulfatne spojine. Pigmenti teh organizmov so predstavljali predhodnike klorofila. Cianobakterije kot prvi proizvajalci kisika so se pojavile pred približno 2,7 milijardami let. Z absorbiranjem vidne svetlobe je proces fotosinteze potekel s pomočjo pigmentov karatenoidov in več oblik klorofila. To je pomenilo za celice pomemben vir energije, hkrati pa je s stranskim produktom oddajanja kisika lahko prišlo do razvoja celičnega dihanja.

Prvi fotosintetski evkariontski enocelični organizmi so se pojavili pred približno 1,2 milijardami let. To so bili predstavniki rdečih in rjavih alg, ki so bili zaradi endosimbioze kompleksnejše zgrajeni od bakterij. Pol milijarde let kasneje pa so se na Zemlji že pojavile tudi zelene alge, ki so za svojo fotosintetsko aktivnost že uporabljale močnejšo svetlobo v plitkih vodah.

Celotno pot razvoja rastlin nam oriše botanik in sistematik ter profesor na Biotehniški fakulteti, Nejc Jogan.

 

Nejc Jogan: ”No, evolucija živega sveta je seveda že nekoliko daljša, ampak prvi fotoavtotrofi, torej tisti predniki rastlin, ki so že začeli s fotosintezo...”

 

Čeprav so še v 20. stoletju uvrščali glive med rastline, se je kasneje izkazalo, da tvorijo povsem svojo monofiletsko skupino. To pomeni, da vse današnje glive izhajajo iz enega skupnega prednika. Prav tako kot živali so se glive evolucijsko ločile od ostalih skupin pred približno milijardami let. Pa vendar vemo o razvoju gliv zelo malo. Več o njih nam ponovno zaupa profesor Nejc Jogan.

 

Nejc Jogan: ”Z glivam je precej težav. So namreč dosti slabše fosilizirane, preprosto nimajo dovolj trajnih tkiv ...”

 

Verjetno nikoli ne bomo mogli z gotovostjo vedeti, kakšno je bilo življenje tako dolgo časa nazaj in kako se je razvijalo. Vsekakor pa se bodo znanstvenice in znanstveniki še naprej čudili vsemu živemu in skušali odkriti preteklost. Morda biologiji nekoč na pomoč pristopi fizika in s ščepcem znanstvene fantastike razvijemo časovni stroj.

Pot od prokarionta do evkarionta in kasneje še do rastlinske celice je bila vijugasta in pestra. Vsaka novost je vodila do novih vrst in zasedanja novih niš v okolju planeta Zemlja. Na časovni skali smo osvetlili samo začetke zapletanja razvoja in nismo prišli niti do dinozavrov, ki so se pojavili šele pred približno 230 milijoni let. Življenje se razvija in spreminja počasi, toda nam več o tem lahko povedo samo spužve, ki na tem planetu živijo že 760 milijonov let. Kot v zaključni misli pove profesor Kostanjšek:

 

Rok Kostanjšek: ”Mi sebe kot krono stvarstva gledamo zelo napačno, ker smo malo časa na svetu, to je dvesto tisoč let ...”

 

Od evkarionta do rastlin so vas peljali Zarja, Urša in vajenec Sebastjan.

Besedilo je uredila Teja.

Brala sva Petra in Lovrenc.

Tehniciral je Brada.