Viaceré nové štúdie by mohli objasniť jeden z najdôležitejších míľnikov v dejinách života: vznik zložitých buniek pred dvoma miliardami rokov. Vedci v oceánoch aj na súši objavili vzácne mikroorganizmy, ktoré predstavujú prechod medzi jednoduchými a zložitými bunkami.
Rozdiely medzi zložitými bunkami vrátane tých v ľudskom tele a jednoduchými mikróbmi, ako je E. coli, sú nápadné. Zložité bunky sú plné kompartmentov, teda oddelených priestorov. Patrí k nim napríklad jadro, v ktorom je uložená DNA, či mitochondrie obsahujúce enzýmy, ktoré zabezpečujú bunke energiu. Zložité bunky majú aj vnútornú sieť, ktorá im umožňuje pohybovať sa: niektoré jej časti rozoberajú a vytvárajú nové výbežky. Baktérie E. coli nič z toho nemajú: chýba im bunková kostra, mitochondrie aj oddelené jadro.
Tieto a mnohé ďalšie rozdiely tvoria jednu z najvýraznejších deliacich čiar v živej prírode. Organizmy tvorené zložitými bunkami patria medzi eukaryoty. Zaraďujú sa k nim živočíchy, rastliny, huby aj niektoré jednobunkové organizmy. E. coli a podobné jednoduché mikróby sú prokaryoty.
Prokaryoty sa objavili pred viac než štyrmi miliardami rokov, zatiaľ čo eukaryoty vznikli oveľa neskôr, približne pred 2 až 2,5 miliardy rokov.
Otázka, ako sa z jednoduchších prokaryotov vyvinuli zložité eukaryoty, zamestnáva vedcov už desaťročia. V 90. rokoch 20. storočia našli dôležitú stopu pri podrobnom skúmaní mitochondrií, energetických zdrojov eukaryotických buniek. Objavili v nich malý súbor génov, ktorý sa vôbec nepodobal na DNA v bunkovom jadre. Ukázalo sa však, že mitochondrie sú geneticky úzko späté s baktériami, ktoré využívajú kyslík na získavanie energie.
Tento objav naznačoval, že predkovia eukaryotov pohltili baktérie využívajúce kyslík a potom ich zapojili do výroby energie pre vlastnú potrebu. Mnohé otázky o eukaryotoch však zostali nezodpovedané. Akým organizmom bola napríklad pôvodná bunka, ktorá pohltila predchodcov mitochondrií?
Pátranie po skupine Asgard
V roku 2015 vedci dospeli k ďalšiemu významnému objavu. Zo sedimentov odobratých z morského dna v Arktíde získali fragmenty DNA a zostavili z nich úplné genómy tamojších mikróbov. Jeden z nich bol celkom iný než všetky dovtedy známe: patril prokaryotu, ktorý obsahoval množstvo génov predtým objavených iba u eukaryotov. Niektoré z týchto eukaryotických génov sa podieľali na stavbe bunkovej kostry. Iné pomáhali vytvárať kompartmenty, v ktorých eukaryotické bunky rozkladajú opotrebované bielkoviny.
Vedci začali hľadať ďalších členov tejto vývojovej línie pripomínajúcej eukaryoty. Pátranie spočiatku postupovalo mimoriadne pomaly a väčšina objavov pochádzala zo vzoriek hlbokomorských sedimentov. Nezvyčajnú vývojovú líniu pomenovali Asgard podľa sídla bohov v severskej mytológii.
Brett Baker, mikrobiálny ekológ z Texaskej univerzity, sa v posledných rokoch usiloval toto pátranie urýchliť. S kolegami organizoval expedície zamerané na hľadanie organizmov skupiny Asgard v hlbokomorských lokalitách pri kalifornskom pobreží aj v plytkých pobrežných vodách Číny. V laboratóriu potom použili nové účinné postupy na vyhľadávanie DNA týchto vzácnych mikróbov.
Výskum priniesol výsledky, o ktorých vedci nedávno informovali: počas expedícií našli 404 nových druhov skupiny Asgard. Zistili tiež, že databázy predchádzajúcich výskumov obsahovali ďalších 30 genómov tejto skupiny, ktoré dovtedy zostali nepovšimnuté. Jedinou štúdiou tak takmer zdvojnásobili počet známych druhov skupiny Asgard.
„Počet známych organizmov skupiny Asgard prudko rastie a koniec je v nedohľadne,“
hovorí John Archibald, evolučný biológ z kanadskej Dalhousieho univerzity, ktorý sa na novom výskume nepodieľal.
Mnohé z novoobjavených mikróbov skupiny Asgard žijú v morských hlbinách, iné v pobrežných vodách. Ďalšie sa vyskytujú na súši, v najrôznejších prostrediach od trvalo zamrznutej tundry až po teplé lagúny. Hoci nie sú veľmi početné, sú rozšírené na obrovskom území. „Ak vyjdeme do záhrady a osekvenujeme DNA v pôde, nájdeme tam organizmy skupiny Asgard,“ hovorí Baker.
Prichytené pri čine
Hoci sa vedcom darí čoraz lepšie nachádzať DNA skupiny Asgard, skúmanie živých buniek týchto organizmov je stále náročné. Christa Schleper, mikrobiologička z Viedenskej univerzity, a jej kolegovia strávili osem rokov hľadaním spôsobu, ako kultivovať organizmy skupiny Asgard, ktoré našli v sedimentoch bez kyslíka pri slovinskom pobreží.
Napokon niekoľko živých organizmov skupiny Asgard umiestnili na sklenené doštičky a nasnímali ich videokamerou.
Keď záznam zrýchlili, uvideli mikróby plaziť sa po skle. Bolo to vôbec prvýkrát, čo niekto pozoroval tieto organizmy v pohybe.
Pohyb organizmov skupiny Asgard priniesol ďalšie zaujímavé stopy k pôvodu eukaryotov. Plazia sa tak, že prestavujú svoju bunkovú kostru a vytvárajú dlhé „chápadlá“, ktorými sa naťahujú a zachytávajú o sklo. Prokaryoty sa takto nepohybujú, eukaryoty však áno. Videá teda naznačujú, že organizmy skupiny Asgard si vyvinuli viaceré kľúčové znaky eukaryotov, napríklad kostru umožňujúcu plazenie, dávno pred vznikom samotných eukaryotov.
Predchodcovia mitochondrií boli nepochybne mikróby dýchajúce kyslík, a preto žili v prostredí bohatom na tento plyn. Organizmy skupiny Asgard obývajúce sedimenty bez kyslíka sa s nimi teda nemohli stretnúť. Bakerov nový výskum však ponúka aj niekoľko indícií, ako k tomuto prelomovému stretnutiu mohlo dôjsť. S kolegami našiel množstvo nových organizmov skupiny Asgard, ktoré žijú v pobrežných vodách bohatých na kyslík. Podrobné skúmanie ich génov ukazuje, že kyslík využívajú pri látkovej premene. „Zdá sa, že dýchajú kyslík a spotrebúvajú organický uhlík. To je nám veľmi blízke, pretože presne to robíme aj my,“ hovorí Baker.
Na základe týchto zistení sa vedci domnievajú, že vývoj smerujúci k eukaryotom sa na ranej Zemi začal ešte v čase, keď na nej nebol kyslík. U raných mikróbov skupiny Asgard sa vyvinula bunková kostra, ktorú používali na plazenie po oceánskom dne. Zemská atmosféra sa začala meniť približne pred 2,5 miliardy rokov.
Na scénu vstupuje kyslík
Niektoré baktérie začali fotosyntetizovať, čo im umožnilo využívať oxid uhličitý a slnečné svetlo na rast. Ako vedľajší produkt pritom uvoľňovali kyslík. Ten sa postupne hromadil v atmosfére a prenikal do plytkých pobrežných vôd.
Pre mnohé mikróby bol novovznikajúci kyslík jedovatý. Niektoré organizmy skupiny Asgard žijúce v pobrežných vodách sa mu však prispôsobili a neskôr ho začali využívať na získavanie energie.
„Potom túto schopnosť odovzdali eukaryotom,“ uvažuje Baker. Predpokladá tiež, že organizmy skupiny Asgard sa v pobrežných vodách bohatých na kyslík stretli s baktériami, z ktorých neskôr vznikli mitochondrie. Počas morského výskumu pri čínskom pobreží vedci našli aj baktérie blízko príbuzné mitochondriám, ktoré žili v rovnakej vrstve sedimentu ako organizmy skupiny Asgard.
Keď organizmy skupiny Asgard získali mitochondrie, ich metabolizmus využívajúci kyslík sa dramaticky zrýchlil. Získali výdatný prísun energie, vďaka ktorému mohli narásť a nadobudnúť nové schopnosti, napríklad loviť prokaryoty. Svet sa tým zásadne zmenil.
Ako vysvetľuje Kathryn Appler, mikrobiálna ekologička z Pasteurovho ústavu, ktorá s Bakerom spolupracovala na novej štúdii, vedci sa našťastie nemusia vrátiť o dve miliardy rokov späť, aby túto hypotézu overili. Stačí ďalej skúmať dnešné pobrežné vody. Je možné, že aj súčasné organizmy skupiny Asgard sa uberajú rovnakou cestou ako prvé eukaryoty a vytvárajú si úzke partnerstvá s baktériami. „Niekedy aj v noci premýšľam, čo sa asi práve deje v sedimentoch,“ hovorí Appler.
