Archaea ja elämän merkitys
Ihmiset ovat tavattoman innostuneita jakamaan asioita kahtia – lähestymistapamme taksonomiseen luokitteluun ei ole poikkeus. Linnaeuksen julkaisemassa varhaisimmassa järjestelmässä elävät organismit jaettiin eläimiin ja kasveihin, ja 1960-luvulle tultaessa tämä jaottelu korvattiin perustavammalla jaolla prokaryootteihin ja eukaryootteihin. Niinpä ei liene yllätys, että ajatus kolmannesta elämänalueesta – arkeoista – kohtasi kiivasta vastustusta, kun sitä ehdotettiin 1970-luvulla.
Lyhyt historia arkeoista: vuodesta 1977 nykypäivään
Arkeat ovat laajalle levinneet Maapallolla, mutta niistä tiedetään suhteellisen vähän niiden valittujen ryhmien ulkopuolella, jotka tutkivat näitä kiehtovia organismeja. Ne ovat mysteeri, jota puretaan hitaasti sen jälkeen, kun Carl Woese ja hänen ryhmänsä, johon kuului myös George Fox, ”löysivät” ne vuonna 1977 työskennellessään Illinoisin yliopistossa.
Metaanigeenit (metaania tuottavat arkeologit) ja muut mikro-organismiryhmät, mukaan lukien halobakteerit (joita nykyään kutsutaan halofiilisiksi arkeoiksi) sekä termofiilit, oli jo löydetty, mutta ne oli luokiteltu virheellisesti bakteereihin. Woese havaitsi, että näillä organismeilla oli yhteistä paitsi rakkaus äärimmäisiin ympäristöihin myös se, että ne ovat fylogeneettisesti sukua toisilleen. Hän oli kuitenkin yllättynyt havaitessaan, että ne eroavat pohjimmiltaan bakteereista.
Woese käytti pienten alayksiköiden rRNA:ta (ribosomaalista RNA:ta) rakentaakseen uuden fylogeenisen puun. Pieni rRNA-alayksikkö on kaikkien itsereplikoituvien organismien olennainen osa, ja sen sekvenssi on huomattavan säilynyt. Tämä teki siitä täydellisen valinnan molekyylikronometriin. Tuolloin tämä molekulaarinen lähestymistapa fylogeniaan oli uusi – aiemmat menetelmät tukeutuivat sen sijaan näkyviin ominaisuuksiin, kuten solujen muotoon tai kasvuolosuhteisiin. Woese havaitsi, että prokaryootit eivät ole yksi yhtenäinen alue, vaan ne koostuvat kahdesta erillisestä ryhmästä: Bakteerit ja arkeologit. Niitä kutsuttiin tuolloin nimillä ”eubakteerit” ja ”arkebakteerit”, mutta näiden kahden prokaryoottien ryhmän todettiin olevan keskenään yhtä samanlaisia kuin eukaryoottien kanssa. Woese ehdotti, että elämänpuussa on kolme samanarvoista oksaa – arkeia, bakteeri ja eukarya – ja että termi ”prokaryootti” olisi hylättävä, koska sillä ei ole taksonomista merkitystä. Ei ole yllättävää, että hänen ajatuksensa eivät saaneet yleistä suosiota.
L-R: MUDAPUISTO, WAIOTAPU; CHAMPAGNE-PUISTO, WAIOTAPU; KUUMA LÄHDE KELTAKIVEN KANSALLISKANSALLISPUISTOSSA; RIKKAKIVIJÄTTEET, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Kuten kaikissa uusissa löydöissä on epäilijöitä, mutta Wolfram Zilligin biokemialliset tiedot tukivat Woesen keräämiä 16S rRNA -tietoja. Ajan myötä tiedeyhteisö hyväksyi uuden Archaea-alueen. Kiinnostus arkeoita kohtaan kasvoi entisestään sen jälkeen, kun koko genomin sekvensointi alkoi 1990-luvulla, ja tutkijat siirtyivät yhä useammin bakteerien tai eukaryoottien sijasta työskentelemään näiden eksoottisten mikro-organismien parissa. Vastoin yleistä uskomusta kaikki arkeologit eivät kuitenkaan ole extremofiilejä. Niitä on löydetty myös ”normaaleista” ympäristöistä, kuten maaperästä ja merestä, sekä ympäristöistä, joissa ne elävät yhdessä bakteerien kanssa. Esimerkiksi ihmisen suolistossa arkeat tuottavat metaania! Toisin kuin bakteereja, patogeenisiä arkeoita ei kuitenkaan ole koskaan löydetty.
Lähes 40 vuotta on kulunut siitä, kun ne luokiteltiin uudeksi alaksi, mutta edelleen löydetään monia uusia arkealajeja. DNA:n sekvensointi on parantunut dramaattisesti, mikä tarkoittaa, että arkeoja ei enää tarvitse viljellä, jotta niitä voitaisiin luonnehtia. Tämä on johtanut täysin uusien sukulinjojen löytämiseen. Fylogeneettisten tietojen (16S rRNA ja muut geenit) perusteella Archaea jaettiin alun perin kahteen ryhmään: Euryarchaeota ja Crenarchaeota. Vuoden 2006 jälkeen on kuitenkin löydetty kolme uutta sukulinjaa: Thaumarchaeota, Aigarchaeota ja Korarchaeota. Nämä kolme uutta ryhmää yhdistetään usein Crenarchaeotan kanssa muodostaen ”TACK”-superheimon (tästä lisää myöhemmin). Vielä viime aikoina on raportoitu uusista ”nanoarkeoiden” sukulinjoista, joille on ominaista pieni solukoko ja hyvin vähän geenejä. Jatkuva uusien lajien ja ryhmien löytäminen tekee arkeoista hyvin muuttuvan alueen, jonka fylogeneettinen puu muuttuu jokaisen uuden löydön myötä.
Arkeoiden ajallinen kehitys niiden löytämisestä nykypäivään.
Elämän synty?
Arkeat saattavat ensisilmäyksellä näyttää bakteereilta, ja pinnallisia yhtäläisyyksiä on varmasti paljon, mutta kun kaivaa syvemmälle, arkeoilla on enemmän yhteistä eukaryoottien kanssa. Itse asiassa nykyään hyväksytään laajalti, että arkeat ovat kaikkien eukaryoottien esi-isiä.
Arkeat ovat bakteerien tavoin yksisoluisia organismeja, joilla on pyöreä kaksisäikeinen DNA-genomi, eikä niillä ole ydinkalvoa eikä organelleja. Tämä tarkoittaa, että ne ovat solurakenteeltaan bakteerien kaltaisia, vaikka erojakin on. Arkeoilla ei ole bakteerien kaltaista soluseinää, ja niiden plasmakalvo on erilainen kuin bakteerien ja eukaryoottien plasmakalvo. Solun sisäpuolella arkeotit muistuttavat kuitenkin silmiinpistävästi eukaryootteja. Tämä koskee erityisesti entsyymikoneistoa, joka käsittelee geneettistä informaatiota – DNA:n pakkaamista ja replikaatiota, transkriptiota RNA:ksi ja translaatiota proteiineiksi. Kaikki nämä prosessit ovat pohjimmiltaan samanlaisia arkeoissa ja eukaryooteissa, ja ne eroavat huomattavasti bakteereista.
Tämä herättää kysymyksen: jos arkeat ovat läheisempää sukua eukaryooteille kuin bakteereille, niin miten ne mahtuvat elämän puuhun?
Woesen ehdottama fylogeneettinen puu jakaantui kolmeen yhtä suureen osa-alueeseen, joiden mukaan arkeoilla ja eukaryooteilla oli yhteinen esi-isä, joka oli jo eronnut bakteereista. Elämän alkuperää tutkivat biologit ovat kuitenkin hiljattain todenneet, että Eukarya ja Archaea eivät ole sisäryhmiä. Sen sijaan eukaryootit ovat arkeoiden suoria jälkeläisiä, ja kauan kadoksissa ollut esi-isämme kuuluu arkeoiden ”TACK”-superheimoon. Yksi viime vuoden jännittävimmistä uusista löydöistä oli ”puuttuvan linkin” tunnistaminen Eukarya ja Archaea välillä. Niitä kutsutaan Lokiarchaeoiksi, ja ne löydettiin läheltä hydrotermistä aukkoa paikasta, joka tunnetaan nimellä Lokin linna Jäämerellä.
Voimmeko käyttää tietojamme arkeoista jäljittääksemme monimutkaisen elämän alkuperää? Eukaryoottisia mikrofossiileja voidaan ajoittaa 1,8 miljardin vuoden taakse, mutta biologista metaania on löydetty 3,4 miljardia vuotta vanhoista kivistä. Ainoa biologisen metaanin lähde on metaania tuottava Euryarchaeota, joten tiedämme, että arkeoita on ollut olemassa jo elämän alkuajoista lähtien maapallolla. Mitä tulee elämään muilla planeetoilla, on houkuttelevaa spekuloida, että arkeia on saattanut asuttaa myös Marsin – on yhä enemmän todisteita siitä, että Marsin ilmakehän metaani on biologista alkuperää.
DR THORSTEN ALLERS NOTTINGHAMIN YLIOPISTOSTA SELVITTÄÄ, KUINKA NÄITÄ FASKINOIVIA MIKRO-ORGAANISMIEN ENSIMMÄISIÄ HAVAINTOJA TAPAHTUI – JA KUINKA NÄIN NÄITÄ OLEVAT JOKAISESTI SAAVUTTANEET MEIDÄT PYSTYTTÄMÄÄN UUDELLEENARVIOIMAAN MEIDÄN SIJAAMISEMME ELÄMÄNPUUSSA.
Woesen vallankumous
Tähän viimeaikaiset havainnot merkitsevät meidän, ihmisten, kannalta? Kun otetaan huomioon halumme kahtiajakoon, meidän pitäisi olla helpottuneita siitä, että elämänpuu on karsittu vain kahteen päähaaraan – bakteereihin ja arkeihin. Ja ennen kaikkea meidän pitäisi antaa tunnustusta Carl Woeselle, jonka taksonominen vallankumous on mahdollistanut esi-isiemme jäljittämisen aina niiden vaatimattomiin alkuihin arkeaalisoluina.
YKSILÖLLINEN PHYLOGENEETTINEN PUU JUURISTETTUUN MUOTOON, JOSSA NÄYTTÄÄKIN KOLME DOMAINIA.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
FURTHER READING
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & muut (2015). Monimutkaiset arkeat, jotka muodostavat sillan prokaryoottien ja eukaryoottien välille. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & muut (2013). Eukaryoottien arkeaalinen alkuperä tukee vain kahta ensisijaista elämänaluetta. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). Kohti organismien luonnollista järjestelmää: ehdotus Archaea-, Bacteria- ja Eucarya-alueista. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.