Archaea és az élet értelme
Az emberek rendkívüli módon szeretik kettéosztani a dolgokat – ez alól a rendszertani besoroláshoz való hozzáállásunk sem kivétel. A legkorábbi, Linné által közzétett rendszer az élő szervezeteket állatokra és növényekre osztotta, és az 1960-as évekre ezt felváltotta a prokarióták és eukarióták közötti alapvetőbb felosztás. Így nem meglepő, hogy az 1970-es években felvetett harmadik életterület – az archaea – gondolata heves ellenállásba ütközött.
Az archaea rövid története: 1977-től napjainkig
Az archaea széles körben elterjedt a Földön, mégis viszonylag keveset tudunk róluk, azon a kiválasztott csoporton kívül, amely ezeket a lenyűgöző organizmusokat tanulmányozza. Olyan rejtélyt jelentenek, amelyet lassan fejtegetnek azóta, hogy 1977-ben Carl Woese és csoportja, köztük George Fox az Illinois-i Egyetemen dolgozva “felfedezte” őket.
A metanogének (metánt termelő archaea) és a mikroorganizmusok más csoportjai, köztük a halobaktériumok (ma halofil archaea), valamint a termofilok már korábban felfedezték őket, de tévesen a Baktériumok tartományba sorolták őket. Woese megállapította, hogy ezek az organizmusok nemcsak a szélsőséges környezetek iránti szeretetükben osztoznak, hanem filogenetikai rokonságban is állnak egymással. Meglepődve tapasztalta azonban, hogy alapvetően különböznek a baktériumoktól.
Woese a kis alegységű rRNS (riboszomális RNS) segítségével egy új filogenetikai fát épített fel. A kis alegységű rRNS minden önreprodukáló szervezet alapvető alkotóeleme, és figyelemre méltó szekvencia konzerváltságot mutat. Ez tette tökéletes választássá egy molekuláris kronométer számára. Abban az időben a filogenezisnek ez a molekuláris megközelítése újszerű volt – a korábbi módszerek inkább olyan látható tulajdonságokra támaszkodtak, mint a sejtek alakja vagy a növekedési feltételek. Woese megállapította, hogy a prokarióták nem egyetlen összefüggő tartományt alkotnak, hanem két különböző csoportból állnak: Baktériumok és Archaea. Akkoriban “Eubaktériumoknak” és “Archaebaktériumoknak” nevezték őket, de kiderült, hogy a prokarióták e két csoportja nem hasonlít jobban egymásra, mint az eukariótákéra. Woese azt javasolta, hogy az élet fájának három egyenlő ága van – Archaea, Bacteria és Eukarya -, és hogy a “prokarióta” kifejezést el kell hagyni, mert nincs taxonómiai jelentése. Nem meglepő, hogy elképzelései nem voltak általános népszerűségnek örvendenek.
L-R: Iszapmedence, WAIOTAPU; Csámpásmedence, WAIOTAPU; Forró forrás a YELLOWSTONE NATIONAL PARK-ban; kénes kőzúzalékok, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Mint minden új felfedezésnél vannak szkeptikusok, de Wolfram Zillig biokémiai adatai alátámasztották a Woese által gyűjtött 16S rRNS adatokat. Idővel a tudományos közösség elfogadta az Archaea új tartományát. Az archaea iránti érdeklődés tovább nőtt, miután az 1990-es években beindult a teljes genomszekvenálás, és a kutatók a baktériumokról vagy eukariótákról egyre inkább áttértek ezekkel az egzotikus mikroorganizmusokkal való foglalkozásra. A közhiedelemmel ellentétben azonban nem minden archaea extremofil. Megtalálták őket “normál” környezetben is, például a talajban és az óceánban, valamint olyan környezetben, ahol baktériumokkal élnek együtt. Az emberi bélben például az archaea felelős a metán termeléséért! A baktériumokkal ellentétben azonban még soha nem találtak kórokozó archaea fajokat.
Majdnem 40 év telt el azóta, hogy új területre sorolták őket, de még mindig sok új archaea fajt fedeznek fel. A DNS-szekvenálás drámai fejlődésen ment keresztül, ami azt jelenti, hogy az archaea fajokat már nem kell tenyészteni ahhoz, hogy jellemezni lehessen őket. Ez teljesen új családok felfedezéséhez vezetett. A filogenetikai adatok (16S rRNS és más gének) alapján az Archaea tartományt eredetileg két csoportra osztották: az Euryarchaeota és a Crenarchaeota csoportra. 2006 óta azonban három további vonalat fedeztek fel: Thaumarchaeota, Aigarchaeota és Korarchaeota. Ezt a három új csoportot gyakran egyesítik a Crenarchaeotával, hogy a “TACK” szupertörzset alkossák (erről később). Még a közelmúltban jelentek meg jelentések a “nano” archaea új vonalairól, amelyeket kis sejtméret és nagyon kevés gén jellemez. Az új fajok és csoportok folyamatos feltárása miatt az Archaea egy nagyon képlékeny terület, ahol a filogenetikai fa minden egyes új felfedezéssel változik.
Az ARCHAEA TIMELINE A FELFEDEZÉSÜktől napjainkig.
Az élet eredete?
Az archaea első pillantásra a baktériumokra hasonlíthat, és bizonyára sok felszínes hasonlóságot is találunk, de ha mélyebbre ásunk, az archaea több közös vonást mutat az eukariótákkal. Valójában ma már széles körben elfogadott, hogy az archaea az összes eukarióta őse.
Az archaea, akárcsak a baktériumok, egysejtű organizmusok, körkörös, kettős szálú DNS genommal, és nincs se sejtmaghártyájuk, se szervezeteik. Ez azt jelenti, hogy a sejtek felépítését tekintve hasonlítanak a baktériumokhoz, bár vannak különbségek. Az archaea nem rendelkezik bakteriális típusú sejtfallal, és plazmamembránjuk eltér a baktériumok és az eukarióták membránjától. A sejt belsejében azonban az archaea feltűnő családi hasonlóságot mutat az eukariótákkal. Ez különösen igaz a genetikai információt feldolgozó enzimes gépezetre – a DNS csomagolására és replikációjára, az RNS-é történő átírásra és a fehérjévé történő transzlációra. Mindezek a folyamatok lényegében azonosak az archaea és az eukarióták esetében, és meglehetősen különböznek a baktériumoktól.
Ez felveti a kérdést: ha az archaea közelebbi rokonságban áll az eukariótákkal, mint a baktériumokkal, akkor hogyan illeszkednek az élet fáján?
A Woese által javasolt filogenetikai fa három egyenlő tartományra oszlott, ahol az archaea és az eukarióta egy közös ősön osztozik, amely már elvált a baktériumoktól. Az élet eredetével foglalkozó biológusok azonban nemrégiben arra a következtetésre jutottak, hogy az Eukarya és az Archaea nem testvércsoportok. Ehelyett az eukarióták az archaea közvetlen leszármazottai, és a mi rég elveszett ősünk az archaea “TACK” szupertörzséhez tartozik. Az elmúlt év egyik legizgalmasabb új felfedezése az Eukarióta és az Archaea közötti “hiányzó láncszem” azonosítása volt. A Lokiarchaeota nevű egyedeket egy hidrotermális szellőzőnyílás közelében találták meg a Jeges-tengerben Loki vára néven ismert helyen.
Az archaeákról szerzett ismereteinket felhasználhatjuk-e az összetett élet eredetének nyomon követésére? Az eukarióta mikrokövületek 1,8 milliárd évvel ezelőttre datálhatók, de biológiai metánt találtak 3,4 milliárd éves kőzetekben is. A biológiai metán egyetlen forrása a metanogén Euryarchaeota, tehát tudjuk, hogy az archaea már a földi élet kezdete óta jelen van. Ami a más bolygókon lévő életet illeti, csábító a feltételezés, hogy az archaea a Marsot is benépesíthette – egyre több a bizonyíték arra, hogy a Mars légkörében lévő metán biológiai eredetű.
DR THORSTEN ALLERS A NOTTINGHAMI EGYETEM TÁRSADALOMBÓL FELVILÁGÍTJA, HOGYAN TALÁLTÁK ELŐSZÖRÖSEN E FASZINÁLÓ MIKROORGANIZMUSOKAT – ÉS HOGYAN KÉPZELHETJÜK Újragondolásra saját helyünket az élet fáján.
Woese forradalma
Mit jelentenek a legújabb felfedezések számunkra, emberek számára? Mivel vágyunk a kettősségre, megkönnyebbülhetünk, hogy az élet fája mindössze két fő ágra – a baktériumokra és az archeákra – lett visszavágva. És mindennél nagyobb elismerés illeti Carl Woese-t, akinek rendszertani forradalma lehetővé tette számunkra, hogy őseinket egészen az archaikus sejtek szerény kezdetéig visszavezessük.
UNIVERZÁLIS PHYLOGENETIKAI FÁK RÖVID FORMÁBAN, MUTATVA A HÁROM DOMAINUST.
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. & mások (2015). Komplex archaea, amelyek hidat képeznek a prokarióták és az eukarióták között. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & mások (2013). Az eukarióták archeális eredete csak két elsődleges életterületet támogat. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). A szervezetek természetes rendszere felé: javaslat az Archaea, Bacteria és Eucarya tartományokra. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.