Vad är den mest stabila och starka livsformen i vår värld? Kackerlackor är kända för sin vitalitet - många är övertygade om att de till och med kan överleva en kärnkraftsapokalyps. Tardigrader, eller vattenbjörnar, är ännu mer motståndskraftiga. De kan till och med överleva i rymden. Det finns en alger som bor i de kokande sura källorna i Yellowstone National Park. Runt det är kaustiskt vatten, smaksatt med arsenik och tungmetaller. För att hålla sig vid liv på denna dödliga plats använde hon ett oväntat trick.
Vad är hennes hemlighet? Stöld. Hon stjäl gener för att överleva från andra livsformer. Och denna taktik är mycket vanligare än man tror.
De flesta levande saker som lever på extrema platser är encelliga organismer - bakterier eller archaea. Dessa enkla och gamla livsformer har inte komplex djurbiologi, men deras enkelhet är en fördel: de klarar mycket bättre under extrema förhållanden.
Under miljarder år gömde de sig på de mest ogästvänliga platserna - djupt under jord, på havets botten, i permafrost eller i kokande varma källor. De har kommit långt och utvecklat sina gener över miljoner eller miljarder år, och nu hjälper de dem att hantera nästan vad som helst.
Men vad händer om andra, mer komplexa varelser bara kan komma och stjäla dessa gener? De skulle ha åstadkommit en evolutionär bedrift. På ett tag skulle de ha förvärvat genetiken som gjorde det möjligt för dem att överleva på extrema platser. De skulle komma dit utan att gå igenom miljontals år av tråkig och ansträngande utveckling som vanligtvis krävs för att utveckla dessa förmågor.
Och det gjorde de röda algerna Galdieria sulphuraria. Det finns i heta svavelkällor i Italien, Ryssland, Yellowstone Park i USA och Island.
Kampanjvideo:
Temperaturerna i dessa varma källor stiger till 56 grader Celsius. Medan vissa bakterier kan leva i pooler runt 100 grader, och vissa klarar temperaturer runt 110 grader, nära djupa havsfjädrar, är det ganska anmärkningsvärt att eukaryoter är en grupp av mer komplexa livsformer som inkluderar djur och växter (röda alger - denna växt) - kan leva vid en temperatur på 56 grader.
De flesta växter och djur kunde inte hantera dessa temperaturer, och med goda skäl. Värme leder till förstörelse av kemiska bindningar i proteiner, vilket leder till att de kollapsar. Detta har en katastrofal effekt på enzymer som katalyserar kroppens kemiska reaktioner. Membranen som omger cellen börjar läcka. Efter att ha nått en viss temperatur kollapsar membranet och cellen sönderfaller.
Ännu mer imponerande är dock algens förmåga att tolerera en sur miljö. Vissa varma källor har pH-värden mellan 0 och 1. Positivt laddade vätejoner, även kända som protoner, gör ett ämne surt. Dessa laddade protoner stör proteiner och enzymer inuti celler, och stör kemiska reaktioner som är livsviktiga.
Temperaturerna i dessa varma källor stiger till 56 grader Celsius. Medan vissa bakterier kan leva i pooler runt 100 grader, och vissa klarar temperaturer runt 110 grader, nära djupa havsfjädrar, är det ganska anmärkningsvärt att eukaryoter är en grupp av mer komplexa livsformer som inkluderar djur och växter (röda alger - denna växt) - kan leva vid en temperatur på 56 grader.
De flesta växter och djur kunde inte hantera dessa temperaturer, och med goda skäl. Värme leder till förstörelse av kemiska bindningar i proteiner, vilket leder till att de kollapsar. Detta har en katastrofal effekt på enzymer som katalyserar kroppens kemiska reaktioner. Membranen som omger cellen börjar läcka. Efter att ha nått en viss temperatur kollapsar membranet och cellen sönderfaller.
Ännu mer imponerande är dock algens förmåga att tolerera en sur miljö. Vissa varma källor har pH-värden mellan 0 och 1. Positivt laddade vätejoner, även kända som protoner, gör ett ämne surt. Dessa laddade protoner stör proteiner och enzymer inuti celler, och stör kemiska reaktioner som är livsviktiga.
Detta genöverföringsfenomen är känt som "horisontell genöverföring". Vanligtvis ärvs livsformer från föräldrar. Hos människor är detta exakt fallet: du kan spåra dina egenskaper längs grenarna i ditt släktträd till de allra första.
Ändå visar det sig att både då och då "främmande" gener av helt olika arter kan inkluderas i DNA. Denna process är vanlig hos bakterier. Vissa hävdar att detta inträffar även hos människor, även om det är omtvistat.
När någon annans DNA förvärvar en ny ägare, behöver den inte sitta tom. Istället kan hon börja arbeta med värdens biologi och uppmuntra henne att skapa nya proteiner. Detta kan ge ägaren nya färdigheter och låta honom överleva i nya situationer. Värdorganismen kan ge sig ut på en helt ny evolutionär väg.
Totalt identifierade Schoinknecht 75 stulna gener från tången som de lånade från bakterier eller arkebotten. Inte alla gener ger tydliga evolutionära fördelar för alger och den exakta funktionen hos många gener är okänd. Men många av dem hjälper Galdieria att överleva i extrema miljöer.
Dess förmåga att hantera giftiga kemikalier som kvicksilver och arsenik kommer från gener som lånas från bakterier.
En av dessa gener är ansvarig för "arsenikpumpen" som gör att alger effektivt kan ta bort arsenik från celler. Andra stulna gener tillåter bland annat att algerna släpper ut giftiga metaller medan de extraherar viktiga metaller från miljön. Andra stulna gener kontrollerar enzymer som gör att alger kan avgifta metaller som kvicksilver.
Algerna har också stulit generna som gör att de tål höga saltkoncentrationer. Under normala omständigheter suger en saltlösning ut vattnet ur cellen och dödar det. Men genom att syntetisera föreningar inuti cellen för att utjämna det "osmotiska trycket" undviker Galdieria detta öde.
Galdierias förmåga att tolerera extremt sura varma källor tros bero på dess ogenomtränglighet för protoner. Med andra ord kan hon helt enkelt hindra syra från att komma in i sina celler. För att göra detta innehåller det helt enkelt färre gener som kodar för kanaler i cellmembranet genom vilket protoner normalt passerar. Dessa kanaler tillåter vanligtvis positivt laddade partiklar, som kalium, att passera, vilka celler behöver, men de tillåter också protoner att passera igenom.
"Anpassningen till lågt pH verkar ha uppnåtts genom att ta bort eventuellt membrantransportprotein från plasmamembranet som gör att protoner kan komma in i cellen", säger Scheunknecht.”De flesta eukaryoter har flera kaliumkanaler i sina plasmamembran, men Galdieria har bara en gen som kodar för en kaliumkanal. En smalare kanal låter dig klara av hög syra."
Dessa kaliumkanaler gör dock viktigt arbete, de tar upp kalium eller upprätthåller en potentiell skillnad mellan cellen och dess miljö. Hur algerna förblir friska utan kaliumkanaler är fortfarande oklart.
Ingen vet också hur algerna klarar hög värme. Forskare har inte kunnat identifiera gener som skulle förklara just detta inslag i hennes biologi.
Bakterier och archaea, som kan leva vid mycket höga temperaturer, har helt olika proteiner och membran, men algerna har genomgått mer subtila förändringar, säger Scheunknecht. Han misstänker att det förändrar ämnesomsättningen hos membranlipider vid olika temperaturökningar, men vet ännu inte exakt hur detta händer och hur det gör det möjligt att anpassa sig till värmen.
Det är tydligt att kopiering av gener ger Galdieria en enorm evolutionär fördel. Medan de flesta unicellulära röda alger relaterade till G. sulphuraria lever i vulkanområden och klarar måttlig värme och syror, kan få av dess släktingar tåla så mycket värme, syra och toxicitet som G. sulphuraria. På vissa ställen står denna art för upp till 80-90% av livet - detta indikerar hur svårt det är för någon annan att kalla huset till G. sulphuraria.
Det återstår en uppenbar och intressant fråga: hur stjäl algerna så många gener?
Denna alger lever i en miljö som innehåller mycket bakterier och arkeea, så på sätt och vis har den förmågan att stjäla gener. Men forskare vet inte exakt hur DNA hoppade från bakterier till en så annan organism. För att framgångsrikt komma till värden måste DNA först komma in i cellen och sedan in i kärnan och först sedan införliva sig själv i värdens genom.
”De bästa gissningarna vid den här tiden är att virus kan överföra genetiskt material från bakterier och archaea till alger. Men det här är ren spekulation, säger Scheinknecht.”Att komma in i en bur är kanske det svåraste steget. Väl inne i en cell är det inte så svårt att komma in i kärnan och integrera i genomet.
Horisontell genöverföring förekommer ofta hos bakterier. Det är därför vi har problem med antibiotikaresistens. När en resistent gen dyker upp sprider den sig snabbt bland bakterier. Man trodde dock att genutbyte sker mindre ofta i mer avancerade organismer än i eukaryoter. Man trodde att bakterier har speciella system som tillåter dem att acceptera nukleinsyror, som eukaryoter inte gör.
Men andra exempel på avancerade varelser som stjäl gener för att överleva under extrema förhållanden har redan hittats. Chloromonas brevispina, en art av snöalger som lever i Antarktis snö och is, bär gener som antagligen togs från bakterier, archaea eller till och med svampar.
Skarpa iskristaller kan tränga igenom och perforera cellmembran, så varelser som lever i kalla klimat måste hitta ett sätt att bekämpa detta. Ett sätt är att producera isbindande proteiner (IBP), som utsöndras i en cell som håller fast vid is, vilket stoppar tillväxten av iskristaller.
James Raymond från University of Nevada i Las Vegas kartlade genomet för snöalger och fann att generna för isbindande proteiner var anmärkningsvärt lika i bakterier, archaea och svampar, vilket tyder på att de alla utbytte förmågan att överleva under kalla förhållanden under den horisontella genöverföring.
"Dessa gener är viktiga för överlevnad, eftersom de har hittats i alla kallanpassade alger och inga i varma förhållanden", säger Raymond.
Det finns flera andra exempel på horisontell genöverföring i eukaryoter. De små kräftdjur som lever i Antarktis havis verkar ha förvärvat denna färdighet också. Dessa Stephos longipes kan leva i flytande saltkanaler i is.
"Fältmätningar har visat att C. longipes lever i superkylda saltlake på isens yta", säger Rainer Kiko, forskare vid Institutet för polarekologi vid universitetet i Kiel i Tyskland. "Underkyld betyder att vätskans temperatur ligger under fryspunkten och beror på salthalt."
För att överleva och hålla sig frysande innehåller S. longipes blod och andra kroppsvätskor molekyler som sänker fryspunkten för att matcha det omgivande vattnet. Samtidigt producerar kräftdjur icke-frysande proteiner som förhindrar att iskristaller bildas i blodet.
Det antas att detta protein också erhölls genom horisontell genöverföring.
Den vackra monarkfjärilen kan också ha stulna gener, men den här gången från en parasitisk geting.
Den glänsande getingen från familjen Braconid är känd för att införa ett ägg tillsammans med ett virus i en värdinsekt. Virusets DNA hackar in i värdens hjärna och förvandlar det till en zombie, som sedan fungerar som en inkubator för getingens ägg. Forskare har upptäckt generna av draconider i fjärilar, även om dessa fjärilar aldrig har träffat getingar. De tros göra fjärilar mer motståndskraftiga mot sjukdomar.
Eukaryoter stjäl inte bara enskilda gener. Ibland är stölder massiva.
Det ljusgröna marina livet Elysia chlorotica tros ha förvärvat förmågan att fotosyntetisera genom att äta alger. Denna sjöslak intar kloroplaster - organeller som utför fotosyntes - hela och lagrar dem i matsmältningskörtlarna. När det pressas och det inte finns några alger att äta kan havssniggen överleva genom att använda energin från solljus för att omvandla koldioxid och vatten till mat.
En studie visar att sniglar också tar gener från alger. Forskare sätter in fluorescerande DNA-markörer i alggenomet för att se exakt var generna var. Efter att ha matat på alger fick havssniggen en gen för kloroplastregenerering.
Samtidigt innehåller cellerna i vår kropp små energiproducerande strukturer, mitokondrier, som skiljer sig från resten av våra cellulära strukturer. Mitokondrier har till och med sitt eget DNA.
Det finns en teori att mitokondrier fanns som självständiga livsformer för miljarder år sedan, men på något sätt började de inkluderas i cellerna i de första eukaryoterna - kanske mitokondrier svälgs, men smälts inte. Denna händelse antas ha inträffat för cirka 1,5 miljarder år sedan och var en viktig milstolpe i utvecklingen av alla högre livsformer, växter och djur.
Gener som stjäl kan vara en ganska vanlig evolutionstaktik. När allt kommer omkring låter hon andra göra allt det hårda arbetet för dig medan du skördar fördelarna. Alternativt kan horisontell genöverföring påskynda en evolutionär process som redan har börjat.
"En organism som inte har anpassat sig till värme eller syra kommer troligen inte att fylla vulkaniska bassänger plötsligt bara för att den har de gener som den behöver", säger Scheunknecht. "Men evolution är nästan alltid en steg-för-steg-process, och horisontell genöverföring möjliggör stora språng framåt."
ILYA KHEL
