Ζώα και φυτά καταγόμαστε από έναν μεγα-οργανισμό
Μια φορά κι έναν καιρό, πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια, ζούσε ένας και μοναδικός οργανισμός που ονομαζόταν LUCA. Ηταν τεράστιος: ένας μεγα-οργανισμός που τέτοιος δεν έχει ξαναεμφανιστεί από τότε, γέμιζε τους ωκεανούς του πλανήτη μέχρι να διαιρεθεί σε τρία μέρη και να δώσει γένεση στους προγόνους όλων των οργανισμών που ζουν σήμερα στη Γη.
Αυτή η περίεργη εικόνα προκύπτει από τις προσπάθειες των επιστημόνων να εντοπίσουν τον τελευταίο κοινό πρόγονο όλων των ειδών. Προσοχή στη διαφορά: όχι την πρώτη μορφή ζωής που εμφανίστηκε στον πλανήτη μας, αλλά τη μορφή ζωής από την οποία προέκυψαν όλες οι άλλες.
Το «παζάρι» Ωκεανός
Τα πλέον πρόσφατα αποτελέσματα αυτών των προσπαθειών οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ο οικουμενικός κοινός μας πρόγονος ή LUCA (Last Universal Common Ancestor) προέκυψε από την πάλη των πρώιμων μορφών ζωής για επιβίωση, μια πάλη η οποία είχε ως συνέπεια να μετατραπούν οι ωκεανοί σε ένα τεράστιο «παζάρι» ανταλλαγών γενετικού υλικού. Κύτταρα τα οποία αγωνίζονταν να επιβιώσουν μόνα τους αντάλλασσαν χρήσιμα υλικά μεταξύ τους –χωρίς ανταγωνισμό –, πράγμα που οδήγησε στη δημιουργία ενός παγκόσμιου μεγα-οργανισμού.
Πριν από 2,9 δισεκατομμύρια χρόνια ο LUCA διαιρέθηκε σε τρεις τύπους ζωής: στα μονοκύτταρα βακτήρια και αρχαιοβακτήρια και στους πιο πολύπλοκους ευκαρυωτικούς οργανισμούς από τους οποίους προέκυψαν τα φυτά και τα ζώα. Είναι πολύ δύσκολο να ξέρει κανείς τι συνέβη πριν από τη διαίρεση. Δεν υπάρχουν απολιθώματα από εκείνη την εποχή και οποιοδήποτε γονίδιο που υπήρχε τότε έχει πιθανότατα υποστεί μεταλλάξεις που το καθιστούν αγνώριστο.
Οι παραπάνω δυσκολίες δεν είναι αξεπέραστες για τη διαμόρφωση του πορτρέτου του LUCA, λέει ο Gustavo Gaetano-Anolles του Πανεπιστημίου του Ιλινόι. Ενώ η αλληλουχία του DNA μπορεί να αλλάζει με ταχείς ρυθμούς, η τρισδιάστατη δομή των πρωτεϊνών για τις οποίες κωδικοποιούν είναι περισσότερο ανθεκτική στο πέρασμα του χρόνου. Ετσι, αν όλοι οι σημερινοί οργανισμοί φτιάχνουν μια πρωτεΐνη με την ίδια συνολικά δομή, λέει ο ερευνητής, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ότι η πρωτεΐνη αυτή ήταν παρούσα στον LUCA. O Gaetano-Anolles αποκαλεί αυτές τις πρωτεΐνες ζωντανά απολιθώματα και επισημαίνει ότι, καθώς η λειτουργία των πρωτεϊνών είναι άμεσα εξαρτημένη από τη δομή τους, θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν τι έκανε ο LUCA.
«Οι δομές τείνουν να διατηρούνται ενώ δεν συμβαίνει το ίδιο με τις αλληλουχίες» συμφωνεί ο Antony Poole του Πανεπιστημίου Καντέρμπουρι της Νέας Ζηλανδίας, αν και προσθέτει ότι δύο πολύ όμοιες δομές μπορεί να έχουν προκύψει ανεξάρτητα μετά τον LUCA.
Προκειμένου να ανασυνθέσει το σετ των πρωτεϊνών που μπορούσε να φτιάξει ο LUCA, ο Gaetano-Anolles έψαξε βάσεις δεδομένων που φιλοξενούν την πρωτεϊνική σύσταση 420 σύγχρονων οργανισμών αναζητώντας δομές που ήταν κοινές για όλους. Από την αναζήτηση προέκυψε ότι μόνο ένα 5% ως 11% ήταν αρκετά όμοιες ώστε να έχουν προέλευση τον LUCA.
Πώς ήταν φτιαγμένος
Διερευνώντας τη λειτουργία τους κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο LUCA διέθετε ένζυμα ικανά να διασπάσουν τροφές και να παραγάγουν ενέργεια, καθώς επίσης και έναν υποτυπώδη εξοπλισμό για σύνθεση πρωτεϊνών, αλλά δεν διέθετε ένζυμα που θα του επέτρεπαν να δημιουργεί DNA ή να «διαβάζει» τις οδηγίες που περιέχονται σε αυτό.
Το παραπάνω εύρημα έρχεται να συμφωνήσει με συμπεράσματα στα οποία κατέληξε και ο Wolfgang Nitschke του Μεσογειακού Ινστιτούτου Μικροβιολογίας της Μασσαλίας στη Γαλλία. Ανασυνθέτοντας την εξελικτική ιστορία των ενζύμων του μεταβολισμού, ο Nitschke διαπίστωσε ότι ο LUCA μπορούσε να χρησιμοποιήσει τόσο το άζωτο όσο και τον άνθρακα ως πηγές ενέργειας.
Αν ο LUCA ήταν φτιαγμένος από κύτταρα, πρέπει να είχε και μεμβράνες και ο Armen Mulkidjanian του Πανεπιστημίου του Οσναμπρουκ στη Γερμανία νομίζει ότι ξέρει τι είδους ήταν. Ανασυνθέτοντας την εξελικτική ιστορία των μεμβρανικών πρωτεϊνών, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο LUCA μπορούσε μόνο να δημιουργεί απλές ισοπρενοειδείς μεμβράνες, οι οποίες δεν ήταν και τόσο στεγανές σε σχέση με τις σημερινές.
Πιθανότατα ο LUCA έφερε και ένα οργανίδιο, ένα κυτταρικό διαμέρισμα με εξειδικευμένη λειτουργία. Ως πρόσφατα τα οργανίδια θεωρούνταν αποκλειστικό προνόμιο των ευκαρυωτικών οργανισμών, ωστόσο το 2003 οι ερευνητές ανακάλυψαν σε βακτήρια ένα οργανίδιο το οποίο ονόμασαν acidocaslisome. Τώρα ο Gaetano-Anolles εντόπισε acidocaslisomes ή τουλάχιστον τις πρώιμες μορφές τους σε αρχαιοβακτήρια, πράγμα που σημαίνει ότι τα οργανίδια αυτά εντοπίζονται σε όλες τις μορφές ζωής και προέρχονται από την εποχή του LUCA.
Πλήρης, αλλά χωρίς DNA
Ετσι ο LUCA είχε έναν πλούσιο μεταβολισμό με την ικανότητα να αξιοποιεί διαφορετικές τροφικές πηγές και διέθετε εσωτερικά οργανίδια. Τα παραπάνω μοιάζουν πολύ οικεία. Αλλά η γενετική του ήταν πολύ διαφορετική ιστορία. Κατ’ αρχάς ο LUCA πιθανότατα δεν χρησιμοποιούσε καθόλου DNA. Οταν ο Poole μελέτησε την ιστορία των ενζύμων που ονομάζονται ριβονουκλεοτιδικές αναγωγάσες και δημιουργούν τις δομικές υπομονάδες του DNA, δεν βρήκε καμία ένδειξη της παρουσίας τους στον LUCA. Πιθανότατα όμως ο LUCA χρησιμοποιούσε RNA το οποίο επίσης μπορεί να αποθηκεύει πληροφορία και να ελέγχει χημικές αντιδράσεις.
Το σημαντικό είναι ότι ο LUCA ήταν αυτό που οι ερευνητές ονομάζουν «Progenote», ένας οργανισμός με ατελή έλεγχο στο είδος των πρωτεϊνών που συνέθετε, λέει ο Massimo Di Giulio του Ινστιτούτου Γενετικής και Βιοφυσικής της Νάπολι στην Ιταλία. Οι οργανισμοί αυτοί μπορούσαν να δημιουργήσουν πρωτεΐνες διαβάζοντας τις οδηγίες των γονιδίων, αλλά η όλη διαδικασία ήταν τόσο επιρρεπής σε λάθη ώστε οι παραγόμενες πρωτεΐνες να είναι ενίοτε πολύ διαφορετικές από αυτό που κωδίκευαν οι οδηγίες. Τόσο ο Di Giulio όσο και ο Gaetano-Anolles έχουν στοιχεία που υποστηρίζουν ότι τα συστήματα που επιτρέπουν ακρίβεια στη σύνθεση των πρωτεϊνών εμφανίστηκαν πολύ μετά τον LUCA.
Ενας αδέξιος τύπος…
«Ο LUCA ήταν ένας αδέξιος τύπος ο οποίος προσπαθούσε να λύσει τα προβλήματα της επιβίωσης πάνω στην πρώιμη Γη» λέει ο Gaetano-Anolles, ο οποίος πιστεύει ότι τα πρώιμα κύτταρα πρέπει να μοιράζονταν μεταξύ τους γονίδια και πρωτεΐνες. Νέα και χρήσιμα μόρια θα πρέπει να περνούσαν χωρίς ανταγωνισμό από κύτταρο σε κύτταρο και να γίνονταν παγκόσμια. Κύτταρα τα οποία απομονώνονταν από αυτό το αλισβερίσι ήταν καταδικασμένα.
Αυτή η ελεύθερη ανταλλαγή και η έλλειψη ανταγωνισμού είχε ως συνέπεια ο πρωτόγονος ωκεανός να λειτουργεί ουσιαστικά σαν ένας και μοναδικός μεγα-οργανισμός. «Υπάρχει ένα πολύ σοβαρό επιχείρημα υπέρ της άποψης της ελεύθερης ανταλλαγής γονιδίων, ενζύμων και μεταβολιτών» λέει ο Mulkidjanian. Απομεινάρια αυτού του συστήματος ανταλλαγών εντοπίζονται και σήμερα σε μικροβιακές κοινότητες οι οποίες επιζούν μόνο όταν είναι μεικτές. Και οι μη στεγανές μεμβράνες του LUCA θα διευκόλυναν την κοινοκτημοσύνη.
Μόνο όταν κάποια κύτταρα εξελίχθηκαν έτσι ώστε να παράγουν ό,τι χρειαζόταν θα μπορούσε ο μεγα-οργανισμός να διαιρεθεί. Δεν γνωρίζουμε πότε ακριβώς έγινε αυτό, αλλά φαίνεται πως συνέπεσε με την εμφάνιση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα πριν από 2,9 δισεκατομμύρια χρόνια. Ανεξάρτητα από την αιτία, πάντως, η ζωή στη Γη ποτέ πια δεν ήταν ίδια.
Michael Marshall, TO BHMA – New Scientist
