Was ist die stabilste und stärkste Lebensform unserer Welt? Kakerlaken sind berühmt für ihre Vitalität - viele Menschen sind überzeugt, dass sie sogar eine nukleare Apokalypse überleben könnten. Tardigraden oder Wasserbären sind noch widerstandsfähiger. Sie können sogar im Weltraum überleben. In den kochenden sauren Quellen des Yellowstone-Nationalparks lebt eine Alge. Um ihn herum befindet sich ätzendes Wasser, aromatisiert mit Arsen und Schwermetallen. Um an diesem tödlichen Ort am Leben zu bleiben, benutzte sie einen unerwarteten Trick.
Was ist ihr Geheimnis? Diebstahl. Sie stiehlt anderen Lebensformen Gene zum Überleben. Und diese Taktik ist weitaus häufiger als man denkt.
Die meisten Lebewesen, die an extremen Orten leben, sind einzellige Organismen - Bakterien oder Archaeen. Diese einfachen und alten Lebensformen haben keine komplexe Tierbiologie, aber ihre Einfachheit ist von Vorteil: Sie kommen mit extremen Bedingungen viel besser zurecht.
Milliarden von Jahren versteckten sie sich an den unwirtlichsten Orten - tief unter der Erde, am Meeresboden, im Permafrost oder in kochenden heißen Quellen. Sie haben einen langen Weg zurückgelegt und ihre Gene über Millionen oder Milliarden von Jahren hinweg weiterentwickelt. Jetzt helfen sie ihnen, mit fast allem fertig zu werden.
Aber was wäre, wenn andere, komplexere Kreaturen einfach mitkommen und diese Gene stehlen könnten? Sie hätten eine evolutionäre Leistung vollbracht. Auf einen Schlag hätten sie die Genetik erworben, die es ihnen ermöglichte, an extremen Orten zu überleben. Sie würden dorthin gelangen, ohne die Millionen von Jahren langwieriger und mühsamer Evolution zu durchlaufen, die normalerweise erforderlich sind, um diese Fähigkeiten zu entwickeln.
Genau das tat die Rotalge Galdieria sulphuraria. Es kann in heißen Schwefelquellen in Italien, Russland, Yellowstone Park in den Vereinigten Staaten und Island gefunden werden.
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Die Temperaturen in diesen heißen Quellen steigen auf 56 Grad Celsius. Während einige Bakterien in Pools bei etwa 100 Grad leben können und einige Temperaturen um 110 Grad in der Nähe von Tiefseequellen bewältigen können, ist es bemerkenswert, dass Eukaryoten eine Gruppe komplexerer Lebensformen sind, zu denen Tiere und Pflanzen gehören (Rotalgen - diese Pflanze) - kann bei einer Temperatur von 56 Grad leben.
Die meisten Pflanzen und Tiere könnten diese Temperaturen aus gutem Grund nicht bewältigen. Hitze führt zur Zerstörung chemischer Bindungen innerhalb von Proteinen, was zu deren Zusammenbruch führt. Dies hat katastrophale Auswirkungen auf Enzyme, die die chemischen Reaktionen des Körpers katalysieren. Die die Zelle umgebenden Membranen beginnen zu lecken. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur kollabiert die Membran und die Zelle zerfällt.
Noch beeindruckender ist jedoch die Fähigkeit von Algen, eine saure Umgebung zu tolerieren. Einige heiße Quellen haben pH-Werte zwischen 0 und 1. Positiv geladene Wasserstoffionen, auch Protonen genannt, machen eine Substanz sauer. Diese geladenen Protonen stören Proteine und Enzyme in Zellen und stören lebenswichtige chemische Reaktionen.
Die Temperaturen in diesen heißen Quellen steigen auf 56 Grad Celsius. Während einige Bakterien in Pools bei etwa 100 Grad leben können und einige Temperaturen um 110 Grad in der Nähe von Tiefseequellen bewältigen können, ist es bemerkenswert, dass Eukaryoten eine Gruppe komplexerer Lebensformen sind, zu denen Tiere und Pflanzen gehören (Rotalgen - diese Pflanze) - kann bei einer Temperatur von 56 Grad leben.
Die meisten Pflanzen und Tiere könnten diese Temperaturen aus gutem Grund nicht bewältigen. Hitze führt zur Zerstörung chemischer Bindungen innerhalb von Proteinen, was zu deren Zusammenbruch führt. Dies hat katastrophale Auswirkungen auf Enzyme, die die chemischen Reaktionen des Körpers katalysieren. Die die Zelle umgebenden Membranen beginnen zu lecken. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur kollabiert die Membran und die Zelle zerfällt.
Noch beeindruckender ist jedoch die Fähigkeit von Algen, eine saure Umgebung zu tolerieren. Einige heiße Quellen haben pH-Werte zwischen 0 und 1. Positiv geladene Wasserstoffionen, auch Protonen genannt, machen eine Substanz sauer. Diese geladenen Protonen stören Proteine und Enzyme in Zellen und stören lebenswichtige chemische Reaktionen.
Dieses Gentransferphänomen ist als "horizontaler Gentransfer" bekannt. Typischerweise werden Lebensformgene von den Eltern geerbt. Beim Menschen ist dies genau der Fall: Sie können Ihre Merkmale entlang der Zweige Ihres Stammbaums bis zu den ersten Personen verfolgen.
Es stellt sich jedoch heraus, dass sowohl ab und zu "fremde" Gene völlig unterschiedlicher Arten in die DNA aufgenommen werden können. Dieser Prozess ist bei Bakterien häufig. Einige argumentieren, dass dies sogar beim Menschen vorkommt, obwohl es umstritten ist.
Wenn die DNA eines anderen einen neuen Besitzer erwirbt, muss er nicht untätig bleiben. Stattdessen kann sie anfangen, an der Biologie des Wirts zu arbeiten und sie ermutigen, neue Proteine zu entwickeln. Dies kann dem Besitzer neue Fähigkeiten verleihen und ihm ermöglichen, in neuen Situationen zu überleben. Der Wirtsorganismus kann sich auf einen völlig neuen Evolutionsweg begeben.
Insgesamt identifizierte Schoinknecht 75 gestohlene Gene aus dem Seetang, die er von Bakterien oder Archaeen entlehnt hatte. Nicht alle Gene verleihen Algen klare evolutionäre Vorteile, und die genaue Funktion vieler Gene ist unbekannt. Aber viele von ihnen helfen Galdieria, in extremen Umgebungen zu überleben.
Seine Fähigkeit, mit giftigen Chemikalien wie Quecksilber und Arsen umzugehen, beruht auf Genen, die von Bakterien entlehnt wurden.
Eines dieser Gene ist für die "Arsenpumpe" verantwortlich, mit der Algen Arsen effektiv aus Zellen entfernen können. Andere gestohlene Gene ermöglichen unter anderem, dass Algen giftige Metalle absondern und gleichzeitig wichtige Metalle aus der Umwelt extrahieren. Andere gestohlene Gene steuern Enzyme, mit denen Algen Metalle wie Quecksilber entgiften können.
Algen haben auch Gene gestohlen, die es ihnen ermöglichen, hohen Salzkonzentrationen standzuhalten. Unter normalen Umständen saugt eine salzhaltige Umgebung Wasser aus der Zelle und tötet sie ab. Durch die Synthese von Verbindungen in der Zelle, um den "osmotischen Druck" auszugleichen, vermeidet Galdieria dieses Schicksal.
Es wird angenommen, dass Galdierias Fähigkeit, extrem saure heiße Quellen zu tolerieren, auf seine Undurchlässigkeit für Protonen zurückzuführen ist. Mit anderen Worten, sie kann einfach verhindern, dass Säure in ihre Zellen eindringt. Dazu enthält es einfach weniger Gene, die für Kanäle in der Zellmembran kodieren, durch die Protonen normalerweise passieren. Diese Kanäle lassen normalerweise positiv geladene Teilchen wie Kalium durch, die Zellen benötigen, aber sie lassen auch Protonen durch.
"Die Anpassung an einen niedrigen pH-Wert scheint erreicht worden zu sein, indem jegliches Membrantransportprotein von der Plasmamembran entfernt wurde, durch das Protonen in die Zelle gelangen könnten", sagt Scheunknecht. „Die meisten Eukaryoten haben mehrere Kaliumkanäle in ihren Plasmamembranen, aber Galdieria hat nur ein Gen, das einen Kaliumkanal codiert. Ein schmalerer Kanal ermöglicht es Ihnen, mit einem hohen Säuregehalt umzugehen."
Diese Kaliumkanäle leisten jedoch wichtige Arbeit, sie nehmen Kalium auf oder halten einen Potentialunterschied zwischen der Zelle und ihrer Umgebung aufrecht. Wie die Algen ohne Kaliumkanäle gesund bleiben, ist noch nicht klar.
Auch weiß niemand, wie die Algen mit hoher Hitze umgehen. Wissenschaftler konnten keine Gene identifizieren, die diese Besonderheit ihrer Biologie erklären würden.
Bakterien und Archaeen, die bei sehr hohen Temperaturen leben können, haben eine völlig andere Art von Protein und Membranen, aber die Alge hat subtilere Veränderungen durchgemacht, sagt Scheunknecht. Er vermutet, dass es den Stoffwechsel von Membranlipiden bei unterschiedlichen Temperaturerhöhungen verändert, weiß aber noch nicht genau, wie dies geschieht und wie es sich an Wärme anpassen kann.
Es ist klar, dass das Kopieren von Genen Galdieria einen enormen evolutionären Vorteil verschafft. Während die meisten einzelligen Rotalgen, die mit G. sulphuraria verwandt sind, in vulkanischen Gebieten leben und mit mäßiger Hitze und Säuren umgehen, können nur wenige ihrer Verwandten so viel Hitze, Säure und Toxizität aushalten wie G. sulphuraria. In der Tat macht diese Art an einigen Orten bis zu 80-90% des Lebens aus - dies zeigt, wie schwierig es für andere ist, das Haus von G. sulphuraria als ihr Haus zu bezeichnen.
Es bleibt noch eine offensichtliche und interessante Frage: Wie haben die Algen so viele Gene gestohlen?
Diese Alge lebt in einer Umgebung, die viele Bakterien und Archaeen enthält. In gewissem Sinne kann sie also Gene stehlen. Aber Wissenschaftler wissen nicht genau, wie DNA von Bakterien zu einem so anderen Organismus gesprungen ist. Um erfolgreich zum Wirt zu gelangen, muss die DNA zuerst in die Zelle und dann in den Zellkern gelangen - und sich erst dann in das Genom des Wirts einbauen.
„Die besten Vermutungen zu diesem Zeitpunkt sind, dass Viren genetisches Material von Bakterien und Archaeen auf Algen übertragen könnten. Das ist aber reine Spekulation “, sagt Scheinknecht. „Vielleicht ist es der schwierigste Schritt, in einen Käfig zu steigen. Sobald Sie sich in einer Zelle befinden, ist es möglicherweise nicht so schwierig, in den Zellkern zu gelangen und sich in das Genom zu integrieren.
Horizontaler Gentransfer tritt häufig bei Bakterien auf. Deshalb haben wir Probleme mit der Antibiotikaresistenz. Sobald ein resistentes Gen auftritt, breitet es sich schnell unter den Bakterien aus. Es wurde jedoch angenommen, dass der Genaustausch in fortgeschritteneren Organismen weniger häufig auftritt als in Eukaryoten. Es wurde angenommen, dass Bakterien spezielle Systeme haben, die es ihnen ermöglichen, Nukleinsäuren aufzunehmen, wie es Eukaryoten nicht tun.
Es wurden jedoch bereits andere Beispiele für fortgeschrittene Kreaturen gefunden, die Gene stehlen, um unter extremen Bedingungen zu überleben. Die Schneealgenart Chloromonas brevispina, die im Schnee und Eis der Antarktis lebt, trägt Gene, die wahrscheinlich von Bakterien, Archaeen oder sogar Pilzen stammen.
Scharfe Eiskristalle können Zellmembranen durchbohren und perforieren. Daher müssen Kreaturen, die in kalten Klimazonen leben, einen Weg finden, dies zu bekämpfen. Eine Möglichkeit besteht darin, eisbindende Proteine (IBPs) herzustellen, die in einer Zelle sekretiert werden, die am Eis haftet und das Wachstum von Eiskristallen stoppt.
James Raymond von der Universität von Nevada in Las Vegas kartierte das Genom der Schneealgen und stellte fest, dass die Gene für eisbindende Proteine in Bakterien, Archaeen und Pilzen bemerkenswert ähnlich waren, was darauf hindeutet, dass sie alle die Fähigkeit austauschten, unter kalten Bedingungen während der Horizontalen zu überleben Gentransfer.
„Diese Gene sind überlebenswichtig, da sie in jeder kältetoleranten Alge und in keiner unter warmen Bedingungen gefunden wurden“, sagt Raymond.
Es gibt mehrere andere Beispiele für den horizontalen Gentransfer in Eukaryoten. Die winzigen Krebstiere, die im antarktischen Meereis leben, scheinen diese Fähigkeit ebenfalls erworben zu haben. Diese Stephos longipes können in flüssigen Salzkanälen im Eis leben.
„Feldmessungen haben gezeigt, dass C. longipes in unterkühlten Salzlösungen auf der Eisoberfläche leben“, sagt Rainer Kiko, Wissenschaftler am Institut für Polarökologie der Universität Kiel. "Unterkühlt bedeutet, dass die Temperatur dieser Flüssigkeit unter dem Gefrierpunkt liegt und vom Salzgehalt abhängt."
Um zu überleben und sich vor dem Einfrieren zu schützen, sind im Blut von S. longipes und anderen Körperflüssigkeiten Moleküle vorhanden, die den Gefrierpunkt entsprechend dem umgebenden Wasser senken. Gleichzeitig produzieren Krebstiere nicht gefrierende Proteine, die die Bildung von Eiskristallen im Blut verhindern.
Es wird angenommen, dass dieses Protein auch durch horizontalen Gentransfer erhalten wurde.
Der schöne Monarchfalter hat vielleicht auch Gene gestohlen, diesmal jedoch von einer parasitären Wespe.
Die glänzende Wespe aus der Familie der Braconiden ist dafür bekannt, dass sie ein Ei zusammen mit einem Virus in ein Wirtsinsekt einführt. Die DNA des Virus hackt in das Gehirn des Wirts ein und verwandelt es in einen Zombie, der dann als Inkubator für das Wespenei dient. Wissenschaftler haben die drakonidischen Gene in Schmetterlingen entdeckt, auch wenn diese Schmetterlinge noch nie Wespen getroffen haben. Es wird angenommen, dass sie Schmetterlinge resistenter gegen Krankheiten machen.
Eukaryoten stehlen nicht nur einzelne Gene. Manchmal sind Diebstähle massiv.
Es wird angenommen, dass das hellgrüne Meeresleben Elysia chlorotica die Fähigkeit zur Photosynthese durch den Verzehr von Algen erworben hat. Diese Meeresschnecke nimmt Chloroplasten - Organellen, die die Photosynthese durchführen - als Ganzes auf und speichert sie in den Verdauungsdrüsen. Wenn die Meeresschnecke gedrückt wird und keine Algen zu essen sind, kann sie überleben, indem sie die Energie des Sonnenlichts nutzt, um Kohlendioxid und Wasser in Nahrung umzuwandeln.
Eine Studie zeigt, dass Meeresschnecken auch Gene aus Algen entnehmen. Wissenschaftler fügen fluoreszierende DNA-Marker in das Algengenom ein, um genau zu sehen, wo sich die Gene befanden. Nach der Fütterung mit Algen erwarb die Meeresschnecke ein Gen für die Regeneration von Chloroplasten.
Gleichzeitig enthalten die Zellen in unserem Körper winzige Energie erzeugende Strukturen, Mitochondrien, die sich von den übrigen Zellstrukturen unterscheiden. Mitochondrien haben sogar ihre eigene DNA.
Es gibt eine Theorie, dass Mitochondrien vor Milliarden von Jahren als unabhängige Lebensformen existierten, aber dann begannen sie irgendwie, in die Zellen der ersten Eukaryoten aufgenommen zu werden - vielleicht wurden die Mitochondrien verschluckt, aber nicht verdaut. Es wird angenommen, dass dieses Ereignis vor etwa 1,5 Milliarden Jahren stattgefunden hat und ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung aller höheren Lebensformen, Pflanzen und Tiere war.
Das Stehlen von Genen kann eine ziemlich verbreitete Evolutionstaktik sein. Schließlich lässt sie andere die ganze harte Arbeit für Sie erledigen, während Sie die Vorteile nutzen. Alternativ kann der horizontale Gentransfer einen bereits begonnenen Evolutionsprozess beschleunigen.
„Es ist unwahrscheinlich, dass ein Organismus, der sich nicht an Hitze oder Säure angepasst hat, plötzlich Vulkanbecken bevölkert, nur weil er die Gene hat, die er benötigt“, sagt Scheunknecht. "Aber Evolution ist fast immer ein schrittweiser Prozess, und der horizontale Gentransfer ermöglicht große Fortschritte."
ILYA KHEL
