Liczący miliardy lat lipid wskazuje na długą historię złożonych komórek – Ars Technica

Wszystkie żywe istoty, które możemy zobaczyć wokół nas – rośliny, zwierzęta i grzyby – to eukarionty zbudowane ze złożonych komórek. Ich komórki mają wiele wewnętrznych struktur otoczonych błonami, które oddzielają takie rzeczy jak produkcja energii od materiału genetycznego i tak dalej. Nawet organizmy jednokomórkowe na tej gałęzi drzewa życia często mają struktury pokryte błonami, które poruszają się i przestawiają, aby się pożywić.

Część elastyczności tej błony pochodzi ze sterydów. U wielokomórkowych eukariontów sterole pełnią różne funkcje; Między innymi są wykorzystywane jako cząsteczki sygnałowe, takie jak estrogen i testosteron. Ale wszystkie eukarionty wprowadzają do swoich błon różne domieszki, które zwiększają ich płynność i zmieniają ich krzywiznę. Tak więc ewolucja metabolizmu sterydów może mieć kluczowe znaczenie dla umożliwienia złożonego życia.

Teraz naukowcy prześledzili pochodzenie steroidów eukariotycznych prawie miliard lat temu. Odkrycia sugerują, że wiele gałęzi drzewa genealogicznego eukariotów stworzyło kiedyś wczesne wersje steroidów. Ale nasza branża rozwinęła zdolność do tworzenia bardziej precyzyjnych szczegółów – co mogło pomóc nam wyprzedzić naszych krewnych w konkurencji.

Pomieszany harmonogram

W pewnym stopniu nowa praca polega na przetestowaniu pomysłu zaproponowanego przez biochemika kilkadziesiąt lat temu Konrada Blocha. Bloch otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie szlaków biochemicznych, które umożliwiają komórkom wytwarzanie steroidów od prostszych przodków. W 1994 roku Bloch zaproponował, że chemiczne półprodukty na zidentyfikowanych przez niego ścieżkach były w pewnym momencie naszych trajektorii ewolucyjnych produktami końcowymi. Komórki wytworzyłyby te mniej złożone steroidy, które odegrały kluczową rolę w ich przetrwaniu; Jednak z biegiem czasu nasza gałąź opracowała enzymy, które dalej modyfikują ją w korzystny sposób.

Miało to sens dzięki różnym dowodom, które nie do końca do siebie pasowały. Znaleźliśmy mikroskamieniałości sprzed 1,6 miliarda lat, które wydają się przedstawiać złożone komórki z procesami powierzchniowymi typowymi dla eukariontów. Działa to dobrze z dowodami DNA, które wskazują, że wszystkie obecne eukarionty można prześledzić wstecz do wspólnego przodka, który istniał co najmniej 1,2 miliarda lat temu, prawdopodobnie już 1,8 miliarda lat temu.

Ale możemy też szukać dopingu w starożytnych skałach, ponieważ cząsteczki są niezwykle stabilne. Ale steroidy u dzisiejszych eukariontów pojawiły się dopiero około miliarda lat temu – znacznie później niż same eukarionty. Lukę tę można dokładnie wyjaśnić, gdyby wcześniejsze eukarionty używały biochemicznych półproduktów Blocha.

To tutaj Bloch, choć miał rację, popełnił duży błąd. Sugerowano, że półprodukty byłyby niestabilne chemicznie i dlatego nie przetrwałyby w osadach wystarczająco długo, abyśmy mogli je znaleźć. Z tego punktu widzenia nie było sensu szukać.

długoterminowy

Międzynarodowy zespół naukowców zdecydował, że warto przetestować założenie Blocha dotyczące trwałości tych cząsteczek. Tak więc naukowcy zebrali grupę cząsteczek, poddali je ogrzewaniu i przyspieszonym warunkom starzenia i przyjrzeli się temu, co się stało. Podczas gdy stracili dwa atomy od strony struktur cyklicznych, większość cząsteczki przetrwała. Co ważniejsze, żadne inne sterydy anaboliczne nie wytwarzają tych samych cząsteczek po rozpadzie, więc te starożytne półprodukty mogą działać jako znaczniki produkcji sterydów.

Dysponując tymi informacjami, naukowcy uzyskali próbki ropy i smoły z osadów datowanych na różne okresy w przeszłości Ziemi. I nawet najstarszy okaz, liczący 1,6 miliarda lat, miał już wiele pozostałości steroidowych półproduktów. Naukowcy wyizolowali dziesiątki krewnych pośrednich związków steroidowych, ale nie znaleźli żadnej z cząsteczek, których można by się spodziewać, gdyby istniały nowoczesne sterydy.

Wydaje się również, że eukarionty były kiedyś wszechobecne. „Te sterole wykryto w stosunkowo głębokich i płytkich środowiskach wodnych, matach mikrobiologicznych i siedliskach pelagicznych, łupkach i węglanach, a także w stawach morskich i prawdopodobnie jeziornych” – piszą naukowcy.

Ponownie, pierwsze oznaki współczesnych sterydów pojawiają się mniej niż miliard lat temu, co wskazuje, że eukarionty – nasi przodkowie i inne gałęzie drzewa ewolucyjnego – kwitły przez prawie miliard lat, używając cząsteczek, które są teraz tylko chemicznymi półproduktami. Różne klasy współczesnego dopingu również powoli pojawiają się w zapisie geologicznym, co wskazuje na brak zrywu innowacji.

Ekstremalne przetrwanie

Naukowcy proponują ciekawy pomysł, który umieszcza pochodzenie współczesnych eukariontów w zapisie geologicznym. Wydaje się, że eukarionty powstały w okresie geologicznym zwanym „nudny miliard„, który rozciągał się mniej więcej od 1,8 do 0,8 miliarda lat temu. W tym czasie, jak sama nazwa wskazuje, niewiele się wydarzyło. Przez większość tego czasu geologia obserwowała, jak płyty kontynentalne Ziemi łączą się w superkontynent, pomagając utrzymać pozornie stabilny klimat w które wydaje się mieć życie. Zareagowali na względną stagnację, tworząc równie stabilne ekosystemy, które przetrwały przez większą część tego czasu.

Podczas gdy przodkowie wszystkich współczesnych eukariotów ewoluowali w nudnym okresie miliardów, brak zakłóceń ekologicznych prawdopodobnie oznaczał, że mieli trudności ze znalezieniem niezajętej niszy ekologicznej. W świetle tego wyzwania naukowcy sugerują, że ewolucja współczesnych płazów mogła zapewnić im wytrzymałość potrzebną do zajmowania bardziej ekstremalnych środowisk, takich jak miejsca, w których panują niskie lub wysokie temperatury lub miejsca, takie jak równiny błotne, które okresowo wysychają. Oznaczałoby to, że wyprodukowano nowoczesne sterydy, ale tylko w ilościach, które sprawiają, że wykrycie jest mało prawdopodobne.

Nudny miliard zakończył się gwałtownym wzrostem aktywności tektonicznej i globalnymi zlodowaceniami, które mogły wywołać bakteryjny odpowiednik masowego wymierania. W burzliwym środowisku, które nastąpiło później, zdolność do wytrzymania ekstremalnych warunków środowiskowych, na którą pozwalają nowoczesne aktywatory, mogła dać naszym przodkom przewagę, pozwalając im doprowadzić do wyginięcia wszystkich innych gałęzi drzewa eukariotycznego.

Przyroda, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06170-w (o DOI).