Hulumtimi i ri mbi shfaqjen e qelizave të para komplekse sfidon ortodoksinë

Në fillim kishte mërzi. Pas shfaqjes së jetës qelizore në tokë, rreth 3.5 miliardë vjet më parë, qelizat e thjeshta pa një bërthamë dhe një strukturë tjetër të brendshme të detajuar dominuan planetin. Çështjet do të mbeten kryesisht të pandryshuara në aspektin e zhvillimit evolucionar në këto të ashtuquajtura qeliza prokariote – bakteret dhe arkeat – për një miliardë e gjysmë të tjera.

Më pas ndodhi diçka e jashtëzakonshme dhe e paprecedentë. U shfaq një lloj i ri qelize, i njohur si eukariot. Eukariotët do të evoluojnë shumë module ose organele komplekse të brendshme, duke përfshirë rrjetin endoplazmatik, aparatin Golgi dhe mitokondritë, duke formuar lloje të ndryshme qelizash – pararendës të të gjithë jetës së mëvonshme bimore dhe shtazore në tokë. Qelizat prokariote, të cilat përfshijnë bakteret dhe arkeat, janë organizma të thjeshtë strukturorë, të cilëve u mungon struktura e brendshme komplekse që gjendet tek eukariotët. Të gjitha speciet e gjalla të bimëve dhe kafshëve sot e kanë origjinën e tyre në Paraardhësin e Fundit të Përbashkët Eukariotik ose LECA. Kalimi nga prokarioti në eukariot ka mbetur një mister qendror që biologët ende po përpiqen ta zgjidhin.

Se si erdhi ky tranzicion vendimtar, mbetet një mister qendror në biologji.

Në një studim të ri, Paul Schavemaker, një studiues me Qendrën Biodesign për Mekanizmat e Evolucionit dhe Sergio Muñoz-Gómez, dikur me Universitetin Shtetëror të Arizonës dhe aktualisht një studiues në Université Paris-Saclay, Orsay, Francë, hedhin një vështrim të ri në enigma e shfaqjes eukariote.

Studimi i tyre, i cili shfaqet në numrin aktual të revistës Nature Ecology & Evolution, sfidon një skenar popullor të paraqitur për të shpjeguar ardhjen e organizmave të parë eukariote.

Studiuesit eksplorojnë në detaje kërkesat për energji të qelizave eukariote, të cilat janë mesatarisht më të mëdha dhe më komplekse në krahasim me prokariotët. Rezultatet e tyre sasiore janë në kundërshtim me një dogmë mbizotëruese, të parashtruar fillimisht nga biologët Nick Lane dhe Bill Martin.

Ideja themelore e Lane dhe Martin është se fati i zhvillimit të një qelize rregullohet nga furnizimi i saj me energji. Prokariotët e thjeshtë janë kryesisht të vegjël dhe përbëhen nga qeliza të vetme ose koloni të vogla dhe mund të jetojnë në rezerva më të kufizuara energjie për të fuqizuar aktivitetet e tyre. Por sapo një qelizë të arrijë madhësinë dhe kompleksitetin e mjaftueshëm, ajo përfundimisht arrin një pengesë, përtej së cilës prokariote të tillë nuk mund të kalojnë. Ose kështu e thotë teoria.

Sipas kësaj ideje, një ngjarje e veçantë në historinë e Tokës dha lindjen e papritur të eukariotëve, të cilët më pas u rritën dhe u diversifikuan për të zënë çdo vend ekologjik në planet, nga ndenjat nënujore te tundrat arktike. Ky diversifikim i madh ndodhi kur një qelizë prokariotike me jetë të lirë fitoi një organizëm tjetër të vogël brenda kufijve të brendshëm të saj.

Nëpërmjet një procesi të njohur si endosimbioza, qeliza e re merret nga ky proto-eukariot, duke e furnizuar atë me energji shtesë dhe duke mundësuar transformimin e tij. Endosimbioni që ai ka fituar përfundimisht do të shndërrohej në mitokondri – centrale qelizore që gjenden vetëm në qelizat eukariote.

Për shkak se e gjithë jeta komplekse sot mund të gjurmohet në një degë të vetme eukariote të pemës evolucionare, është supozuar se kjo ngjarje e rastësishme endosimbiotike, përvetësimi i mitokondrive, ka ndodhur një herë dhe vetëm një herë gjatë gjithë historisë së jetës në Tokë. Ky aksident i natyrës është arsyeja pse ne jemi të gjithë këtu. Pa mitokondri, vëllimi dhe kompleksiteti më i madh i eukariotëve nuk do të ishin energjikisht të zbatueshëm.

Schavemaker vëren se ndërsa dallimi midis prokariotëve dhe eukariotëve midis organizmave që jetojnë sot është i qartë, gjërat ishin më të errëta gjatë fazës së tranzicionit. Përfundimisht, të gjitha tiparet e përbashkëta të eukariotëve ekzistues do të fitoheshin, duke dhënë një organizëm që studiuesit i referohen si LECA ose Paraardhësi i Fundit i Përbashkët Eukariotik.

Studimi i ri eksploron ardhjen e eukariotëve të parë dhe vëren se në vend të një linje kufiri të fortë që i ndan ata nga paraardhësit e tyre prokariote, tabloja e vërtetë është më e çrregullt. Në vend të një hendek të pakalueshëm midis prokariotëve dhe eukariotëve përsa i përket kompleksitetit të brendshëm të vëllimit të qelizave dhe numrit të gjeneve, të dy format qelizore gëzonin mbivendosje të konsiderueshme.

Studiuesit hetojnë një sërë llojesh qelizash prokariote dhe eukariote për të përcaktuar a) se si vëllimi i qelizave në prokariote mund të veprojë përfundimisht për të kufizuar sipërfaqen e membranës së qelizës që kërkohet për frymëmarrje, b) sa energji duhet të drejtojë një qelizë në aktivitetet e ADN-së bazuar në rregullimin të gjenomit të tij dhe c) kostot dhe përfitimet e endosimbioneve për qelizat me vëllime të ndryshme.

Rezulton se qelizat mund të rriten në një vëllim të konsiderueshëm dhe të fitojnë të paktën disa nga karakteristikat e qelizave komplekse, ndërsa mbeten kryesisht prokariote në karakter dhe pa praninë e mitokondrive.

Mitokondritë janë qendrat e energjisë në qelizat eukariote. Një hipotezë popullore pretendon se këto organele ishin një parakusht për kalimin nga prokariotët më të thjeshtë si bakteret dhe arkeat në organizma eukariotikë më të mëdhenj e më kompleksë. Studimi i ri e sfidon këtë supozim. Grafik nga Jason Drees

Studiuesit ekzaminuan se si kërkesat respiratore të një qelize, të matura nga numri i molekulave të sintazës ATP të disponueshme për të furnizuar energjinë ATP për rritjen dhe mirëmbajtjen e qelizave, shkallëzohen me vëllimin e një qelize. Ata gjithashtu përshkruajnë se si kërkesat për energji shkallëzohen me sipërfaqen e qelizës, duke u mbështetur në të dhënat nga Lynch dhe Marinov.

“Ne në fakt shikuam sipërfaqen e qelizës dhe zbuluam se numri i sintazave ATP rritet më shpejt se membrana qelizore,” thotë Schavemaker. “Kjo do të thotë se në një moment të rritjes së madhësisë së qelizës, do të ketë një kufi vëllimi, ku sintazat ATP nuk mund të furnizojnë mjaftueshëm ATP që qeliza të ndahet me një shpejtësi të caktuar.” Eukariotët e kapërcejnë këtë pengesë përmes sipërfaqes shtesë të frymëmarrjes të siguruar nga strukturat e brendshme të lidhura me membranën si mitokondria.

Në mënyrë intriguese, ky kufi i vëllimit të qelizave nuk ndodh në kufirin e prokariotëve dhe eukariotëve, siç do të parashikonte teoria e mëparshme. Në vend të kësaj, “kjo ndodh në vëllime shumë më të mëdha të qelizave, rreth 103 mikronë kub, që përfshin shumë eukariotët ekzistues. Dhe kjo është ajo që na ka bërë të mendojmë se mitokondritë ndoshta nuk ishin absolutisht të nevojshme. Ato mund të kenë ndihmuar, por nuk ishin thelbësore për ky kalim në vëllime më të mëdha”, thotë Schavemaker.

Diçka e ngjashme ndodh kur krahasohet rregullimi i gjeneve brenda prokariotëve dhe eukariotëve. Arkitektura e gjenomit të prokariotëve thuhet të jetë simetrike, e përbërë nga një gjatësi rrethore, me dy fije ADN-je. Shumë baktere mbajnë kopje të shumta të gjenomit të tyre për qelizë.

Por eukariotët kanë një arkitekturë gjenomi të ndryshme, të njohur si asimetrike. Avantazhi kryesor i rregullimit të gjenomit eukariotik është se ata nuk kanë nevojë të mbajnë kopje të gjenomit në të gjithë qelizën, si prokariotët. Për shumicën e gjeneve, eukariotët mund të mbajnë një ose dy kopje në bërthamë; vetëm një numër i vogël gjenesh janë të pranishëm në kopjet e shumta të gjenomit mitokondrial që janë të shpërndara në të gjithë qelizën.

Në të kundërt, bakteret e mëdha kanë shumë kopje të të gjithë gjenomit të tyre, me çdo gjenom që përmban një kopje të çdo gjeni, të pranishëm në të gjithë qelizën. Ky dallim ka lejuar që eukariotët të rriten në mënyrë të konsiderueshme në madhësi pa u përballur me të njëjtat kufizime energjetike të imponuara mbi prokariotët. Por edhe një herë, studiuesit vërejtën mbivendosje të konsiderueshme në numrin e gjeneve të prokariotëve dhe eukariotëve, duke sugjeruar që prokariotët mund të zgjerojnë numrin e tyre të gjeneve në domenin që zakonisht lidhet me eukariotët më të mëdhenj, derisa të arrijnë një prag kritik përtej të cilit simetria gjenomike e tyre bëhet një faktor kufizues. .

Pamja e re e evolucionit të hershëm të eukariotëve ofron një alternativë të besueshme për paradigmën e parë të mitokondrisë. Në vend që evolucioni të çojë në epokën e eukariotëve me një gjest madhështor – përvetësimi i rastësishëm i një prototipi mitokondrial, një seri ndryshimesh tentative, graduale, hap pas hapi gjatë periudhave të mëdha kohore, përfundimisht prodhoi qeliza komplekse të mbushura me struktura të brendshme të sofistikuara dhe të afta për diversifikim shpërthyes. .

Hulumtimi i mëparshëm nga Lynch dhe Marinov, i cituar në studimin e ri, ka një pikëpamje disi më radikale, duke nënkuptuar se mitokondritë ofronin pak ose aspak përfitime për eukariotët e hershëm. Studimi i ri tregon një pozicion më të moderuar, duke sugjeruar se përtej një vëllimi kritik qelizor, mitokondritë dhe ndoshta veçoritë e tjera të qelizave moderne eukariote do të ishin të nevojshme për të kënaqur nevojat energjetike të qelizave të mëdha, por një sërë proto-eukariotesh më të vegjël mund të kenë bërë mirë pa këto risi.

Prandaj, kalimi në ngjarjen misterioze LECA mund të jetë paraprirë nga një sërë organizmash, të cilët fillimisht mund të kenë qenë pa mitokondri.

Hulumtimi i ri gjithashtu vë në pikëpyetje kohën e ngjarjeve të tranzicionit eukariote. Ndoshta tranzicioni i madh filloi me zhvillimin e një citoskeleti eukariotik ose strukturë tjetër të avancuar. Mitokondria e brendshme me gjenomën e saj shtesë qelizore mund të ketë filluar kur një prokariot më i vogël u përfshi nga një më i madh, përmes një procesi të njohur si fagocitozë ose ndoshta mitokondria pushtoi prokariotin e parë si parazit. Do të kërkohen shumë më tepër kërkime për të vendosur me siguri serinë e ngjarjeve që çojnë në eukariotët e plotë në sekuencën e tyre të duhur.

“Ne nuk e dimë se cilat përparime erdhën së pari,” thotë Schavemaker. “Mund të imagjinoni një seri organizmash që fillimisht filluan me endomembranat dhe fshikëzat e brendshme. Më pas, ata zhvillojnë ER nga kjo, e cila kryen trajtimin e proteinave të membranës, dhe nga kjo ju merrni bërthamën.