Οι ερευνητές επανεξετάζουν την καταγωγή των σύνθετων κυττάρων
Ο πλανήτης μας σχηματίστηκε λίγο πάνω από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, και αν οι πιο πρόσφατες εκτιμήσεις είναι σωστές, δεν άργησε να εμφανιστεί η ζωή. Δεν είναι γνωστά πολλά για το πώς συνέβη αυτό επειδή είναι τρελά δύσκολο να διερευνηθεί. Είναι επίσης δύσκολο να μελετήσουμε τι συνέβη στη συνέχεια, κατά τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης που ακολούθησαν, όταν εμφανίστηκαν οι κύριοι τομείς της ζωής.
Ένα ιδιαίτερα ενοχλητικό μυστήριο είναι η άνοδος των ευκαρυωτών, κυττάρων με καλά καθορισμένα εσωτερικά διαμερίσματα ή οργανίδια, τα οποία υπάρχουν μόνο σε ζώα, φυτά, μύκητες και ορισμένα μικρόβια όπως οι πρωτιστές - οι εξελικτικοί συγγενείς μας. Οι πρώτοι ευκαρυώτες δεν άφησαν ξεκάθαρα απολιθώματα ως ενδείξεις, έτσι οι ερευνητές αναγκάζονται να συμπεράνουν πώς ήταν συγκρίνοντας τις δομικές και μοριακές λεπτομέρειες των μεταγενέστερων και συμπερασματικά τις εξελικτικές τους σχέσεις.
Αυτή τη στιγμή είναι «μια απίστευτα συναρπαστική στιγμή» για μια τέτοια έρευνα, είπε η Michelle Leger, μεταδιδακτορική υπότροφος στο Ινστιτούτο Εξελικτικής Βιολογίας στη Βαρκελώνη της Ισπανίας. Με τις σύγχρονες τεχνολογίες γενετικής αλληλουχίας, οι επιστήμονες μπορούν να διαβάσουν ολόκληρα τα γονιδιώματα διαφορετικών μορφών ζωής και καθώς η μικροβιακή ζωή αποκαλύπτεται με ολοένα αυξανόμενες λεπτομέρειες, νέα είδη και άλλες ταξινομικές ομάδες έρχονται στο φως. Με αυτόν τον πλούτο δεδομένων, οι ερευνητές εντοπίζουν γενεαλογίες οργανισμών προς τα πίσω στο χρόνο. «Προσπαθούμε να προσεγγίσουμε το πρόβλημα από πολλές πλευρές», είπε. "Αυτό μας ωθεί πιο κοντά στους πρώτους ευκαρυώτες."
Και αυτοί οι πρώτοι ευκαρυώτες μπορεί να αποκλίνουν σημαντικά από αυτό που περίμεναν οι περισσότεροι επιστήμονες, αν κάποια πρόσφατα ευρήματα είναι κάποια ένδειξη. Νωρίτερα αυτόν τον μήνα, μια ομάδα παρουσίασε στοιχεία που αποδεικνύουν ότι ένα γεγονός υπογραφής στην εξέλιξη των ευκαρυωτικών - η ανάπτυξη των οργανιδίων που ονομάζονται μιτοχόνδρια - μπορεί να είχε ξεδιπλωθεί πολύ διαφορετικά από ό,τι θεωρήθηκε. Εν τω μεταξύ, άλλοι ερευνητές έχουν προτείνει ότι ο αρχαιότερος «πρόγονος» όλων των ευκαρυωτών μπορεί να μην ήταν καθόλου ένα μόνο κύτταρο, αλλά μάλλον ένας μεικτός πληθυσμός κυττάρων που αντάλλαζαν μανιωδώς το DNA. Η διαφορά είναι λεπτή, αλλά μπορεί να είναι σημαντική για την κατανόηση της εξέλιξης και της ποικιλομορφίας των ευκαρυωτών που βλέπουμε σήμερα.
Οι Προγονικοί Ευκαρυώτες
Τα πρώτα κύτταρα - οι πρώτες μορφές ζωής σε αυτόν τον πλανήτη - ήταν προκαρυώτες, αλλά δεν ήταν όλα όμοια. Ακόμη και νωρίς, εμφανίστηκαν δύο πολύ διακριτές γενεαλογίες, τα αρχαία και τα βακτήρια. Οι αρχαίοι μπορεί να ήταν οι πρώτοι που ευδοκίμησαν επειδή ακόμη και τώρα μπορούν να επιβιώσουν σε ακραία περιβάλλοντα όπως θερμούς αεραγωγούς και πισίνες με εξαιρετικά αλατόνερο. Αλλά είναι επίσης πιθανό ότι αρχαία και βακτήρια διασπάστηκαν από τα πρώτα κύτταρα ταυτόχρονα και άρχισαν να διαφοροποιούνται ανεξάρτητα από την αρχή. Το να καταλάβουμε οριστικά πότε και πώς συνέβη η διάσπαση είναι πιθανώς αδύνατο δεδομένου του χρόνου που έχει περάσει. Τα απολιθώματα δεν υπάρχουν και οι οργανισμοί και από τους δύο κλάδους έχουν ανταλλάξει γονίδια εκτενώς μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων (σε αντίθεση με την «κάθετη» μεταφορά γονιδίων σε γενεές), γεγονός που περιπλέκει τις αναλύσεις της γονιδιωματικής τους ιστορίας.
Αυτό που ξέρουμε είναι ότι η ιστορία των ευκαρυωτών ξεκίνησε όταν κάποιο αδίστακτο αρχαϊκό κύτταρο χωρίστηκε από τα υπόλοιπα και ίδρυσε αυτό που από καιρό θεωρούνταν ένας εντελώς νέος τομέας ζωής. «Πρώτα και βασικά είμαστε ένα πολύ περίεργο είδος αρχαίας», είπε η Maureen O'Malley, φιλόσοφος βιολογίας που συνδέεται με το Πανεπιστήμιο του Μπορντό και το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ.
Θα ήταν ένας αγώνας για να διακρίνουμε τα κύτταρα αυτού του πρώτου ευκαρυωτικού κοινού προγόνου, ή FECA, ως τέτοια. Δεν είχε ακόμη πυρήνα, για παράδειγμα. Δεν είχε μιτοχόνδρια για να μετατρέψει τα σάκχαρα και άλλα μόρια σε πιο μεταβολικά χρησιμοποιήσιμες μορφές ενέργειας. Δεν είχε καν μικροσωληνίσκους, τις δομικές πρωτεΐνες σε ευκαρυωτικά κύτταρα που επιτρέπουν τη διαμερισματοποίηση επιτρέποντας στο κύτταρο να μεταφέρει τα πράγματα εκεί που πρέπει να πάνε.
Κανείς δεν ξέρει πραγματικά πώς οι ευκαρυώτες κατέκτησαν αυτά και άλλα χαρακτηριστικά κοινά σε όλους τους ευκαρυώτες αλλά απουσιάζουν από άλλες μορφές ζωής. Αλλά σε μια αναφορά στο Nature Microbiology Την περασμένη εβδομάδα, μια ομάδα ερευνητών από την Ευρώπη και τις ΗΠΑ πρόσφερε μια νέα θεωρία για ένα από αυτά τα ορόσημα, την ανάπτυξη των μιτοχονδρίων. Για δεκαετίες, οι ερευνητές γνώριζαν ότι τα μιτοχόνδρια προέρχονται από βακτήρια που έγιναν εσωτερικοί συμβιώσεις των αρχαϊκών κυττάρων, αλλά οι λεπτομέρειες για το πώς συνέβη αυτό ήταν σκοτεινές.
Η Anja Spang, μικροβιακή οικολόγος στο Βασιλικό Ολλανδικό Ινστιτούτο Θαλάσσιας Έρευνας, ο Thijs Ettema, ένας μικροβιολόγος που μελετά την εξέλιξη του γονιδιώματος στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, και οι συνάδελφοί τους αναζήτησαν ενδείξεις εξετάζοντας τις μεταβολικές ικανότητες μεταξύ των αρχαίων Asgard, ενός υπερφύλου που ανακαλύφθηκε μόνο πριν από μερικά χρόνια και γενικά αναγνωρίζεται ότι έχει τα περισσότερα κοινά με τους ευκαρυώτες.
Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα μιτοχόνδρια πιθανότατα προέκυψαν από μια συνεργασία μεταξύ αρχαϊκών κυττάρων που ζύμωσαν ορισμένα μικρά οργανικά μόρια και αλφαπρωτεοβακτηρίων που επιβίωσαν με την οξείδωση ορισμένων άλλων:Τα βακτήρια μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τα ηλεκτρόνια και το υδρογόνο που αποβάλλουν τα αρχαϊκά κύτταρα ως απόβλητα. (Οι ερευνητές το αποκαλούν "μοντέλο αντίστροφης ροής" επειδή σύμφωνα με μια παλαιότερα δημοφιλή θεωρία, τα βακτήρια θα είχαν δώσει υδρογόνο στον μεταβολισμό των αρχαίων.)
«Τέτοιοι συσχετισμοί θα μπορούσαν να καταστήσουν την ανάπτυξη σε ορισμένα μικρά οργανικά υποστρώματα πιο ευνοϊκή», εξήγησαν οι Spang και Ettema σε ένα email. Για παράδειγμα, ορισμένες σύγχρονες αρχαίες που ζουν υπό συνθήκες χωρίς οξυγόνο και μεταβολίζουν τους υδρογονάνθρακες εξαρτώνται από τα βακτήρια για να δεχτούν τα ηλεκτρόνια τους. "Ένας παρόμοιος τύπος αλληλεπίδρασης μπορεί να χαρακτήριζε τον υποτιθέμενο αρχαιογενή πρόγονο των ευκαρυωτών."
Με την πάροδο του χρόνου, οι οριζόντιες μεταφορές γονιδίων από άλλα βακτήρια θα παρείχαν περισσότερο τον μηχανισμό για τις μεταβολικές διεργασίες που εκτελούνται από τα μιτοχόνδρια όπως τα γνωρίζουμε. Εν τω μεταξύ, οι μεταφορές γονιδίων μεταξύ των αρχαϊκών ξενιστών και των βακτηριακών συμβιωτών τους, μαζί με την απώλεια ορισμένων περιττών γονιδίων σε κάθε πλευρά, θα είχαν εδραιώσει τα χωριστά συμβιωτικά κύτταρα σε μια μόνιμα ενοποιημένη ευκαρυωτική κατάσταση.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι αν και αυτή η θεωρία θα μπορούσε να εξηγήσει την προέλευση του μιτοχονδρίου, δεν είναι σιωπηλή για την προέλευση άλλων σημαντικών οργανιδίων. «Υποθετικά, θα έπρεπε να αρχίσουμε να αναφερόμαστε σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο όταν ο πυρήνας είχε εξελιχθεί», έγραψαν οι Spang και Ettema. «Σε αυτό το σημείο, δεν είναι ακόμα σαφές εάν αυτό συνέβη πριν ή μετά τη μιτοχονδριακή ενδοσυμβίωση». Σημειώνουν επίσης ότι εάν οι αρχαίες αρχαίες άρχισαν να υιοθετούν κάποια ευκαρυωτικά χαρακτηριστικά πριν ξεκινήσει η συμβίωση με τα αλφαπρωτεοβακτήρια, θα μπορούσε να είχε βοηθήσει τη μετάβαση. Τα νήματα της πρωτεΐνης ακτίνης, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να έχουν σταθεροποιήσει τις επαφές μεταξύ των ξενιστών και των συμβιόντων και να βελτιώσουν τη σύζευξη του μεταβολισμού τους.
Συνολικά, η γένεση των ευκαρυωτών παραμένει μυστηριώδης επειδή όλοι οι ευκαρυώτες που ζουν σήμερα προέκυψαν από έναν οργανισμό που ήταν ήδη πολύπλοκος. Κάπως έτσι, σε άγνωστο αριθμό χιλιετιών, η FECA μετατράπηκε στον τελευταίο ευκαρυωτικό κοινό πρόγονο, ή LECA - έναν οργανισμό προγονικό για κάθε άλλο επόμενο ευκαρυωτικό που ζει ή εξαφανίζεται, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που επί του παρόντος είναι άγνωστοι στην επιστήμη. Το LECA είναι πολύ πιο εύκολο να το φανταστεί κανείς γιατί μάλλον έμοιαζε με μερικούς από τους σημερινούς μικροβιακούς ευκαρυώτες. «Αποδεικνύεται ότι οτιδήποτε έχει πυρήνα έχει επίσης μιτοχόνδρια, μια συσκευή Golgi και οτιδήποτε άλλο», δήλωσε ο W. Ford Doolittle, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Dalhousie στη Νέα Σκωτία. "Το LECA φαίνεται να ήταν ήδη ένα αρκετά εξελιγμένο ευκαρυωτικό κύτταρο."
Στην πραγματικότητα, το LECA είναι φαινομενικά τόσο απλό που ορισμένοι λένε ότι είναι εντελώς βαρετό. «Το μόνο πράγμα για το οποίο κανείς δεν μπαίνει στον κόπο να διαφωνήσει καθόλου είναι η φύση του τελευταίου ευκαρυωτικού κοινού προγόνου», είπε ο Άντονι Πουλ, μοριακός εξελικτικός στο Πανεπιστήμιο του Όκλαντ στη Νέα Ζηλανδία.
Εκτός από αυτό, κάποιοι μπαίνουν στον κόπο να διαφωνήσουν για αυτό - επειδή το LECA συνήθως συζητείται ως ένα κύτταρο, ο μοναδικός πρόγονος όλων των ευκαρυωτών. Για τον O'Malley, αυτό είναι λάθος. «Προφανώς η LECA δεν μπορεί να ήταν ένα κελί», είπε. Αυτό το λάθος, πιστεύει, προέρχεται από τους ανθρώπους που σκέφτονται τη γενεαλογία πολύ απλοϊκά και μπερδεύουν την καταγωγή με τους προγόνους. "Η γενεαλογική σκέψη απλώς επιλέγει αυτή τη γενεαλογία με όλες τις διαιρέσεις της πίσω σε αυτήν την μονοκυτταρική γενεαλογία."
Σε ένα δοκίμιο για την Nature Ecology &Evolution , η O'Malley και οι συνεργάτες της συζήτησαν τις συνέπειες εάν το LECA δεν ήταν ένα μεμονωμένο κύτταρο αλλά πραγματικά ένας πληθυσμός γενετικά διαφορετικών κυττάρων, κανένα από τα οποία δεν είχε όλα τα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με τους ευκαρυώτες σήμερα. "Όταν μιλάμε για το LECA, μάλλον μιλάμε για μια προγονική κατάσταση, μια γονιδιωματική κατάσταση που δεν γνωρίζουμε ότι ήταν ένα μόνο κύτταρο", είπε ο O'Malley.
«Αυτό που θέλαμε πραγματικά να κάνουμε με αυτό το έγγραφο ήταν απλώς να ξεκινήσουμε γενικά μια συζήτηση μεταξύ ανθρώπων που εργάζονται για την ανακατασκευή του τελευταίου ευκαρυωτικού κοινού προγόνου για να σκεφτούν πώς αντιλαμβάνονται το LECA και αν μπορούσαν να φανταστούν ότι η γενετική παραλλαγή σε έναν υποθετικό πληθυσμό θα μπορούσε να εξηγήσει μερικά από τα μοτίβα που βλέπουν», εξήγησε ο Leger, ο οποίος είναι συν-συγγραφέας στην εφημερίδα.
Οι O'Malley, Leger και οι συνάδελφοί τους υποστηρίζουν ότι για να κατανοήσουμε πραγματικά το LECA και να αποκωδικοποιήσουμε τα γονιδιώματά του - και για να έχουμε μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα του τι είναι όλοι οι ευκαρυώτες - πρέπει να καταλάβουμε πώς ήταν αυτός ο αρχαίος πληθυσμός.
Ένα κελί ή πολλά;
Ο Bill Wickstead του Πανεπιστημίου του Nottingham και οι συνεργάτες του είναι μεταξύ εκείνων που προσπαθούν να ανακατασκευάσουν το LECA. Η προσπάθειά τους επικεντρώνεται στην κατασκευή ενός πρωτεώματος - την πλήρη συλλογή πρωτεϊνών που η LECA ήταν πιθανώς ικανή να δημιουργήσει. Αυτό γίνεται λαμβάνοντας γονιδιώματα και πρωτεώματα από διάφορες ευκαρυωτικές γενεαλογίες και χρησιμοποιώντας στατιστικά στοιχεία για να προσδιοριστεί ποια χαρακτηριστικά ήταν πιο πιθανό να υπήρχαν στον κοινό πρόγονό τους και τα οποία προέκυψαν ως ανεξάρτητες εξελικτικές καινοτομίες ή μεταβιβάστηκαν οριζόντια μεταξύ των γενεαλογιών. Η μοριακή βιολογία σαν αυτή προσφέρει την καλύτερη ελπίδα για την αποκάλυψη του LECA.
Αλλά ένα βασικό σημείο σχετικά με αυτήν την προσέγγιση, λέει ο Wickstead, είναι ότι δεν έχει αυστηρή σημασία αν το προγονικό πρωτεϊνό και το γονιδίωμα που συμπεραίνει είναι σε ένα μόνο κύτταρο ή αν είναι κατανεμημένο σε έναν πληθυσμό τους. Είναι μια στατιστική παρέκταση γονιδιωματικών δεδομένων που δεν εντοπίζει τις κυτταρικές διαιρέσεις.
«Από την άποψη του γονιδιώματος LECA… δεν έχει πραγματικά καμία διαφορά αν το LECA ήταν ένα μεμονωμένο κύτταρο ή μια συλλογή κυττάρων» που αντάλλαξαν γονίδια εκτός από την αναπαραγωγή, είπε ο Wickstead.
Όμως, όπως επισημαίνουν και οι δύο οι O'Malley και Wickstead, αυτή η διάκριση δεν είναι μόνο θέμα σημασιολογίας. Το αν το γονιδίωμα που ανακατασκευάζεται από τα τρέχοντα δεδομένα ήταν σε ένα κύτταρο ή εξαπλώθηκε σε πολλά από αυτά είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο χρησιμοποιήθηκε αυτό το γονιδίωμα — βασικά, είναι η διαφορά μεταξύ γενετικής και κυτταρικής βιολογίας, λέει ο Wickstead.
Αυτός και οι συνάδελφοί του ενδιαφέρονται κυρίως για την ανακατασκευή του γονιδιώματος και του πρωτεώματος του LECA για να κατανοήσουν ποιες βιολογικές ικανότητες είχε. «Αλλά έχει διαφορά, πραγματικά, να σκεφτείς αν θα μπορούσαν να υπάρχουν όλα μέσα σε ένα μεμονωμένο κύτταρο ή αν θα έπρεπε να τα ξεσπάσεις, γιατί θα υπήρχαν συγκρούσεις μέσα σε αυτό», είπε. P>
Ο Leger συμφωνεί ότι το να γνωρίζουν εάν το LECA ήταν ένα κύτταρο ή πολλά θα βοηθούσε τους ερευνητές να κατανοήσουν καλύτερα τα γονιδιωματικά δεδομένα. «Αν προσπαθήσετε να δείτε όλα τα χαρακτηριστικά που μοιράζονται συνήθως πολλοί ευκαρυώτες σήμερα και προσπαθήσετε να ανακατασκευάσετε ποια χαρακτηριστικά θα έπρεπε να υπήρχαν στον τελευταίο ευκαρυωτικό κοινό πρόγονο που προέρχεται από αυτά ακριβώς τα χαρακτηριστικά, θα καταλήξετε με το τελευταίο ευκαρυωτικό κοινό προγονικό κύτταρο που έχει ένα απίστευτα μεγάλο γονιδίωμα που κωδικοποιεί πάρα πολλές πρωτεΐνες για να είναι φυσιολογικό», είπε.
Ένα παρόμοιο πρόβλημα προκύπτει με έναν πιο οικείο οργανισμό, το κοινό βακτήριο Escherichia coli , το οποίο είναι ένα μεμονωμένο είδος χωρισμένο σε πολλά γενετικά στελέχη. Εάν πάρετε τα γονιδιώματα από πολλαπλά στελέχη του E. coli , είναι σαφές ότι διαφορετικά στελέχη έχουν διαφορετικά γονίδια — όχι μόνο διαφορετικές παραλλαγές γονιδίων, αλλά ολόκληρες οικογένειες γονιδίων που υπάρχουν ή απουσιάζουν σε διάφορες κυτταρικές σειρές. Κάθε μεμονωμένο βακτήριο έχει ένα γονιδίωμα με περίπου 4.200 έως 5.600 γονίδια. Κάπου μεταξύ 2.200 και 3.100 από αυτά βρίσκονται σε όλα τα E. coli; Τα υπόλοιπα προέρχονται από μια συνολική δεξαμενή τουλάχιστον 89.000 πιθανών «αξεσουάρ» γονιδίων. Και παρόλο που δεν είναι κεντρικά για την ύπαρξη του πυρήνα των βακτηρίων, επηρεάζουν την επιβίωσή τους με πολλούς τρόπους. Η ποικιλία των χιλιάδων βοηθητικών γονιδίων εξηγεί γιατί ορισμένα στελέχη είναι λοιμώδη ενώ άλλα είναι αβλαβή και πώς μερικά μπορούν να επιβιώσουν σε συγκεκριμένους βιότοπους ή σε πηγές τροφίμων που άλλα δεν μπορούν.
Τα βοηθητικά γονίδια μπορούν να περάσουν οριζόντια από το ένα στέλεχος στο άλλο, οπότε αν θέλουμε να κατανοήσουμε τις συνολικές δυνατότητες του E. coli Ως οργανισμός, χρειαζόμαστε μια πλήρη εικόνα της γονιδιωματικής παραλλαγής του είδους ή αυτό που οι ερευνητές αποκαλούν πανγονιδίωμα.
Η έννοια του πανγονιδιώματος προέκυψε στις αρχές της δεκαετίας του 2000, όταν οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι οι αλληλουχίες γονιδιώματος αναφοράς παθογόνων βακτηρίων - οι ψηφιακές βάσεις δεδομένων που συντάχθηκαν ως τυποποιημένες περιγραφές των γονιδιωμάτων τους - απέτυχαν να συλλάβουν τη συνολική γενετική παραλλαγή των οργανισμών. Από τότε, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι τα πανγενώματα παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στην προκαρυωτική ζωή. Όμως, δεδομένου ότι η κοινή χρήση γονιδίων μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένη στους ευκαρυώτες, θεωρείται εδώ και καιρό ότι τα πανγονιδιώματα έχουν περιορισμένη μόνο σχέση με την κατανόηση των ευκαρυωτικών ειδών.
Αυτή η άποψη αλλάζει σιγά σιγά. Μια πρόσφατη ανάλυση γονιδιωμάτων από τέσσερα σημαντικά ιατρικά παθογόνα είδη μυκήτων διαπίστωσε ότι και αυτά έχουν πανγονιδιώματα:το 10-20 τοις εκατό του γονιδιώματός τους αποτελείται από βοηθητικά γονίδια που είναι υπεύθυνα για σημαντικά χαρακτηριστικά όπως η αντοχή σε αντιμικροβιακές ενώσεις.
Ακόμα και το είδος μας έχει πανγονιδίωμα. "Όταν προσδιορίσαμε για πρώτη φορά την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος, χαιρετίστηκε ως φανταστικό - "Τώρα έχουμε το σχέδιο για όλους τους ανθρώπους!" Αλλά φυσικά δεν το κάναμε", είπε ο Wickstead. Μια πρόσφατη μελέτη διαπίστωσε ότι σχεδόν το 10 τοις εκατό των γονιδίων από 910 άτομα αφρικανικής καταγωγής δεν ήταν στο ανθρώπινο γονιδίωμα αναφοράς, για παράδειγμα. "Και το περιεχόμενο που λείπει από γονίδια μέσα στα μεμονωμένα γονιδιώματα είναι μέρος της ποικιλομορφίας των ανθρώπων, επομένως μια απάντηση στα φάρμακα και στο περιβάλλον και σε κάθε είδους πολύ σημαντικά πράγματα", είπε ο Wickstead.
Εάν οι σωζόμενοι ευκαρυώτες έχουν πανγενώματα, και οι σωζόμενοι προκαρυώτες έχουν επίσης, θα ήταν παράξενο να πιστεύουμε ότι οι πρώιμοι ευκαρυώτες δεν είχαν. Το «γονιδίωμα» που ανακατασκευάζουν ο Wickstead και άλλοι επιστήμονες όταν προσπαθούν να συμπεράνουν πώς έμοιαζε το LECA είναι πιθανώς αυτό το πανγονιδίωμα.
Όλα αυτά είναι λογικά για τον J. Peter Gogarten, έναν εξελικτικό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ. Για αυτόν, η εργασία των O'Malley, Leger και συνεργατών αποκρυσταλλώνει την ιδέα ότι «για να κατανοήσουμε την προέλευση των ευκαρυωτών, ίσως χρειαστεί να προχωρήσουμε πέρα από την ανακατασκευή του δέντρου των κυττάρων» και αντ' αυτού «να επικεντρωθούμε στο δίκτυο που περιγράφει την εξελικτική ιστορία του γονιδιώματος .» Αυτό είναι κάτι που υποστήριξε εδώ και καιρό, λέει. Πιστεύει ότι η απομάκρυνση από το να βλέπουμε το LECA ως ένα ενιαίο κύτταρο και να το αναγνωρίζουμε ως πληθυσμό διαφορετικών κυττάρων μπορεί να μας βοηθήσει να κοιτάξουμε ακόμα πιο πίσω στην εξελικτική ιστορία στους μυστηριώδεις πρώτους ευκαρυώτες.
Ωστόσο, ακόμη και ο Gogarten θέτει όρια σε αυτήν την εικασία:το LECA μπορεί να ήταν ένας πληθυσμός κυττάρων, αλλά λέει ότι δεν είναι πεπεισμένος ότι ήταν ένας μεγάλος πληθυσμός με ένα τεράστιο και ποικίλο πανγονιδίωμα. Μεγαλύτεροι πληθυσμοί, μεγαλύτερα πανγονιδιώματα ή και τα δύο πιθανότατα μπήκαν στο παιχνίδι κατά τη μετάβαση μεταξύ FECA και LECA, γι' αυτό η θεώρηση αυτών των προγόνων ως πληθυσμών και όχι ως ατόμων μπορεί να βοηθήσει στο να φωτιστεί η προέλευση των ευκαρυωτών. Αλλά ο Gogarten πιστεύει ότι από τη στιγμή που υπήρχε η LECA, τα πράγματα είχαν γίνει πιο διευθετημένα.
Ο Πουλ συμφωνεί. Όχι πολλά από τα χαρακτηριστικά που οι περισσότεροι ειδικοί θα θεωρούσαν κρίσιμα για το LECA, είπε, δεν είναι συμβατά με μια εξήγηση του πανγονιδιώματος για την ποικιλομορφία τους. "Δεν έχουμε ένα μοντέλο όπου λέμε:"Μοιράζεστε από μισό ριβόσωμα ο καθένας σε δύο κύτταρα". Επειδή αυτό είναι απλά φυσικώς απίθανο."
Αλλά το πανγονιδίωμα μπορεί να γίνει πιο σχετικό καθώς οι επιστήμονες αποκτούν μεγαλύτερη κατανόηση της ποικιλομορφίας στις συμπεριφορές μεταξύ αυτών των πρώιμων κυττάρων και στα περιβάλλοντα στα οποία κατοικούσαν. Αυτός είναι μέρος του γιατί ο Leger πιστεύει ότι αξίζει να εξεταστεί εάν το LECA μπορεί να είχε ένα μεγάλο, ποικίλο πανγονιδίωμα. Βασικές πτυχές του μεταβολισμού, όπως η ικανότητα επεξεργασίας ορισμένων σακχάρων, θα μπορούσαν να έχουν κατανεμηθεί στον πληθυσμό και όχι σε κάθε κύτταρο. Και αυτό μπορεί να επέτρεψε στον οργανισμό να αποικίσει περισσότερα περιβάλλοντα από άλλα μικρόβια.
Αν ναι, αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί οι ευκαρυώτες διαφοροποιήθηκαν τόσο γρήγορα, λέει ο Leger. Ένας ποικίλος πληθυσμός LECA κατανεμημένος σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα θα μπορούσε να έχει οδηγήσει σε πολλούς ημι-απομονωμένους υποπληθυσμούς επιρρεπείς σε διασταυρώσεις. Αυτό είναι ένα σενάριο που ενισχύει τη διαφοροποίηση, όπως φαίνεται όταν τα είδη αποικίζουν νησιά σήμερα.
Ωστόσο, άλλοι είναι δύσπιστοι ότι το πανγονιδίωμα του LECA θα ήταν τόσο μεγάλο. Τα πανγονιδιώματα των ευκαρυωτών σήμερα είναι μικρά σε σύγκριση με αυτά των προκαρυωτικών, γεγονός που κάνει ορισμένους επιστήμονες να αμφιβάλλουν ότι το πανγονιδίωμα του LECA ήταν μεγαλύτερο από, ας πούμε, το δικό μας. «Θα συμφωνήσω ότι τα είδη έχουν πανγονιδιώματα, και το LECA ήταν ένα είδος και το LECA είχε ένα πανγονιδίωμα», είπε ο Ντούλιτλ. «Αλλά δεν βλέπω κανένα λόγο να υποθέσω ότι το LECA ήταν ένα είδος διαφορετικό από τα άλλα είδη που υπάρχουν στο δέντρο. Τυχαίνει να είναι ο βαθύτερος κόμβος.»
Η βάση όλων των εξελικτικών συλλογισμών
Παρά τη συζήτηση γύρω από την έκταση του πανγονιδιώματος του LECA, πολλοί από τους συναδέλφους του O'Malley και του Leger συμφωνούν ότι είναι λογικό να σκεφτόμαστε το LECA ως πληθυσμό κυττάρων. Υπήρξε όμως και κάποια αντίκρουση σε αυτή την ιδέα. Σύμφωνα με τον O'Malley, ορισμένοι επιστήμονες επιμένουν ότι το LECA έπρεπε να είναι ένα μόνο κύτταρο, ένα κύτταρο που διασπάται και στη συνέχεια διασπάται ξανά και ξανά και ξανά, προκαλώντας τελικά όλα τα άλλα ευκαρυωτικά κύτταρα. "Υπάρχει κάτι, για μένα, πολύ περίεργο σχετικά με αυτή τη βαθιά έλξη για τη γενεαλογική άποψη", είπε.
Για αυτήν, το να βλέπει το LECA ως πληθυσμό είναι ο μόνος τρόπος για να καταλάβει κανείς πραγματικά πώς προέκυψε και πώς οδήγησε στην ποικιλομορφία των ευκαρυωτών που ζουν σήμερα. «Οι πληθυσμοί είναι η βάση όλων των εξελικτικών συλλογισμών», είπε:Εξ ορισμού, η εξέλιξη και η φυσική επιλογή δρουν σε επίπεδο πληθυσμού. «Δεν είναι θέμα κυττάρων, είναι πάντα θέμα πληθυσμών». Γι' αυτό και η ίδια και οι συνάδελφοί της «το πιέζουν λίγο περισσότερο», είπε, για να τονίσουν ότι πρέπει να σκέφτονται τους πληθυσμούς όταν ανασυνθέτουν την ιστορία των ευκαρυωτών «επειδή αυτό επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο συλλογίζεσαι για το περιβάλλον, τον τρόπο με τον οποίο συλλογίζεσαι για τα γονίδια. ”
Είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην προσπάθεια ανασυγκρότησης του LECA, γιατί τελικά, ο οργανισμός που υπήρχε τότε πιθανότατα δεν αποτελούταν μόνο από τα χαρακτηριστικά που παρατηρούνται στους ευκαρυώτες ή στους πιο στενούς εν ζωή συγγενείς τους σήμερα. «Δεν είμαι σίγουρη αν μπορεί κανείς να καταλάβει την εξέλιξη αν κοιτάξει μόνο τι διατηρείται», είπε. "Πρέπει να κατανοήσουμε το στάδιο του πληθυσμού για να καταλάβουμε γιατί ορισμένα πράγματα χάθηκαν στην πορεία."
Το πρόβλημα είναι ότι μπορεί να μην μάθουμε ποτέ πώς έμοιαζε το LECA επειδή κανένα απολιθωμένο ή υπολείμμα DNA δεν θα αποκαλύψει ποτέ τη φύση του άμεσα. Ακόμη και οι καλύτερες γονιδιωματικές μέθοδοι δεν μπορούν κυριολεκτικά να γυρίσουν τον χρόνο πίσω και να μας επιτρέψουν να παρακολουθήσουμε πώς άλλαξε μια αλληλουχία. Είναι βασικά αδύνατο να προσδιοριστεί με ακρίβεια πώς έμοιαζε το γονιδίωμα ή το πανγονιδίωμα του LECA.
Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν αξίζει να το συλλογιστούμε. Το LECA είναι από όπου προερχόμαστε όλοι - «η πρώτη ύλη από την οποία προέκυψε η ποικιλομορφία των ευκαρυωτών», όπως το έθεσε ο Wickstead. Και μόνο και μόνο επειδή δεν μπορούμε να δούμε έναν τρόπο να ελέγξουμε αυστηρά ανταγωνιστικές υποθέσεις τώρα, δεν σημαίνει ότι δεν θα είμαστε σε θέση να το κάνουμε στο μέλλον. «Πιστεύω ότι είναι προφανώς πολύ σημαντικό να κατανοήσουμε τι ήταν τότε και τι είδους βιολογία συνέβαινε, προκειμένου να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς οι γενεαλογίες εξελίχθηκαν στη συνέχεια από εκείνο το σημείο», είπε.
Το να κάνουμε απλά τέτοιου είδους ερωτήσεις αποκαλύπτει κενά στην κατανόησή μας για τους ευκαρυώτες που ζουν σήμερα, κατά την άποψη του Leger. «Υπάρχουν τόσα πολλά που πρέπει ακόμα να μάθουμε για τους μικροβιακούς ευκαρυώτες γενικά και πώς συμπεριφέρονται, τι είναι φυσιολογικό για αυτούς», είπε.
