Naukowcom po raz pierwszy udało się zaobserwować fuzję i ewolucję dwóch gatunków w nowy gatunek w środowisku naturalnym!

Współczesne podręczniki biologii podają, że tylko bakterie mogą pobierać azot z atmosfery i przekształcać go w formę przydatną dla życia. Rośliny wiążące azot, takie jak rośliny strączkowe, robią to poprzez hodowlę symbiotycznych bakterii w brodawkach korzeniowych. Jednak nowe odkrycie wywraca tę zasadę do góry nogami.

W dwóch artykułach opublikowanych w 2024 r. międzynarodowa grupa naukowców Pierwszy znany pierwiastek zawierający azot w komórce eukariotycznej Definiuje. Organella ta jest czwartym przykładem w historii pierwotnej endosymbiozy, w której komórka prokariotyczna otacza komórkę eukariotyczną i poza symbiozą rozwija się w organellę. Tyler Coley, pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz i pierwszy autor jednego z dwóch ostatnich artykułów, wyjaśnia:

Narządy powstają z takich materiałów niezwykle rzadko. W pierwszym przypadku, gdy naszym zdaniem do tego doszło, jest to połączenie [mitokondrinin ökaryotik hücrelere dahil oluşu]Wszystko doprowadziło do skomplikowanego życia. Wszystko bardziej złożone niż komórka bakteryjna zawdzięcza swoje istnienie temu zjawisku. Podobna fuzja z chloroplastem miała miejsce ponownie miliard lat temu, umożliwiając powstanie roślin.

Trzeci znany przykład Polinella chromatofora Wyewoluował miliardy lat temu w innej strukturze podobnej do chloroplastów, zwanej „chromatoforem”, występującej u gatunków ameby. Czwarty i ostatni element innowacji Nitroplast To jest nazwane.

Tajemnica, która będzie trwać przez dziesięciolecia!

Odkrycie narządów wymagało trochę szczęścia i dziesięcioleci pracy. W 1998 roku Jonathan Zehr, profesor nauk o morzu na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz, znalazł w wodzie morskiej Pacyfiku małą sekwencję DNA należącą do nieznanej grupy cyjanobakterii wiążących azot. Zehra i współpracowników, UCYN-A Spędził lata na badaniu tego tajemniczego stworzenia, które nazwali.

W tym samym czasie Kyoko Hagino, paleontolog z Uniwersytetu Kochi w Japonii, bardzo starała się uprawiać wodorosty. Alga ta stała się organizmem żywicielskim UCYN-A. Zajęło to Hagino 300 prób pobrań i ponad dekadę, ale ostatecznie Hagino pomyślnie wyhodowało glony w kulturze, a inni badacze rozpoczęli wspólne badania UCYN-A i jego glonów morskich w laboratorium.

Przez lata naukowcy uważali, że UCYN-A to „endosymbiont” (organizm żyjący we wzajemnym lub zależnym związku w organizmie lub komórkach innego organizmu) blisko spokrewniony z glonami. Jednakże dwie najnowsze prace pokazują, że UCYN-A koewoluował ze swoim żywicielem po symbiozie i obecnie spełnia kryteria organelli.

Wygląd narządów

marzec 2024 r Iść W artykule opublikowanym w Journal of the Massachusetts Institute of Technology Zehr i współpracownicy, we współpracy z innymi naukowcami z Institut de Ciències del Mar w Barcelonie i Uniwersytetu Rhode Island, odkryli stosunek wielkości pomiędzy UCYN-A i jego glonami odpowiedniki. Żywiciele są związani z algami morskimi haptofitami. Prarutosphaera bigloviPokazuje, że u różnych gatunków jest podobnie.^[1]

Naukowcy wykorzystali model, aby wykazać, że wzrost komórki gospodarza i UCYN-A jest regulowany przez wymianę składników odżywczych. OK Metabolizmy tych organizmów są ze sobą powiązane. Ta synchronizacja tempa wzrostu skłoniła badaczy do nazwania UCYN-A „organopodobnym”. Zehr wyjaśnia:

To właśnie dzieje się w narządach. Jeśli spojrzysz na mitochondria i chloroplasty, zobaczysz to samo: skalują się wraz z komórką.

Jednak naukowcy oficjalnie nie nazywają UCYN-A „organem”, dopóki inne źródła tego nie potwierdzą.

Opublikowano w kwietniu 2024 r Nauka W artykule na okładce czasopisma zespół z UC Santa Cruz i naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC San Francisco, National Taiwan Ocean University i Kochi University w Japonii: Wykazali, że UCYN-A opiera się na białkach komórek gospodarzy i że proces replikacji i podziału organelli jest ściśle powiązany z komórką glonów.^[2] Współautorka Carolyn Larabell, starszy naukowiec w Wydziale Nauk Biologicznych Berkeley Lab i dyrektor Krajowego Centrum Tomografii Rentgenowskiej, wyjaśnia:

Do czasu powstania tego artykułu wciąż pozostawało pytanie, czy jest to „endosymbiont”, czy prawdziwy organizm. Za pomocą obrazowania rentgenowskiego wykazujemy, że procesy proliferacji i podziału żywiciela glonowego i jego endosymbiontu są zsynchronizowane, co stanowi pierwszy mocny dowód.

Laurabell od lat współpracuje z Zehrem, aby zbadać związek między UCYN-A a algami, stosując podejście „zaawansowanej miękkiej tomografii rentgenowskiej”, które opracował wspólnie w Berkeley Lab’s Advanced Light Source – akceleratorze cząstek wytwarzającym promieniowanie rentgenowskie. Promienie. Technika Loconde umożliwia naukowcom szybką wizualizację wewnętrznych składników komórek w czasie rzeczywistym w rzeczywistych warunkach.

Tomografia, powiedziała Valentina Loconte, asystentka naukowa w grupie Laurabell B. Bigelowy Następnie komórka przeanalizowała dane, aby stworzyć szczegółowe obrazy przedstawiające ruchy organelli w glonach na wszystkich etapach proliferacji. Larabell mówi:

Na tym polega piękno naszej technologii. Liczby można uzyskać w celu utworzenia wyrażeń ilościowych. Mamy liczby dla każdego etapu cyklu komórkowego, które pokazują, że nie jest to dziwactwo.

Tymczasem Cole porównał białka znajdujące się w wyizolowanym UCYN-A z białkami występującymi w całej komórce gospodarza glonu. Połowa białek w UCYN-A jest wytwarzana przez komórkę gospodarza glonów, a następnie kodowana za pomocą określonej sekwencji aminokwasów, która nakazuje komórce wysłanie ich do nitroplastu. Następnie nitroplast pobrał białka i wykorzystał je. Zehr wyjaśnia:

Jest to jedna z cech charakterystycznych czegoś przechodzącego z endosymbiontu do organizmu. W pewnym momencie endosymbionty zaczynają zrzucać fragmenty DNA, a ich genomy stają się coraz mniejsze, a transport produktów genów (lub samego białka) do komórki zaczyna zależeć od komórki rodzicielskiej.

Ta zależność zależna, uzyskana z obrazami zsynchronizowanej segmentacji, sugeruje, że UCYN-A zasługuje na status narządu.

Zmiana poglądów

Mitochondria i chloroplasty ewoluowały miliardy lat temu. Naukowcy uważają, że nitroplast wyewoluował około 100 milionów lat temu organellogeneza Zapewnia świeże i intymne spojrzenie na temat.

Element ten zapewnia również wgląd w ekosystemy morskie. Wszystkie organizmy wymagają azotu w formie biodostępnej i korzystają z azotu gazowego (N), który jest ściśle związany w atmosferze.₂Rozkłada się, tworząc amoniak (NH), który można następnie przekształcić w niezliczone inne związki.₃To) wymaga „utrwalaczy azotu” („bakterii wiążących azot”), aby przekształcić je w cząsteczki. Naukowcy odkryli UCYN-A wszędzie, od tropików po Ocean Arktyczny, a pierwiastek ten wiąże znaczne ilości azotu.

Wynalazek ma także potencjał do transformacji rolnictwa. Zdolność do syntezy nawozu amoniakalnego z azotu atmosferycznego pomogła rolnictwu (i światowej liczbie ludności) wznieść się w górę na początku XX wieku. Proces ten, znany jako „proces Habera-Boscha”, umożliwia obecnie realizację około 50% światowej produkcji żywności. W procesie tym powstają ogromne ilości dwutlenku węgla: 1,4% światowych emisji pochodzi wyłącznie z tego procesu. Przez dziesięciolecia badacze próbowali znaleźć sposób na wykorzystanie naturalnego wiązania azotu w rolnictwie. Cole wyjaśnia:

System ten może dostarczyć nowych informacji na temat wiązania azotu i wskazówek, w jaki sposób można zaprojektować taki narząd w roślinach uprawnych.

Jednakże wiele pytań dotyczących UCYN-A i jego żywicieli pozostaje bez odpowiedzi. Naukowcy planują głębiej poznać działanie UCYN-A i glonów oraz zbadać różne organizmy.

Kendra Turk-Kubo, adiunkt na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz, będzie kontynuować badania w swoim nowym laboratorium. Zehr spodziewa się, że naukowcy odnajdą inne gatunki o historii ewolucyjnej podobnej do UCYN-A, ale to pierwsze w swoim rodzaju odkrycie trafiło do podręczników.