Kako je nastalo kompleksno življenje

Kljub hitremu napredovanju znanosti o življenju v zadnjih desetletjih je v samem jedru biologije še vedno odprto pomembno vprašanje, ki nima dokončnega odgovora. Znanstveniki še nimajo preproste razlage tega, kako je na Zemlji prišlo do nastanka kompleksnih oblik življenja in zakaj zelo dolgo časa življenje nikakor ni moglo preseči preproste oblike enoceličnih organizmov in tvoriti kaj bolj zapletenega.

Nick Lane, profesor evolucijske biokemije na University Collage v Londonu, se v knjigi The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life (W. W. Norton & Company, 2015) sprašuje, zakaj je prišlo do tako pomembne revolucije v razvoju življenja, kot je nastanek kompleksnih oblik življenja, le enkrat v več milijardah let.

Z rastlinami in živalmi si tudi ljudje in glive delimo skupnega davnega prednika. To je bila celica, do nastanka katere je prišlo zgolj enkrat v štirih milijardah let, odkar na našem planetu obstaja življenje. Na vprašanje, kaj se je v resnici zgodilo in po čem je bila ta celica tako drugačna, da ima zdaj tako veliko potomcev, Nick Lane v knjigi ponudi zanimiv odgovor oziroma hipotezo, ki jo je razvil v sodelovanju z nemškim biokemikom Williamom Martinom.

Dolgo so na Zemlji vladale zgolj bakterije in arheje

Življenje na Zemlji se je pojavilo že razmeroma kmalu po njenem nastanku pred dobrimi štirimi milijardami let in pol. Prve oblike življenja, ki so imele obliko majhnih celic velikosti nekaj tisočink milimetra, so se razmeroma zgodaj razdelile v dve veliki skupini oziroma domeni živih bitij, ki jima pravimo bakterije in arheje. V milijardah let obstoja so te preproste oblike življenja razvile zelo zapletene biokemične procese, s pomočjo katerih so kolonizirale najrazličnejše ekološke niše na planetu in s katerimi jim je uspelo preživeti tudi obdobja, ko se je ves planet spremenil v veliko snežno kepo. Vendar so ob vsej biokemični pestrosti vseskozi ostale le preprosta enocelična bitja. Na videz so si bakterije in arheje podobne, a v njihovi notranjosti se skrivajo pomembne razlike. Pripadniki teh dveh velikih skupin enoceličnih živih bitij se med seboj po delovanju kar močno razlikujejo, saj imajo različno genetsko zasnovo in vsak svoje specifične fiziološke lastnosti. Tako za bakterije kot za arheje pa je značilno, da nimajo celičnega jedra in drugih celičnih struktur.

Prvi dve milijardi let po nastanku življenja na planetu se ni glede kompleksnosti zgradbe živih bitij zgodilo nič revolucionarnega. Obstajali so samo preprosti enoceličarji. Nato pa so se nenadoma pojavile tudi bistveno večje in bolj zapletene oblike življenja. Da bi pojasnila evolucijsko uganko, sta Nick Lane in William Martin nadgradila hipotezo biologinje Lynn Margulis, ki je že leta 1967 postavila hipotezo, da do kompleksnih oblik življenja ni prišlo po običajni poti postopne naravne selekcije, ampak zaradi enkratnega nenavadnega dogodka. Po njeni hipotezi naj bi po naključju ena celica požrla drugo, nato pa naj bi jima skupno bivanje bolj ustrezalo kot samostojno življenje, zato sta vztrajali v tej kompleksnejši obliki.

Nastanek prve kompleksne celice

Kompleksna živa bitja tvorijo poleg bakterij in arhej tretjo veliko domeno življenja na Zemlji, ki jo imenujemo evkarionti. Temeljna značilnost evkariontov je, da imajo celično jedro in organele oziroma posebne celične strukture, ki opravljajo različne pomembne funkcije v celici. Vsi evkarionti si delijo skupnega prednika. To je celica, ki je, kot vse kaže, nastala samo enkrat v štirih milijardah let, odkar na planetu obstaja življenje. Vsa morfološko kompleksnejša živa bitja, kot so rastline, živali, glive, amebe in kot smo ljudje, smo potomci te celice.

Kot v knjigi opisuje Nick Lane, so bile pred nastankom evkariontov celice ujete za nekakšno energetsko oviro. Tudi če bi poskusile zgraditi bolj kompleksne večcelične oblike življenja, tega ne bi zmogle, saj niso imele na razpolago dovolj energije. Da bi celice premagale to energetsko oviro, se je moralo zgoditi nekaj, do česar pride izjemno redko. Prav zato je bilo treba na dogodek tudi tako dolgo čakati.

Do nastanka nove kompleksne oblike celice je prišlo po naključju, ko sta se arheja in bakterija naključno srečali in se tako stisnili druga ob drugo, da sta se združili. Arheja je vase vsrkala bakterijo, ki je ostala v njej ujeta. Do podobnih dogodkov, ko ena celica požre drugo, pride večkrat, a tokrat je bilo nekaj bistveno drugače, saj sta celici ugotovili, da se medsebojno učinkovito dopolnjujeta. V preteklosti takšno sobivanje dveh celic praviloma ni dolgo trajalo, tokrat pa se je izkazalo, da je bilo v večji celici dovolj hrane, da je manjša v njej lahko preživela in se začela razmnoževati.

Mitohondriji kot celične elektrarne

Bakterijska celica, ki se je ujela v večji celici, je bila prednik zelo pomembnega celičnega aparata oziroma organela, ki mu danes pravimo mitohondrij. Davni potomci tiste prve celice, ki se je ujela v večjo celico, so še danes aktivni tudi v naših človeških celicah. Vsaka naša celica ima v povprečju približno tisoč mitohondrijev in kar dvajset odstotkov naše biomase sestavljajo mitohondriji. Njihova značilnost je, da se v njih skladišči in proizvaja energija, ki jo celice potrebujejo za svoje delovanje. Kot ugotavlja Nick Lane, imajo evkariontske celice zaradi mitohondrijev kar 200.000-krat več razpoložljive energije na gen kot celice, ki teh organel nimajo. Z učinkovito združitvijo arheje in bakterije je tako nastala kompleksna celica, ki je bila energijsko bistveno zmogljivejša, kar je sčasoma omogočilo tudi nastanek večceličnih organizmov, ki pred tem z energetskega vidika niso bili mogoči.

Mitohondriji so sčasoma izgubili večino svojih izvornih genov, saj jih imajo danes le še 13. Ti se ne dedujejo spolno, ampak se prenesejo neposredno prek materine jajčne celice. Ker obstajajo dedne bolezni, ki izvirajo iz napak na mitohondrijih, lahko danes s posebno tehniko v oplojeni celici okvarjene materine mitohondrije zamenjajo z zdravimi mitohondriji darovalke.

Ker naj bi šlo v tem primeru za otroka treh staršev (matere, očeta in darovalke mitohondrijev), je postopek donacije mitohondrijev sprožil burno polemiko. Vendar v tem primeru težko govorimo o otroku treh staršev, temveč gre za običajne starše, torej za dve osebi, ki sta vir otrokovega genoma, čemur je dodanih še 13 genov iz darovalkinih mitohondrijev, ki so v resnici ostanek dve milijardi let stare bakterije.

Energija v celicah

Temeljni prenašalci energije v živih celicah so molekule ATP. Predstavljamo si jih lahko kot nekakšne žetone, ki jih celica potrebuje za izvedbo posameznih reakcij. Spajanje dveh aminokislin skupaj stane energetsko približno 5 ATP-jev. Za en cikel deljenja bakterije E.coli, ki traja približno dvajset minut, pa je potrebnih kar 50 milijard ATP-jev.

Celica za običajno delovanje porabi približno 10 milijonov molekul ATP vsako sekundo, posamezna molekula ATP pa se ponovno napolni približno enkrat ali dvakrat na minuto. V povprečju človeško telo tako porablja 2 mW energije na gram telesne teže, kar za povprečnega človeka znese okoli 130 W oziroma malo več, kot porabi klasična žarnica. Energetsko žive celice poganja elektrika, ki jo tvori razlika v koncentraciji protonov. Z energijo, ki jo celice pridobijo iz hrane prek celičnega dihanja, se protoni transportirajo skozi membrano v mitohondrijih, kar si lahko poenostavljeno predstavljamo kot polnjenje baterije mitohondrija. Na eni strani membrane v mitohondriju nastane zaloga protonov, ki je vir za polnjenje ATP-jev oziroma energetskih žetonov, ko jih celica potrebuje.

Način skladiščenja energije s pomočjo protonov je podobno kot genetski kod univerzalen, enak za vsa živa bitja. Odkril ga je britanski biokemik Peter Mitchell, za kar je leta 1978 prejel Nobelovo nagrado. Ker lahko evkariontska celica ATP-je učinkovito polni v mitohondrijih, lahko izvaja tudi energetsko zahtevnejše operacije, ki jih celica, ki takšnega skladišča energije nima, ne more.

-