Qual è la forma di vita più stabile e forte nel nostro mondo? Gli scarafaggi sono famosi per la loro vitalità: molte persone sono convinte che potrebbero persino sopravvivere a un'apocalisse nucleare. I tardigradi, o orsi acquatici, sono ancora più resistenti. Possono persino sopravvivere nello spazio. C'è un'alga che vive nelle sorgenti bollenti e aspre del Parco Nazionale di Yellowstone. Intorno è acqua caustica, aromatizzata con arsenico e metalli pesanti. Per rimanere in vita in questo luogo mortale, ha usato un trucco inaspettato.
Qual è il suo segreto? Furto. Ruba i geni per la sopravvivenza da altre forme di vita. E questa tattica è molto più comune di quanto si possa pensare.
La maggior parte degli esseri viventi che vivono in luoghi estremi sono organismi unicellulari: batteri o archaea. Queste forme di vita semplici e antiche non hanno una biologia animale complessa, ma la loro semplicità è un vantaggio: affrontano molto meglio condizioni estreme.
Per miliardi di anni si sono nascosti nei luoghi più inospitali: in profondità nel sottosuolo, sul fondo dell'oceano, nel permafrost o nelle sorgenti calde bollenti. Hanno fatto molta strada, evolvendo i loro geni nel corso di milioni o miliardi di anni, e ora li aiutano ad affrontare quasi tutto.
Ma cosa succederebbe se altre creature più complesse potessero semplicemente arrivare e rubare quei geni? Avrebbero compiuto un'impresa evolutiva. In un colpo solo, avrebbero acquisito la genetica che ha permesso loro di sopravvivere in luoghi estremi. Ci arriverebbero senza passare attraverso i milioni di anni di noiosa e ardua evoluzione che di solito è richiesta per sviluppare queste capacità.
E così ha fatto l'alga rossa Galdieria sulphuraria. Si trova nelle calde sorgenti sulfuree in Italia, Russia, nel Parco di Yellowstone negli Stati Uniti e in Islanda.
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Le temperature in queste sorgenti calde salgono a 56 gradi Celsius. Mentre alcuni batteri possono vivere in piscine a circa 100 gradi e alcuni possono far fronte a temperature intorno a 110 gradi, vicino a sorgenti di acque profonde, è piuttosto notevole che gli eucarioti siano un gruppo di forme di vita più complesse che includono animali e piante (alghe rosse - questa pianta) - può vivere a una temperatura di 56 gradi.
La maggior parte delle piante e degli animali non sarebbe in grado di sopportare queste temperature, e per una buona ragione. Il calore porta alla distruzione dei legami chimici all'interno delle proteine, che porta al loro collasso. Questo ha un effetto catastrofico sugli enzimi che catalizzano le reazioni chimiche del corpo. Le membrane che circondano la cellula iniziano a fuoriuscire. Al raggiungimento di una certa temperatura, la membrana collassa e la cellula si disintegra.
Ancora più impressionante, tuttavia, è la capacità delle alghe di tollerare un ambiente acido. Alcune sorgenti termali hanno valori di pH compresi tra 0 e 1. Gli ioni idrogeno caricati positivamente, noti anche come protoni, rendono una sostanza acida. Questi protoni caricati interferiscono con le proteine e gli enzimi all'interno delle cellule, interrompendo le reazioni chimiche vitali.
Le temperature in queste sorgenti calde salgono a 56 gradi Celsius. Mentre alcuni batteri possono vivere in piscine a circa 100 gradi e alcuni possono far fronte a temperature intorno a 110 gradi, vicino a sorgenti di acque profonde, è piuttosto notevole che gli eucarioti siano un gruppo di forme di vita più complesse che includono animali e piante (alghe rosse - questa pianta) - può vivere a una temperatura di 56 gradi.
La maggior parte delle piante e degli animali non sarebbe in grado di sopportare queste temperature, e per una buona ragione. Il calore porta alla distruzione dei legami chimici all'interno delle proteine, che porta al loro collasso. Questo ha un effetto catastrofico sugli enzimi che catalizzano le reazioni chimiche del corpo. Le membrane che circondano la cellula iniziano a fuoriuscire. Al raggiungimento di una certa temperatura, la membrana collassa e la cellula si disintegra.
Ancora più impressionante, tuttavia, è la capacità delle alghe di tollerare un ambiente acido. Alcune sorgenti termali hanno valori di pH compresi tra 0 e 1. Gli ioni idrogeno caricati positivamente, noti anche come protoni, rendono una sostanza acida. Questi protoni caricati interferiscono con le proteine e gli enzimi all'interno delle cellule, interrompendo le reazioni chimiche vitali.
Questo fenomeno di trasferimento genico è noto come "trasferimento genico orizzontale". In genere, i geni delle forme di vita vengono ereditati dai genitori. Negli esseri umani, questo è esattamente il caso: puoi tracciare le tue caratteristiche lungo i rami del tuo albero genealogico fino alle prime persone.
Tuttavia, risulta che sia di tanto in tanto geni "alieni" di specie completamente diverse possono essere inclusi nel DNA. Questo processo è comune nei batteri. Alcuni sostengono che ciò si verifica anche negli esseri umani, sebbene sia contestato.
Quando il DNA di qualcun altro acquisisce un nuovo proprietario, non deve restare a guardare. Invece, può iniziare a lavorare sulla biologia dell'ospite, incoraggiandola a creare nuove proteine. Questo può dare al proprietario nuove abilità e consentirgli di sopravvivere in nuove situazioni. L'organismo ospite può intraprendere un percorso evolutivo completamente nuovo.
In totale, Schoinknecht ha identificato 75 geni rubati dalle alghe, che ha preso in prestito da batteri o archaea. Non tutti i geni danno alle alghe un chiaro vantaggio evolutivo e la funzione esatta di molti geni è sconosciuta. Ma molti di loro aiutano Galdieria a sopravvivere in ambienti estremi.
La sua capacità di trattare sostanze chimiche tossiche come il mercurio e l'arsenico deriva da geni presi in prestito dai batteri.
Uno di questi geni è responsabile della "pompa dell'arsenico" che consente alle alghe di rimuovere efficacemente l'arsenico dalle cellule. Altri geni rubati, tra le altre cose, consentono alle alghe di rilasciare metalli tossici mentre estraggono metalli importanti dall'ambiente. Altri geni rubati controllano gli enzimi che consentono alle alghe di disintossicare i metalli come il mercurio.
Le alghe hanno anche rubato i geni che consentono loro di resistere a concentrazioni saline elevate. In circostanze normali, un ambiente salino risucchierà l'acqua dalla cellula e la ucciderà. Ma sintetizzando i composti all'interno della cellula per equalizzare la "pressione osmotica", Galdieria evita questo destino.
Si ritiene che la capacità di Galdieria di tollerare sorgenti termali estremamente acide sia dovuta alla sua impermeabilità ai protoni. In altre parole, potrebbe semplicemente impedire all'acido di entrare nelle sue cellule. Per fare ciò, include semplicemente un minor numero di geni che codificano per i canali nella membrana cellulare attraverso i quali normalmente passano i protoni. Questi canali di solito consentono il passaggio di particelle caricate positivamente, come il potassio, di cui le cellule hanno bisogno, ma consentono anche il passaggio dei protoni.
"L'adattamento a un pH basso sembra essere stato ottenuto rimuovendo dalla membrana plasmatica qualsiasi proteina di trasporto della membrana che consentirebbe ai protoni di entrare nella cellula", afferma Scheunknecht. “La maggior parte degli eucarioti ha più canali del potassio nelle loro membrane plasmatiche, ma Galdieria ha solo un gene che codifica per un canale del potassio. Un canale più stretto ti consente di far fronte a un'acidità elevata ".
Tuttavia, questi canali del potassio svolgono un lavoro importante, assorbono il potassio o mantengono una potenziale differenza tra la cellula e il suo ambiente. Non è ancora chiaro come le alghe rimangano sane senza canali del potassio.
Inoltre, nessuno sa come le alghe affrontano il calore elevato. Gli scienziati non sono stati in grado di identificare i geni che spiegherebbero questa particolare caratteristica della sua biologia.
I batteri e gli archei, che possono vivere a temperature molto elevate, hanno un tipo completamente diverso di proteine e membrane, ma l'alga ha subito cambiamenti più sottili, dice Scheunknecht. Sospetta che modifichi il metabolismo dei lipidi di membrana a diversi aumenti di temperatura, ma non sa ancora esattamente come ciò avvenga e come gli permetta di adattarsi al calore.
È chiaro che la copia genica offre a Galdieria un enorme vantaggio evolutivo. Mentre la maggior parte delle alghe rosse unicellulari legate a G. sulphuraria vivono in aree vulcaniche e sopportano calore e acidi moderati, pochi dei suoi parenti possono sopportare tanto calore, acido e tossicità quanto G. sulphuraria. Infatti, in alcuni luoghi, questa specie rappresenta fino all'80-90% della vita - questo indica quanto sia difficile per qualcun altro chiamare la casa di G. sulphuraria la loro.
Rimane ancora una domanda ovvia e interessante: come hanno fatto le alghe a rubare così tanti geni?
Questa alga vive in un ambiente che contiene molti batteri e archaea, quindi in un certo senso ha la capacità di rubare i geni. Ma gli scienziati non sanno esattamente come il DNA sia passato dai batteri a un organismo così diverso. Per arrivare con successo all'ospite, il DNA deve prima entrare nella cellula, quindi nel nucleo e solo allora incorporarsi nel genoma dell'ospite.
“Le ipotesi migliori in questo momento sono che i virus potrebbero trasferire materiale genetico da batteri e archaea alle alghe. Ma questa è pura speculazione , afferma Scheunknecht. “Forse entrare in una gabbia è il passo più difficile. Una volta all'interno di una cellula, entrare nel nucleo e integrarsi nel genoma potrebbe non essere così difficile.
Il trasferimento genico orizzontale si verifica spesso nei batteri. Questo è il motivo per cui abbiamo problemi di resistenza agli antibiotici. Quando appare un gene resistente, si diffonde rapidamente tra i batteri. Tuttavia, si credeva che lo scambio genico avvenga meno frequentemente negli organismi più sviluppati rispetto agli eucarioti. Si credeva che i batteri avessero sistemi speciali che permettessero loro di accettare gli acidi nucleici, come gli eucarioti no.
Tuttavia, sono già stati trovati altri esempi di creature avanzate che rubano i geni per sopravvivere in condizioni estreme. La specie di alghe della neve Chloromonas brevispina, che vive nella neve e nel ghiaccio dell'Antartide, trasporta geni che sono stati probabilmente presi da batteri, archaea o persino funghi.
I cristalli di ghiaccio taglienti possono perforare e perforare le membrane cellulari, quindi le creature che vivono in climi freddi devono trovare un modo per combatterlo. Un modo è produrre proteine leganti il ghiaccio (IBP), che vengono secrete in una cellula che si aggrappa al ghiaccio, bloccando la crescita dei cristalli di ghiaccio.
James Raymond dell'Università del Nevada a Las Vegas ha mappato il genoma delle alghe della neve e ha scoperto che i geni per le proteine leganti il ghiaccio erano notevolmente simili in batteri, archaea e funghi, suggerendo che tutti si scambiarono la capacità di sopravvivere in condizioni di freddo durante l'orizzontale. trasferimento genico.
"Questi geni sono essenziali per la sopravvivenza perché sono stati trovati in tutte le alghe tolleranti al freddo e in nessuna in condizioni di caldo", afferma Raymond.
Ci sono molti altri esempi di trasferimento genico orizzontale negli eucarioti. Anche i piccoli crostacei che vivono nel ghiaccio marino antartico sembrano aver acquisito questa abilità. Questi Stephos longipes possono vivere nei canali del sale liquido nel ghiaccio.
"Le misurazioni sul campo hanno dimostrato che C. longipes vive in salamoie super raffreddate sulla superficie del ghiaccio", afferma Rainer Kiko, scienziato presso l'Istituto di ecologia polare dell'Università di Kiel in Germania. "Sottoraffreddato significa che la temperatura di questo liquido è sotto lo zero e dipende dalla salinità."
Per sopravvivere e per evitare il congelamento, nel sangue di S. longipes e di altri fluidi corporei sono presenti molecole che abbassano il punto di congelamento per adattarsi all'acqua circostante. Allo stesso tempo, i crostacei producono proteine non congelanti che impediscono la formazione di cristalli di ghiaccio nel sangue.
Si presume che questa proteina sia stata ottenuta anche tramite trasferimento genico orizzontale.
La bellissima farfalla monarca potrebbe anche aver rubato i geni, ma questa volta da una vespa parassita.
La lucente vespa della famiglia Braconid è nota per aver introdotto un uovo insieme a un virus in un insetto ospite. Il DNA del virus penetra nel cervello dell'ospite, trasformandolo in uno zombi, che funge quindi da incubatore per l'uovo della vespa. Gli scienziati hanno scoperto i geni dei draconidi nelle farfalle, anche se queste farfalle non hanno mai incontrato le vespe. Si ritiene che rendano le farfalle più resistenti alle malattie.
Gli eucarioti non rubano solo i singoli geni. A volte i furti sono enormi.
Si ritiene che l'abitante marino verde brillante Elysia chlorotica abbia acquisito la capacità di fotosintetizzare mangiando alghe. Questa lumaca di mare ingerisce i cloroplasti - organelli che svolgono la fotosintesi - interi e li immagazzina nelle ghiandole digestive. Quando viene pressata e non ci sono alghe da mangiare, la lumaca di mare può sopravvivere utilizzando l'energia della luce solare per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in cibo.
Uno studio mostra che anche le lumache di mare prendono i geni dalle alghe. Gli scienziati inseriscono marcatori di DNA fluorescenti nel genoma delle alghe per vedere esattamente dove si trovavano i geni. Dopo essersi nutrito di alghe, la lumaca di mare ha acquisito un gene per la rigenerazione dei cloroplasti.
Allo stesso tempo, le cellule del nostro corpo contengono minuscole strutture che producono energia, i mitocondri, che sono diverse dal resto delle nostre strutture cellulari. I mitocondri hanno persino il loro DNA.
C'è una teoria secondo cui i mitocondri esistevano come forme di vita indipendenti miliardi di anni fa, ma poi in qualche modo iniziarono ad essere inclusi nelle cellule dei primi eucarioti - forse i mitocondri furono inghiottiti, ma non digeriti. Si ritiene che questo evento si sia verificato circa 1,5 miliardi di anni fa e sia stato una pietra miliare nell'evoluzione di tutte le forme di vita superiori, piante e animali.
Il furto genetico può essere una tattica evolutiva comune. Dopotutto, lascia che gli altri facciano tutto il duro lavoro per te mentre tu raccogli i frutti. In alternativa, il trasferimento genico orizzontale può accelerare un processo evolutivo che è già iniziato.
"È improbabile che un organismo che non si è adattato al calore o all'acido popolerà improvvisamente le piscine vulcaniche semplicemente perché ha i geni di cui ha bisogno", dice Scheunknecht. "Ma l'evoluzione è quasi sempre un processo graduale e il trasferimento genico orizzontale consente grandi balzi in avanti".
ILYA KHEL
