Inne wpisy z tej serii:
Część 2: Rośliny i ich mali przyjaciele
Część 3: I znów endosymbioza
Patrz też:
Organizmy mało znane: Porosty
Gwiezdna galareta i kamień filozoficzny
Wstęp: make love, not war
Zwykle myślimy o ewolucji w kategoriach konkurencji: dwie formy życia rywalizują o te same zasoby środowiska; lepiej przystosowana zyskuje, a gorzej przystosowana traci. Ale dobór naturalny może premiować nie tylko te cechy dziedziczne, dzięki którym organizmy odnoszą sukces reprodukcyjny kosztem innych, lecz także takie, które skłaniają swoich nosicieli do współpracy przynoszącej zysk przystosowawczy obu stronom. Dlatego istnieją organizmy społeczne (współpracujące w ramach jednego gatunku) i cała paleta odcieni symbiozy, czyli związku dwóch lub więcej gatunków opartego na wymianie usług zapewniającej wzajemną korzyść.
Częstym partnerem w związkach symbiotycznych są cyjanobakterie, zwane też sinicami – grupa bakterii, której poświęciłem kiedyś osobny wpis. Cyjanobakterie dokonały jednego z najważniejszych wynalazków w historii życia na Ziemi: zaawansowanej fotosyntezy, wykorzystującej energię fotonów światła słonecznego do wytwarzania związków organicznych z wody i dwutlenku węgla. W bardzo dawnej przeszłości – około dwóch miliardów lat temu – cyjanobakterie spokrewnione ze współczesnym rodzajem Gloeomargarita stały się endosymbiontami (symbiontami wewnątrzkomórkowymi) wspólnego przodka grupy Archaeplastida, do której należą – obok zielenic, krasnorostów i glaukofitów – wszystkie rośliny lądowe. Endosymbioza jest związkiem tak ścisłym, że może doprowadzić do zaniku odrębności partnerów. Cyjanobakterie wewnątrz komórki gospodarza utraciły zdolność do niezależnej egzystencji i przekształciły się w plastydy – organella odpowiedzialne za przeprowadzanie fotosyntezy (czyli między innymi roślinne chloroplasty). Pamiątką ich pochodzenia jest posiadanie własnego genomu, co prawda bardzo zubożonego, bo większość DNA plastydów została przeniesiona do jądra komórki gospodarza.
Dzięki kolejnym rundom endosymbiozy, w których rolę wewnątrzkomórkowych partnerów odgrywały zielenice lub krasnorosty, zdolność do fotosyntezy uzyskały rozmaite inne grupy organizmów: klejnotki, bruzdnice, brunatnice, okrzemki, złotowiciowce, haptofity, ochrofity itp. Należą one do różnych gałęzi ogromnego drzewa rodowego eukariontów (organizmów wyposażonych w jądro komórkowe), ale jeśli prześledzić historię ewolucyjną ich zdolności do fotosyntezy, zawsze prowadzi ona ostatecznie do cyjanobakteryjnego wspólnego przodka „baterii słonecznych” umożliwiających wiązanie węgla z zawartego w atmosferze CO2.
Współpraca eukariontów z sinicami nie była ani pierwszym, ani ostatnim przypadkiem endosymbiozy. Już wcześniej przedstawiciel innej grupy prokariontów, alfaproteobakterii, zintegrował się z komórką wspólnego przodka eukariontów, dając początek mitochondriom – organellom odpowiedzialnym za oddychanie komórkowe i syntezę adenozynotrójfosforanu (ATP), nośnika energii wykorzystywanej w procesach metabolicznych. Wizjonerską hipotezę o bakteryjnym pochodzeniu zarówno mitochondriów, jak i plastydów, początkowo odrzucaną przez większość badaczy, zaproponowała w 1966 r. Lynn Margulis. Była ona przez całe życie badaczką ekscentryczną i wiele z propagowanych przez nią poglądów wzbudzało uzasadnioną krytykę; niemniej jednak zapoczątkowana przez nią teoria endosymbiozy nie tylko została po latach potwierdzona i powszechnie zaakceptowana, ale zrewolucjonizowała zrozumienie kilku przełomowych wydarzeń w historii życia na Ziemi.
Chciałbym na kilku przykładach pokazać, jak wygląda droga od luźnej symbiozy do nierozerwalnego związku, którego ukoronowaniem jest zintegrowanie komórek gospodarza i jego symbiotycznego partnera. Skupię się na przypadkach, gdy symbiontem jest cyjanobakteria. Gospodarzami zaś będą kolejno: grzyby, rośliny i mało znane organizmy takie jak haptofity (czym są haptofity, wyjaśnię we właściwym czasie).
Pawężnice i ich partnerzy strategiczni
Pawężnica (Peltigera) to rodzaj grzybów należący do gromady workowców (Ascomycota), a w jej obrębie do klasy miseczniaków (Lecanoromycetes). Miseczniaki są grupą wielką: wśród wszystkich klas grzybów zajmują trzecie miejsce pod względem liczebności; opisano dotąd ok. 14 tys. gatunków, przy czym liczba ta stale rośnie i niewątpliwie długo jeszcze będzie rosła w miarę postępu badań. Około 95% miseczniaków to grzyby porostowe. Czym są porosty, pisałem już przy innych okazjach (na przykład tutaj i tutaj), tu przypomnę tylko krótko: porost to układ symbiotyczny, w którym głównym partnerem (gospodarzem) jest grzyb, a pozostali partnerzy są mikroorganizmami, z których przynajmniej jeden, zwany fotobiontem, uprawia fotosyntezę. Zapewnia to porostom samożywność: fotobiont produkuje cukry, którymi odżywia się grzyb. Gospodarz w zamian oferuje partnerowi komfortowe warunki życia: strzępki grzyba tworzą plechę, która osłania kolonie fotobionta, chroniąc je np. przed kaprysami pogody i nadmiarem promieniowania słonecznego (zwłaszcza w zakresie nadfioletu) oraz ułatwiając im zaopatrzenie w mineralne składniki odżywcze. Najczęściej fotobiontem jest któraś z jednokomórkowych zielenic żyjących w środowiskach lądowych, ale drugą najpopularniejszą opcją jest korzystanie z usług cyjanobakterii.
Rodzaj Peltigera obejmuje około 90 opisanych i nazwanych gatunków, sporą liczbę gatunków wstępnie rozpoznanych na podstawie badań molekularnych, choć jeszcze nieuznanych formalnie, i z pewnością wiele takich, które dopiero czekają na odkrycie. W Polsce, według oficjalnego wykazu, występuje 21 gatunków pawężnic (w mojej najbliższej okolicy znalazłem dotąd trzy). Mają one charakterystyczny wygląd: ich duża plecha składa się z szerokich, listkowatych odcinków przylegających do podłoża, często tworzących okrągłe rozety. Pawężnice mogą rosnąć – w zależności od gatunku – na ziemi lub na mchu, rzadziej na skale lub na korze drzew, a w kilku przypadkach nawet na kamieniach zanurzonych w strumieniu. Wspólny przodek całego rodzaju żył kilkadziesiąt milionów lat temu, a jego fotobiontem było już wtedy trzęsidło (Nostoc sp.), pospolita cyjanobakteria, którą, o dziwo, dobrze widać gołym okiem, bo tworzy na wilgotnym gruncie duże kolonie. W obrębie kolonii komórki trzęsidła układają się w długie nici (patrz ryc. 2), otoczone żelowatą pochwą zbudowaną z wydzielanych przez bakterie polisacharydów. I tu uwaga: oprócz zwykłych, niezróżnicowanych komórek bakteryjnych kolonia zawiera także wyspecjalizowane komórki przetrwalnikowe i tzw. heterocysty, czyli komórki pozbawione zdolności do fotosyntezy, ale za to ujawniające inną supermoc: umiejętność wiązania azotu atmosferycznego (N2) i przekształcania go w amoniak (NH3).
Dlaczego jest to ważne? Bo cząsteczkowy azot jest w normalnych warunkach gazem niemal obojętnym chemicznie. Dwa atomy tworzące cząsteczkę N2 połączone są potrójnym wiązaniem kowalencyjnym (N≡N), współdzieląc sześć elektronów. Takie wiązanie jest wyjątkowo silne, zatem niełatwo je rozerwać. Mogą w tym pomóc enzymy z rodziny nitrogenaz, katalizujące reakcję przemiany azotu cząsteczkowego w amoniak. Jest to proces redukcji, o korzystnym bilansie energii, nie zachodzi jednak samoistnie, bo na przeszkodzie stoi bardzo wysoka energia aktywacji (wynikająca z siły wiązania N≡N). Obecność enzymu obniża tę barierę, dzięki czemu reakcja może zachodzić w zwykłym zakresie temperatur i ciśnień. A ponieważ amoniak jest aktywny chemicznie, może być następnie wykorzystany w szlakach syntezy złożonych związków organicznych. Nitrogenazy to kompleksy kilku białek z udziałem kofaktora zawierającego żelazo i molibden, rzadziej wanad. Potrafią je syntetyzować tylko niektóre bakterie i archeowce. Enzymy te umożliwiają swoim posiadaczom pozyskiwanie azotu wprost ze wszechobecnego źródła – atmosfery Ziemi, zawierającej objętościowo 78% N2.1
Dawną francuską nazwę azote (zapożyczoną do języka polskiego jako azot) utworzył Antoine Lavoisier, inspirując się greckim przymiotnikiem ázōtos ‘uniemożliwiający życie’. To prawda, że azotem nie da się oddychać, nazwa nie była jednak zbyt trafna, bo azot jest jednym z najważniejszych pierwiastków umożliwiających życie – o czym w czasach Lavoisiera jeszcze nie wiedziano. Wchodzi on w skład wszystkich bez wyjątku aminokwasów, czyli cegiełek, z których zbudowane są białka, wszystkich nukleotydów, czyli podstawowych składników DNA i RNA, a także wspomnianego wyżej ATP i wielu innych ważnych związków. Ciało ludzkie zawiera średnio prawie 2 kg azotu. Dostaje się on do obiegu biologicznego częściowo dzięki wyładowaniom elektrycznym podczas burz. Ich energia umożliwia zerwanie potrójnego wiązania w cząsteczce N2 i reakcję atomowego azotu z tlenem. Powstają w ten sposób tlenki azotu i jony azotanowe, które dostają się do gleby i mogą być przyswajane przez rośliny czy grzyby, a za ich pośrednictwem trafiają do łańcucha pokarmowego zwierząt. Ale wielokrotnie więcej azotu trafia do biosfery dzięki bakteriom i archeowcom wyposażonym w nitrogenazy. Są one głównymi dostawcami związków azotu przyswajanych przez inne istoty żywe. A kto potrafi się z nimi zaprzyjaźnić, uzyskuje uprzywilejowany dostęp do azotu.
Symbiotyczne cyjanobakterie hodowane przez pawężnicę wewnątrz plechy nie tylko dostarczają gospodarzowi produktów fotosyntezy (cukrów), ale ponadto, dzięki heterocystom wchodzącym w skład ich kolonii, są źródłem przyswajalnych związków azotu pobieranego wprost z powietrza. Trzeba tu zauważyć, że związek grzybów porostowych z fotobiontami jest stosunkowo luźny. Nie jest to endosymbioza, tylko partnerstwo dwóch lub więcej organizmów zachowujących swoją autonomię. W ewolucji porostów zdarzały się wielokrotnie przypadki rezygnacji z fotobionta i powrotu do charakterystycznej dla grzybów cudzożywności. Zdarzała się też wymiana fotobionta na „nowszy model”.
Zmiana partnera, choć nie do końca
Grzyby porostowe, jak przystało na członków królestwa Fungi, mają skomplikowane cykle reprodukcyjne. Mogą się rozmnażać płciowo za pomocą zarodników albo wegetatywnie za pomocą specjalnych rozmnóżek, zwanych (w zależności od formy) sorediami (urwistkami) lub izydiami (wyrostkami). Zarodniki zawierają wyłącznie DNA grzyba, natomiast rozmnóżki to małe „pakiety startowe”, złożone z komórek symbionta w opakowaniu ochronnym utworzonym przez tkankę grzyba. Jeśli trafią na odpowiednie podłoże, rozwija się z nich klonalna kopia grzyba rodzicielskiego współpracująca z tym samym symbiontem. Innymi słowy – rozmnażanie bezpłciowe sprzyja utrzymaniu ścisłego związku z konkretnym partnerem. Natomiast młody grzyb rozwijający się z zarodników (w przypadku grzybów porostowych jest to proces wciąż słabo zbadany) musi znaleźć w swoim środowisku właściwego fotobionta i zachęcić go do współpracy. Może się przy tym zdarzyć, że udaje się wejść w związek symbiotyczny ze szczepem lub gatunkiem mikroorganizmu innym niż ten, z którym współpracowały wcześniejsze pokolenia. Na przykład pewna grupa blisko z sobą spokrewnionych gatunków pawężnic zrezygnowała z usług cyjanobakterii jako głównego partnera fotosyntetyzującego i przyjęła na jej miejsce zielenicę z rodzaju Coccomyxa.
Zapewne zielenica dobrze się sprawdza jako fotobiont, ale jednego nie potrafi: wiązać azotu atmosferycznego. Tymczasem pawężnice uzależniły się od zdolności, która pozwala im kolonizować podłoża ubogie w związki azotu, na przykład nagie skały, nieurodzajne gleby piaszczyste i wydmy, a jednocześnie czyni z nich jedne z najszybciej rosnących porostów.2 Dlatego pawężnice, które dokonały wymiany, nie pozwoliły sobie na całkowite odrzucenie cyjanobakterii. Górna powierzchnia ich plechy usiana jest brodawkowatymi strukturami, tzw. cefalodiami, w których żyją kolonie sinicy, odgrywając rolę trzeciego partnera układu symbiotycznego (Peltigera/Coccomyxa/Nostoc). Ich zadaniem jest zaopatrywać cały układ w przyswajalny azot, podczas gdy fotosyntezę (czyli wiązanie węgla z CO2) bierze na siebie zielenica.
Jak dowodzą badania filogenomiczne, pawężnica jabłkowata (P. malacea) należy do kladu, którego wspólny przodek zastąpił cyjanobakterie zielenicami. Jednak gatunek ten nie ma cefalodiów, a jego plecha zawiera cyjanobakterie Nostoc. Jest to szczep inny niż te, które występują w cefalodiach najbliższych kuzynów P. malacea, ale blisko z nimi spokrewniony. Wygląda więc na to, że pawężnica jabłkowata zmieniła zdanie: pozbyła się zielenic i zastąpiła je cyjanobakteriami zachowanymi w cefalodiach. Oczywiście ponieważ sinice wiążą zarówno węgiel, jak i azot, cefalodia stały się zbędne i P. malacea utraciła je wtórnie, upodabniając się do większości pawężnic − tych, które nigdy nie zawierały związku z zielenicami. Gdyby nie dane molekularne, nie bylibyśmy świadomi jej bliskiego pokrewieństwa np. z pawężnicą brodawkowatą (P. aphthosa) o powierzchni jasnozielonej, gdy jest mokra, i nakrapianej cefalodiami (patrz ryc. 3), co świadczy o przynależności do porostów „trójskładnikowych”.3
O tym, że symbioza jest dobrym sposobem na życie, świadczy sukces ewolucyjny organizmów, które ją uprawiają. Szacuje się, że około jedna piąta gatunków grzybów tworzy porosty, a zatem korzysta z dobrodziejstw fotosyntezy dzięki uprzejmości symbiotycznych mikroorganizmów. Spośród nich ok. 10% wykorzystuje sinice jako fotobionty, ma zatem potencjalną zdolność do asymilacji azotu cząsteczkowego. Można więc stwierdzić bez wielkiej przesady, że dzięki symbiozie grzyby porostowe takie jak pawężnice mogą się odżywiać powietrzem, a przy okazji odgrywać ważną rolę ekologiczną jako pośrednicy wprowadzający azot do obiegu w świecie żywym.
Apetyt na azot
Prócz sinic także inne bakterie potrafią wiązać azot z atmosfery. Każdy, kto uważał na lekcjach biologii, powinien wiedzieć, że niemal wszystkie rośliny bobowate (Fabaceae), zwane też motylkowatymi, posiadają brodawki korzeniowe zawierające bakterie azotowe (wiele różnych rodzajów należących do różnych grup systematycznych). Bakterie te nie tylko zaopatrują swojego gospodarza w przyswajalne związki azotu, ale zasilają nimi także ziemię wokół korzeni. Dzięki temu bobowate są szeroko wykorzystywane jako „żywy nawóz” do użyźniania wyjałowionej gleby. Rodzina Fabaceae obejmuje ok. 20 tys. gatunków, co dobitnie świadczy o korzyściach z „samonawożenia”. Bakterie tworzące brodawki korzeniowe bobowatych (a także niektórych innych roślin okrytonasiennych) nie mają zdolności do fotosyntezy, ale ma ją roślina będąca ich gospodarzem. Może ona dzięki temu dokarmiać swoje korzeniowe symbionty związkami węgla, które sama syntetyzuje – notabene dzięki chloroplastom pochodzącym od pradawnych cyjanobakterii.
W kolejnym odcinku przyjrzymy się bliskiej współpracy sinic – nie tych sprzed dwóch miliardów lat, ale tych, które istnieją nadal jako odrębne organizmy – z niektórymi roślinami. Wskutek osobliwego zbiegu okoliczności skutki tej współpracy odczuła cała planeta.
Przypisy
- Azot cząsteczkowy i wodór cząsteczkowy można połączyć w amoniak metodą opracowaną w laboratorium przez Fritza Habera w 1909 r. i udoskonaloną oraz rozwiniętą w proces przemysłowy przez Carla Boscha kilka lat później. Na metodzie Habera i Boscha opiera się współczesna produkcja nawozów sztucznych, prowadzona na ogromną skalę. Aby jednak reakcja połączenia azotu z wodorem mogła zajść, potrzebne jest ciśnienie ok. 200 atm, obecność katalizatora (zwykle jest to specjalnie spreparowane czyste żelazo z dodatkiem promotorów zwiększających jego aktywność) i temperatura 400−450°C, której wymaga katalizator. Prokarionty wiążące azot nie mają takich wymagań technicznych. ↩︎
- Rodzaj Peltigera odznacza się największą różnorodnością w Eurazji i Ameryce Północnej, ale rozprzestrzenił się także na pozostałe kontynenty, a przez Amerykę Południową dotarł nawet do Półwyspu Antarktycznego. Kilkanaście gatunków występuje na Grenlandii. W strefie tropikalnej pawężnice żyją głównie w górach. ↩︎
- Upraszczam nieco opis porostów, które tworzą mini-ekosystemy mogące zawierać większą liczbę uczestników symbiozy. Kiedy mówimy o dwóch lub trzech symbiontach, mamy na myśli tylko najbardziej istotne gatunki tworzące porost. ↩︎
Opisy ilustracji
Nagłówek. Trzęsidło (Nostoc sp.), cyjanobakteria będąca w istocie organizmem wielokomórkowym. Wśród zwykłych (fotosyntetyzujących) komórek wegetatywnych tworzących nici widoczne są heterocysty odpowiedzialne za wiązanie azotu atmosferycznego. Foto: rmatth. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC-SA 3.0).
Ryc. 1. Pawężnica rudawa (Peltigera rufescens), przykład porostu dwuskładnikowego (jedynym fotobiontem jest cyjanobakteria Nostoc sp.). Widoczne są wzniesione nad plechą owocniki (apotecja) przypominające kształtem siodła, służące do rozmnażania płciowego (produkujące zarodniki). Foto: Piotr Gąsiorowski 2022. Lokalizacja: piaszczyste nieużytki w okolicy Czerwonaka, Wielkopolska (licencja CC BY-NC-SA 3.0).
Ryc. 2. Pawężnica brodawkowata (Peltigera aphthosa), przykład porostu trójskładnikowego. Fotobiontem jest zielenica Coccomyxa. Widoczne na zdjęciu cefalodia (ciemne brodawki na powierzchni plechy) zawierają cyjanobakterie Nostoc sp., zapewniające porostowi zaopatrzenie w przyswajalne związki azotu. Gatunek rzadki w Polsce, występujący tylko w górach; podlega ścisłej ochronie gatunkowej. Foto: bienchen 2022. Lokalizacja: Elliot Lake, Ontario (Kanada). Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC 4.0).
Lektura dodatkowa
Projekt Peltigera, Lutzoni Lab, Duke University, Durham, Karolina Północna (USA): https://lutzonilab.org/peltigera/project/
Struktura i działanie nitrogenazy: https://pdb101.rcsb.org/motm/26