Życie w Kosmosie[2]. Chyba jednak jesteśmy jedyni

Licencja: FOTOKITA/Shutterstock

Dla entuzjastów inteligentnego życia pozaziemskiego mam złą wiadomość. Jeśli jest to albo za daleko, albo zbyt dawno. Taki stan rzeczy sponsoruje literka ‘c’, c jak prędkość światła w próżni. Ale o tym w następnym odcinku. Dziś zajmiemy się „rzadką Ziemią” i przyległościami.

Zacznijmy od równania Drake’a, wzoru próbującego określić, ile cywilizacji technologicznych istnieje w naszej Galaktyce. Zaproponował je fizyk Frank Drake w latach 60. XX wieku. Równanie nie jest skomplikowane, zawiera jednak wiele czynników wpływających na liczbę cywilizacji pozaziemskich, z którymi ludzkość może się komunikować. 


N – liczba cywilizacji w Drodze Mlecznej, z którymi możliwa jest komunikacja.
R – średnie tempo powstawania gwiazd w naszej Galaktyce.
fp – odsetek gwiazd, które mają planety.
ne – średnia liczba planet, na których może potencjalnie istnieć życie, w przeliczeniu na gwiazdę posiadającą planety.
fl – odsetek planet, na których może istnieć życie, i na których w pewnym momencie faktycznie rozwinęło się życie.
fi – odsetek planet, na których istnieje życie, na których rozwinęło się inteligentne życie.
fc – odsetek cywilizacji, które opracowały technologię przekazu informacji o swoim istnieniu.
L – czas, przez który takie cywilizacje emitują wykrywalne sygnały w przestrzeń kosmiczną.

Każdy z tych czynników pochodzi z oszacowań, a ponieważ równanie Drake’a jest ich iloczynem, to wynik może być skrajnie duży lub skrajnie mały. Wniosek: równanie jest bezużyteczne.

Ryc. 1 . Frank Drake. Źródło: Raphael Perrino (Wikipedia, CC BY 2.0)

Pominę szczegółowe rozważania i szacunki, bo tylko o szacunkach (w dodatku spod dużego palca) możemy tu mówić. Dość powiedzieć, że istnieje co najmniej 250 tysięcy wysoko rozwiniętych cywilizacji technologicznych mogących się z nami skomunikować. Według Drake’a, oczywiście. Według krytyków liczba ta może oscylować między 1 (Układ Słoneczny i Ziemia) a wieloma milionami. Na razie (rok 2024) liczba zaobserwowanych cywilizacji wynosi jeden. I jest to nasza cywilizacja.

I to jest właśnie paradoks Fermiego, sprzeczność między teoretyczną wielością pobliskich planet nadających się do zamieszkania a zerowym dowodem na istnienie sygnałów radiowych jakiejkolwiek cywilizacji pozaziemskiej. Zwróćmy uwagę na optymistyczne założenie, że na każdej planecie nadającej się do zamieszkania powinna rozwinąć się ekspansywna cywilizacja zdolna do komunikacji międzygwiezdnej. W dalszej części artykułu przeanalizujemy ten aspekt.

W 2018 r. Instytut Przyszłości Ludzkości na Uniwersytecie Oksfordzkim obliczył, na podstawie modelu rozwiązania równania Drake’a z użyciem rozkładów prawdopodobieństwa, że szansa, że jesteśmy jedyną zaawansowaną cywilizacją w naszej galaktyce oraz w całym obserwowalnym wszechświecie wynosi odpowiednio 53–99,6% i 39–85%. 

W latach 70. i 80. Carl Sagan i Frank Drake argumentowali, że Ziemia jest typową planetą skalistą w typowym układzie planetarnym, położoną w statystycznie przeciętnym regionie galaktyki spiralnej z poprzeczką. Wychodząc z zasady przeciętności (rozszerzonej zasady kopernikańskiej 1) argumentowali, że ewolucja życia na Ziemi (w tym człowieka), jest typowa, a zatem że wszechświat obfituje w złożone życie.

Ryc. 2. Carl Sagan. Wikipedia, domena publiczna

Rozważania na temat inteligencji pozaziemskiej to wdzięczny temat dla pisarzy science fiction. Możliwość popuszczenia wodzy fantazji zaowocowała wieloma fantastycznymi teoriami okraszonymi niewiarygodną wielością form zewnętrznych Kosmitów. Wśród pisarzy-fantastów znalazło się jednak paru, którzy uważają, że życie ziemskie jest na tyle unikalne, że żadne parametry równania Drake’a nie wygenerują ani jednej obcej cywilizacji. Najbardziej znany z nich, Isaac Asimov, w kultowej serii „Fundacja” zdecydował, że tylko Ziemia jest planetą wyróżnioną, i tylko ona może zaludnić Galaktykę.

Dwaj naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, geolog Peter Ward i astrobiolog Donald E. Brownlee napisali książkę „Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe” (2000), w której metodycznie i naukowo rozwiali marzenia o nieziemskim życiu. 

Ziemia powstała około 4,6 miliarda lat temu. Już 300 mln lat później pojawiło się życie jako proste organizmy jednokomórkowe – prokarionty, pozbawione jądra komórkowego, mitochondrium i organelli. Cóż z tego, skoro wszystkie wyższe formy życia opierają się na eukariontach, komórkach wyposażonych w jądro komórkowe (zawiera materiał genetyczny), mitochondrium i organelle. Prokarionty oczywiście nie wyginęły, występują we wszystkich warunkach środowiskowych włączając warunki ekstremalne. Ewolucja potrzebowała aż 2 mld lat, aby z prokariontów wyewoluowały komórki eukariotyczne. Okazuje się, że był to wielokrotnie większy wysiłek ewolucyjny niż powstanie życia jako takiego. Wysiłek podzielony na trudne etapy. Pamiętajmy, że rozwój ewolucyjny opiera się w znacznej mierze na rachunku prawdopodobieństwa. O eukariontach, prokariontach i początkach życia na Ziemi pisał Piotr Gąsiorowski w wielu wpisach, m.in. Eukarya (2): Od FECA do LECA, czyli seks i życie na sterydach.

Następny trudny krok – powstanie złożonych organizmów wielokomórkowych, zajął ewolucji następny miliard lat. W skali kosmicznej nie jest to dużo jak na taki postęp ewolucyjny, przecież wielokomórkowce to komórki wyspecjalizowane, współpracujące ze sobą. Można powiedzieć, że mieliśmy szczęście, bo proces ten mógł zająć 3 albo nawet 10 miliardów lat. Ewolucja mogła zatrzymać się na etapie prokariontowego śluzu lub jednokomórkowców, nie potrafiąc pokonać następnej bariery.

Następną przeszkodą na drodze ewolucji jest zjawisko masowego wymierania. W każdym układzie planetarnym zdarzają się katastrofy na skalę globalną. Kolizje globów większych i mniejszych są zjawiskiem statystycznym. Ziemia doświadczała takich przygód średnio co 50-100 milionów lat. Za każdym razem bezpowrotnie ginęła znacząca większość gatunków,  być może lepszych kandydatów na Człowieka niż nasi praprzodkowie. Na przykład pod koniec permu, około 230 milionów lat temu, wymarło 95% gatunków lądowych i 70% gatunków morskich. 65 milionów lat temu w Ziemię uderzyła asteroida (lub kometa). Przepadło prawie 75% gatunków zwierząt, w tym wszystkie gatunki dinozaurów. Po zniknięciu dużych gadów dominującymi zwierzętami lądowymi stały się ssaki. Taki szczęśliwy dla nas przypadek :). Gdyby kataklizmy wiążące się z masowym wymieraniem zdarzały się częściej, na przykład co milion lat, proces ewolucji prowadzący do powstania inteligentnego życia na Ziemi z pewnością byłby zatrzymany. 

Czynnikiem warunkującym powstanie inteligentnego życia jako wielomiliardoletniego procesu jest charakterystyka gwiazdy centralnej i układ planetarny. Tu też mamy nieprzeciętne wymagania. Układ planetarny powinien się znajdować w niezatłoczonym obszarze galaktyki, gdyż grawitacja przechodzącej obok gwiazdy mogłaby wpływać na orbitę planety-na-której-właśnie-rozwija-się-życie, kierując ją na przykład bliżej gwiazdy macierzystej, poza strefę komfortu zwaną również strefą Złotowłosej 2. O tym napiszę w dalszej części artykułu.

Drugim warunkiem koniecznym jest istnienie dużych planet rozmiaru Jowisza albo Saturna, które pełniłyby rolę “grawitacyjnego strażnika” naszej Ziemi przed obiektami wlatującymi spoza układu. Grawitacja takiej planety za pomocą asysty grawitacyjnej wypychałaby intruza z powrotem poza układ, zmniejszając ryzyko potencjalnej kolizji mogącej spowodować wymieranie. O wymieraniu i jego znaczeniu w procesie rozwoju życia pisałem wcześniej. Z obserwacji planet wykrytych wokół innych gwiazd wynika, że układy planet podobne do naszego Układu Słonecznego, z małymi wewnętrznymi planetami skalistymi otoczonymi w zewnętrznych obszarach przez masywne olbrzymy, są stosunkowo rzadkie. 

To nie wszystko. Pamiętajmy o polu magnetycznym. Ziemia zawdzięcza swoje pole magnetyczne płynnemu, ruchomemu żelaznemu jądru. Bez pola magnetycznego nie istniałaby warstwa ozonowa, chroniąca życie przed zabójczym promieniowaniem ultrafioletowym. W Układzie Słonecznym tylko Ziemia posiada silne pole magnetyczne.

Ostatni warunek to właściwy rozmiar planety, konieczny do utrzymania odpowiednio gęstej atmosfery. Na przykład na Marsie, niewiele mniejszym od Ziemi, ciśnienie atmosferyczne wynosi 0,6% ciśnienia ziemskiego.

I wreszcie last but not least, istnienie dużego księżyca okrążającego planetę. Rola naszego Księżyca polega na stabilizacji osi obrotu Ziemi. Bez niego nachylenie osi Ziemi wahałaby się od 0 do 50 stopni, powodując ekstremalne pory roku utrudniające ewolucji dostosowanie się. 

Nie będę się rozpisywał o układach podwójnych czy potrójnych, gdyż jasne jest, że skomplikowana i nieprzewidywalna (problem trzech ciał) orbita planety wyklucza powstanie i rozwój życia, zwłaszcza białkowego. 

Wielu Czytelników po raz pierwszy spotyka się z pojęciem metaliczności gwiazd i galaktyk. Oznacza ono obfitość pierwiastków cięższych od wodoru i helu, niekoniecznie metali. W skrócie można powiedzieć, że im wyższa metaliczność, tym większe prawdopodobieństwo powstania złożonych związków chemicznych, być może życia. Skąd to zróżnicowanie? 

Pierwiastki cięższe od helu powstają we wnętrzu gwiazd w wyniku syntezy jądrowej, w trakcie ich ewolucji. Wiatr gwiazdowy i supernowe „rozsiewają” ciężkie atomy po całym otoczeniu. Materia międzygwiazdowa służy jako budulec dla nowych gwiazd. Gwiazdy młode, z gwiezdnego „recyklingu”, posiadają w swoim składzie więcej pierwiastków ciężkich. Obecnie rozróżniamy dwie populacje gwiazd różniących się metalicznością. Populacja I (najmłodsza) odznacza się najwyższą metalicznością. Hipotetyczna populacja III to gwiazdy „pierworodne”, najmniej metaliczni, wypaleni gwiezdni pionierzy. Istnieje też bezpośredni związek między metalicznością gwiazd a powstawaniem planet, w tym gazowych olbrzymów pokroju Jowisza. Modelowanie pokazuje, że metaliczność gwiazd jest kluczem do powstawania planet.  

Galaktyki, podobnie jak gwiazdy, różnią się metalicznością. Galaktyki eliptyczne, małe oraz gromady kuliste odznaczają się zbyt małą metalicznością, a więc nie nadają się na siedlisko życia. Galaktyki też nie są jednorodne pod tym względem. W galaktyce spiralnej, a taką jest Droga Mleczna, położenie gwiazdy determinujące jej metaliczność decyduje o prawdopodobieństwie rozwinięcia się życia. Okazuje się więc, że galaktyka także posiada swoją strefę Złotowłosej, co pokazuje Ryc. 3.

Ryc. 3. Galaktyczna strefa nadająca się do powstania życia. Źródło: Pearson Education Inc., publishing as Addison-Wesley. https://pages.uoregon.edu/jimbrau/BrauImNew/Chap28/6th/28_07Figure-P.jpg

Jak widać, dokładne zbadanie problemu „szkiełkiem i okiem” skłania do wniosków przemawiających za unikalnością naszego ziemskiego życia. Celowo nie użyłem „niestety”, gdyż nasz wrodzony antropocentryzm, naiwność i obejrzane filmy w rodzaju „E.T.” każą wierzyć w dobre intencje „obcych”. Więc raczej „stety”.

  1. Strefa Złotowłosej (ang. Goldilocks zone) to kalka językowa pochodząca z bajki o Złotowłosej i trzech misiach, w której trzecia misiowa miska z owsianką nie była ani za zimna, ani za ciepła, lecz w sam raz dla Złotowłosej. Oznacza strefę wokół gwiazdy nadającą się do zamieszkania. ↩︎
  2. Zasada kopernikańska twierdzi, że ​​ludzie ani na Ziemi, ani w Układzie Słonecznym nie są uprzywilejowanymi obserwatorami Wszechświata, a obserwacje z Ziemi są reprezentatywne dla obserwacji ze średniej pozycji we wszechświecie. Zasada kopernikańska wynika z heliocentryzmu kopernikańskiego. ↩︎

Superameby, czyli złożoność alternatywna

Inne wpisy na podobny temat

Organizmy mało znane: Śluzowce
Uwaga! Nadpełzają śluzowce!
Żywe skamieniałości (1): Paździorek starszy niż tyranozaury

Już kilka wpisów poświęciłem śluzowcom, organizmom należącym do grupy zwanej Amoebozoa i stanowiących znaczną część jej składu gatunkowego. Amoebozoa nie są roślinami, zwierzętami ani grzybami. Jeśli spośród wszystkich eukariontów, czyli organizmów posiadających jądra komórkowe, wyłączymy trzy wspomniane wyżej „królestwa”, to pozostaje nam ogromny zbiór rozmaitych organizmów, najczęściej (choć bynajmniej nie zawsze) jednokomórkowych, obejmowanych umownie nazwą protistów (dawniej „pierwotniaków”, a częściowo także „glonów”). Trzeba jednak pamiętać, że w odróżnieniu od monofiletycznych, dobrze zdefiniowanych kladów Metazoa (zwierzęta), Fungi (grzyby) i Archaeplastida (rośliny w szerokim sensie, z uwzględnieniem zielenic, krasnorostów i glaukofitów), protisty stanowią różnorodną zbieraninę wszystkich pozostałych linii rozwojowych eukariontów i nie można ich traktować, jak gdyby były „czwartym królestwem”.

Ryc. 1.

W szkolnych podręcznikach pełzak odmieniec (Amoeba proteus), znany od XVIII w. i popularnie zwany „amebą”, nadal służy jako klasyczny przykład pierwotniaka. Kiedy chodziłem do szkoły, uczono nas, że pełzak należy do typu korzenionóżek. Typ ten już od dawna nie istnieje. Śluzowce, spokrewnione z pełzakami i wraz z nimi włączane dziś do Amoebozoa, były początkowo zaliczane do grzybów na podstawie powierzchownego podobieństwa. Z czasem zaczęto sobie zdawać sprawę z różnic między śluzowcami a grzybami, ale dopiero pod koniec XIX w. poznano szczegółowo cykl życiowy śluzowców, opisano wiele nieznanych wcześniej gatunków i podjęto próby ich klasyfikacji. Zaczęto traktować śluzowce jako „pierwotniaki grzybopodobne”, ale przypominające też zwierzęta. Właściwie dopiero poczynając od lat sześćdziesiątych XX w. taksonomia eukariontów uporządkowała się na tyle, że śluzowce odnalazły swoje właściwe miejsce w obrębie drzewa życia.1

Do śluzowców w najszerszym sensie zalicza się kilka dość różnorodnych gałęzi Amoebozoa, ale skupmy się na śluzowcach właściwych, do których należy wielka grupa Myxogastria i siostrzany wobec niej rodzaj Ceratiomyxa (śluzek). Ich cechą charakterystyczną jest wytwarzanie plazmodium, zwanego też śluźnią (ryc. 1). Plazmodium jest komórczakiem, czyli pojedynczą, ale bardzo dużą komórką zawierającą liczne jądra. W zależności od gatunku śluzowca i wielkości plazmodium liczba jąder może wynosić od kilkudziesięciu do kilku milionów.

Wbrew temu, co można czasem przeczytać w niezbyt fachowych źródłach, plazmodium nie powstaje z połączenia wielu osobnych komórek. Przez część swojego cyklu życiowego śluzowce są jednokomórkowcami jednojądrowymi, zwykle haploidalnymi (o jednym komplecie chromosomów). Rozwijają się one z zarodników jako tzw. pływki, poruszające się za pomocą dwu wici, a w środowisku ubogim w wodę przekształcają się w typowe pełzaki (które zresztą mogą się stać na powrót „dwuwiciowcami”). W tym stadium komórki śluzowców mogą ulegać podziałom mitotycznym, tworząc wielkie kolonie. Należą do bardzo pospolitych mikroorganizmów glebowych.

Ryc. 2.

Żeby powstało plazmodium, pełzak diploidalny (zazwyczaj powstający w drodze płciowej jako zygota z połączenia dwóch pełzaków haploidalnych należących do różnych „płci”, czyli typów koniugacyjnych) musi przejść wiele cykli podziałów mitotycznych jądra, którym nie towarzyszy cytokineza (podział cytoplazmy między komórki potomne).2 Rozwijająca się w ten sposób wielojądrowa komórka odżywia się intensywnie, rosnąc szybko i osiągając – jak na amebę – rozmiary gigantyczne (nawet kilkuset centymetrów kwadratowych). Zdolna jest do skomplikowanych reakcji na bodźce środowiskowe. Znane są dobrze imponujące wyczyny śluzowców, np. umiejętność znalezienia i wykorzystania najkrótszej ścieżki w labiryncie. Plazmodium wędruje po podłożu za pomocą ruchomych wypustek (nibynóżek) i aktywnie poszukuje pożywienia, a następnie dogodnej lokalizacji, w której może się usadowić, aby wykonać swoją główną misję: wytworzenie zarodni. I tu śluzowce naprawdę popisują się kreatywnością, wytwarzając najrozmaitsze, często wręcz fantazyjne kształty i struktury produkujące zarodniki. Kilka charakterystycznych typów zarodni pokazują ryc. 2–4.

Ryc. 3.

Genomy śluzowców (wciąż słabo poznane) są różnej wielkości: mieszczą się w zakresie od ok. 20 mln do kilkuset milionów par zasad.3 Ponieważ wszystkie jądra plazmodium mają wspólne pochodzenie, zawarte w nich genomy są bliźniaczymi kopiami genomu zygoty, z której rozwinęła się śluźnia. W przypadku organizmu wielokomórkowego także każda komórka zawiera to samo DNA (z dokładnością do sporadycznych mutacji), ale w rozwijającym się organizmie geny ulegają zróżnicowanej i wybiórczej ekspresji w zależności od tego, gdzie zlokalizowana jest dana komórka. Dzięki precyzyjnej regulacji tego procesu powstają np. różne tkanki, plan budowy ciała i narządy wewnętrzne zwierząt.

Jednak w rozwijającym się plazmodium cytoplazma przepływa kanalikami tworzącymi się wewnątrz komórki, unosząc z sobą jądra – z prędkością, która może przekraczać 1 mm/s. Plazmodium pulsuje rytmicznie, a jego zawartość jest cały czas w ruchu. Pełznąc, plazmodium zmienia kształt, podobnie jak zwykłe ameby. Skąd śluzowiec wie, w którym miejscu ma wyrosnąć koronkowa struktura wytwarzająca i gromadząca zarodniki? Skoro cały jest jedną komórką, nie można określić jego położenia względem innych komórek.

Ryc. 4.

Okazuje się jednak, że śluzowiec radzi sobie w podobny sposób jak prawdziwe wielokomórkowce. Ekspresja genów w jądrach wypełniających całą objętość plazmodium także jest regulowana w zależności od lokalizacji przestrzennej i przebiega inaczej niż na etapie cyklu życiowego, gdy śluzowiec jest jednojądrowym „pierwotniakiem”. Jądra postaci plazmodialnej reagują na lokalne sygnały regulacyjne w różnych regionach śluźni (np. blisko brzegu plazmodium czy też po jego dolnej lub górnej stronie), dlatego metabolizm, produkcja białek, fale synchronizacji podziałów mitotycznych jąder albo decyzja, że w zarodniach na zajść mejoza i wytworzenie zarodników, zachodzą „w trzech wymiarach”. Plazmodium nie jest bezpostaciowym workiem cytoplazmy: wie, gdzie jest góra, a gdzie dół, na jakim podłożu się znajduje, z której strony dociera światło itp., i w zależności od tego wędrujące w jego wnętrzu jądra – maleńkie procesory niosące w sobie instrukcje genetyczne – robią to, co do nich należy w danej części komórki.

Niezależna ewolucja w kierunku złożoności strukturalnej przebiegała na różne sposoby (często konwergentnie, czyli zbieżnie) w różnych grupach organizmów. Istnieją Amoebozoa o cyklu życiowym podobnym do śluzowców właściwych, ale zamiast komórczakowatego plazmodium tworzące skupione „stado” poruszających się w zorganizowany sposób i komunikujących się z sobą odrębnych komórek. Gromadzą się one w odpowiedzi na sygnały feromonowe, a niektóre z nich (zależnie od lokalizacji w obrębie stada) różnicują się i stają się budulcem zarodni. Niezależnie od tych ameb kolonialnych (Dictyostelia) taki sam tryb życia rozwinęły prokarionty – bakterie śluzowe (Myxobacteria). Ewolucja wielokomórkowości u bakterii, różnicowanie się ich komórek w obrębie kolonii i wytwarzanie „owocników” produkujących spory (przetrwalniki) – to fakty, które mogą zaskakiwać, ale równie zaskakująca jest wielojądrowość śluzowców jako rozwiązanie alternatywne wobec wielokomórkowości – ze skutkiem najwyraźniej bardzo udanym, skoro śluzowce od co najmniej stu milionów lat nie widzą potrzeby, żeby coś zmieniać w swojej budowie i stylu życia.

Przypisy

1) Dawne intuicje nie były do końca mylne, bo Amoebozoa wraz ze zwierzętami, grzybami i kilkoma innymi, drobniejszymi grupami tworzą wspólnie wielki klad Amorphea, jedną z „supergrup”, na które podzieliły się eukarionty na początku swojej ewolucji.
2) Liczba typów koniugacyjnych u śluzowców może sięgać kilkuset, choć nie dorównują pod tym względem niektórym grzybom (podstawczakom). Trzeba dodać, że cykle życiowe wielu śluzowców mogą przebiegać w sposób nietypowy, z pominięciem etapów rozmnażania płciowego; pomijam tu jednak tego rodzaju komplikacje.
3) Są zatem znacznie mniejsze niż genom człowieka, zawierający ok. 3 mld par zasad. Jednak rozmiar to nie wszystko. U modelowego, dobrze zbadanego gatunku śluzowca Physarum polycephalum (maworka wielokształtnego), którego genom ma długość ok. 200 mln par zasad, szacowana liczba genów kodujących białka wynosi ok. 29 tys., czyli o połowę więcej niż u człowieka!

Opis ilustracji
(Autor: Piotr Gąsiorowski 2023, CC BY-SA 4.0).

Ryc. 1: (a) Młode plazmodium, (b) dojrzewające plazmodium, (c) pączkujące zarodnie i (d) grupa dojrzewających zarodni żałobni białonóżki (Diachea leucopodia).
Ryc. 2: Zarodnie paździorka (Stemonitis sp., prawdopodobnie S. fusca). Resztki pierwotnego plazmodium widoczne są jako błoniasta leżnia otaczająca grupy zarodni. Kolor zarodni tego gatunku zależy od ich wieku. Kiedy zaczynają wyrastać z plazmodium, są jaskrawo białe. W ciągu mniej więcj jednej doby, dojrzewając, stają się kolejno różowe, bordowe i wreszcie czekoladowe.
Ryc. 3: Nibyzrosłozarodnia (pseudoaethalium) gmatwianki krowieńca (Lindbladia tubulina). Liczne zarodnie tworzą ciasno skupioną masę, ale zachowują indywidualne ściany.
Ryc. 4: Zrosłozarodnia (aethalium) wykwitu piankowatego (Fuligo septica). Zarodnie okryte są wspólną ścianą i nie są widoczne jako osobne struktury. Błoniaste resztki plazmodium znaczą kierunek, z którego „superameba” przypełzła w miejsce, gdzie wytworzyła strukturę zarodnionośną.

Literatura

Badanie lokalnej aktywności transkrypcyjnej jąder w różnych regionach plazmodium: Gerber et al. 2022. https://elifesciences.org/articles/69745.

Eukarya (2): Od FECA do LECA, czyli seks i życie na sterydach

Pierwszy wpis z tej serii
Eukarya (1): Asgard, czyli o tym, jak życie przestało być proste

Wpis na temat pokrewny:
Fantastyczne zwierzęta i jak je znaleźć (5): Ediakar, czyli świat prototypów

Zapewne większość czytelników naszego bloga kojarzy akronim LUCA, oznaczający ostatniego wspólnego przodka wszystkich żyjących dziś organizmów (last universal common ancestor), co oczywiście nie oznacza, że LUCA był pierwszą żywą istotą na Ziemi. Właściwie z definicji wynika, że LUCA był ostatnim wspólnym przodkiem bakterii i archeowców, bo wszystko, co dotąd wiemy, wskazuje na to, że podział na te dwie grupy organizmów jest fundamentalny i dawniejszy niż jakikolwiek inny (pomijając kwestię pochodzenia i ewolucji najstarszych wirusów). Próby datowania LUCA metodą „zegara molekularnego” są w dużej mierze spekulatywne, ale zwykle dają wynik rzędu 3,5–4 mld lat. Następnie prokarionty (bakterie, archeowce i ewentualnie wymarłe boczne gałęzie drzewa życia pozostające poza tym podziałem) ewoluowały sobie nieśpiesznie, opanowując różne środowiska i nisze ekologiczne, ale niezbyt komplikując swoją budowę i tryb życia. Zresztą ich równie nieskomplikowani potomkowie istnieją nadal i aczkolwiek przykro nam o tym myśleć, to oni są najliczniej reprezentowanymi i najlepiej przystosowanymi mieszkańcami Ziemi.

Mniej więcej 2,5 mld lat temu cyjanobakterie wynalazły fotosyntezę opartą na cyklu Calvina–Bensona: zaprzęgły energię fotonów pochodzących ze Słońca do syntezy węglowodanów z powszechnie dostępnych prostych związków chemicznych: wody (H₂O) i dwutlenku węgla (CO₂). Ubocznym produktem fotosyntezy był wolny tlen (O₂), który spowodował utlenienie metanu (CH₄) w atmosferze i związków żelaza rozpuszczonych w oceanach. Podcięło to „bazę żywieniową” wielu mikroorganizmów. Jednocześnie, wskutek zubożenia atmosfery w gazy cieplarniane, cyjanobakterie doprowadziły do serii globalnych zlodowaceń następujących po sobie w ciągu ok. 200 mln lat. Choć koncentracja tlenu w atmosferze i w oceanie była znacznie niższa niż dzisiaj, dla wczesnych organizmów ziemskich był to gaz zabójczy. Większość z nich nie zdołała się zaadaptować do dramatycznie zmienionych warunków życia.

Wśród tych, którym zachodzące zmiany umożliwiły sukces ewolucyjny, były niektóre archeowce Asgardu, być może z grupy Heimdall. Już wcześniej wykształciły one cytoszkielet dzielący komórkę na funcjonalne przedziały oraz prawdopodobnie zaczątek jądra, w którym skupione było ich DNA, i stały się cudzożywne. Nawiązały też współpracę z alfaproteobakterią, kuzynką dzisiejszych riketsji, która wcześniej nauczyła się nie tylko żyć w warunkach tlenowych, ale także korzystać z tlenu, odwracając ewolucyjnie starszy cykl reakcji i zamieniając go w cykl Krebsa (pisze o tym dokładniej Marcin Czerwiński). Według jednego ze scenariuszy archeowiec nabył wcześnie zdolność do fagocytozy, czyli pobierania cząstek stałych (w tym drobniejszych od siebie mikroorganizmów) z otoczenia. Zamiast dać się strawić, zjedzona przezeń bakteria tlenowa została symbiontem wewnątrzkomórkowym, umożliwiając gospodarzowi skorzystanie ze swojego wynalazku. Biorąc jednak pod uwagę obserwacje nielicznych znanych bezpośrednio archeowców z grupy Loki, być może było inaczej: ścisła współpraca na zasadzie syntrofii (wzajemnego wspomagania się przy rozkładaniu związków chemicznych) uzależniła partnerów nawzajem od siebie i doprowadziła w końcu do endosymbiozy. Tak zaczęła się historia mitochondriów i oddychania tlenem.

Tu przyda się mała dygresja o skrótach. Często używa się akronimu LAECA (last archaeo-eukaryotic common ancestor) dla określenia rozwidlenia drzewa rodowego, od którego jedna z siostrzanych linii prowadzi do eukariontów, a druga – do niektórych archeowców Asgardu niebędących eukariontami. FECA (first eukaryotic common ancestor) oznacza punkt na drodze wiodącej do eukariontów, w którym moglibyśmy się z czystym sumieniem zgodzić, że mamy już do czynienia z prawdziwym eukariontem wyposażonym w charakterystyczne dla tej grupy cechy. Natomiast LECA (last eukaryotic common ancestor) oznacza protoplastę „grupy koronnej” eukariontów, czyli ostatniego wspólnego przodka wszystkich eukariontów żyjących dzisiaj (a są ich miliony gatunków, dzielonych na około dziewięciu supergrup; do tego trzeba dodać garść „drobnicy”, która nie pasuje do żadnej supergrupy).

Oczywiście FECA był starszy niż LECA; pytanie tylko o ile. Odpowiedź nie jest łatwa, bo uznanie danego przodka za FECA jest nieco arbitralne i zależy bardziej od gustu niż od obiektywnych kryteriów (podobnie byłoby z pytaniem np. o „pierwszego ssaka” lub „pierwszego ptaka”). Moim zdaniem najrozsądniej jest zaliczyć do eukariontów w szerokim sensie całą linię ewolucyjną, z której się wywodzą i od której nie pochodzą żadne inne współczesne archeowce. Wówczas LAECA i FECA oznaczają z grubsza to samo miejsce w schemacie drzewa rodowego. Według większości szacunków można je datować nieco ponad 2 mld lat temu, czyli wówczas, gdy biosfera dochodziła do siebie po długotrwałych skutkach wielkiej katastrofy tlenowej. Mimo ogromnych strat (redukcję różnorodności organizmów szacuje się na ponad 80%) był to czas sprzyjający eksperymentom ewolucyjnym.

Ryc. 1.

Nieco ponad miliard lat temu trafiamy w zapisie kopalnym na organizmy zdecydowanie eukariotyczne, a czasem nawet rozpoznawalne jako członkowie grup istniejących do dzisiaj. Przykładem jest Bangiomorpha pubescens (sprzed około 1,05 mld lat), krasnorost podobny do współczesnego rodzaju Bangia. Miał on budowę wielokomórkową i komórki zróżnicowane na co najmniej trzy typy. Ponadto wytwarzał dwa typy gamet (komórek rozrodczych), jest więc najstarszym znanym (choć z pewnością nie pierwszym) organizmem rozmnażającym się płciowo. Krasnorosty należą do supergrupy Archaeplastida, czyli roślin w najszerszym sensie. Zatem wykorzystanie przez przodków roślin cyjanobakterii endosymbiotycznych, przekształconych następnie w plastydy umożliwiające fotosyntezę, musiało nastąpić jeszcze wcześniej. Najstarszą kopalną rośliną w ściślejszym sensie jest zielenica Proterocladus sprzed miliarda lat. Obie te prarośliny żyły w płytkich, przybrzeżnych wodach morskich. Najstarsza skamieniałość grzyba (żyjącego na lądzie!), Ourasphaira giraldae, datowana jest na 1,01–0,89 mld lat temu. Dowodzi ona, że także supergrupa Amorphea, do której należą m.in. śluzowce, grzyby i zwierzęta, też zaczęła się różnicować ponad miliard lat temu.

Jedną z ważnych cech komórek eukariotycznych jest błona komórkowa, której kluczowymi składnikami są sterole, czteropierścieniowe związki organiczne należące do klasy steroidów (sterydów). Regulują one fizjologię błony i nadają jej plastyczność, umożliwiając powstawanie wszelkiego typu wypustek, wyrostków, kosmków i struktur umożliwiających lokomocję czy fagocytozę. Różne gałęzie ewolucyjne eukariontów faworyzują różne wariacje na temat steroli. Na przykład rośliny upodobały sobie stygmasterol, grzyby ergosterol, a zwierzęta cholesterol. U prokariontów podobną rolę odgrywają pięciopierścieniowe hopanole (niektóre bakterie potrafią syntetyzować sterole, ale wykorzystują je w innych zastosowaniach).

Z powyższych względów sterole stanowią „sygnaturę chemiczną” eukariontów. Jeśli widzimy ich ślady w obfitości, oznacza to, że „tu były eukarionty”. Ale czy taka sygnatura może przetrwać miliard lat? Może, ponieważ sterole tworzą własne chemiczne skamieniałości. Podczas fosylizacji zmieniają się w nasycone węglowodory zwane steranami (stygmastan, ergostan, cholestan), zachowując przy tym swoją pierwotną topologię, czyli strukturę pierścieni i przyłączonych do nich łańcuchów. Sterany są chemicznie trwałe i można je rozpoznać po dowolnie długim czasie. Dlatego właśnie wiadomo, że np. ediakarska Dickinsonia była zwierzęciem: w jej skamieniałościach odkryto cholestan, czyli skamieniały cholesterol.

Tak, jak należało się spodziewać, sterany występują w znacznych ilościach w skałach neoproterozoiku (ery, która zaczęła się miliard lat temu i po której 540 mln lat temu nastąpił paleozoik). Jest jednak pewien szkopuł: skamieniałości steroli stają się częste 800 mln lat temu. A co robiły eukarionty wcześniej, przez miliard lat z okładem? Skamieniałe ślady (co prawda nieliczne) jednokomórkowych organizmów wyglądających na eukarionty (choć niedających się zaliczyć do znanych jednostek taksonomicznych) występują w bardzo starych skałach (np. Tappania plana sprzed ponad 1,6 mld lat albo Shuiyousphaeridium macroreticulatum sprzed 1,8 mld lat). Brak było jednak dotąd biochemicznych znaczników potwierdzających ich tożsamość.

Ryc. 2.

Naukowcy z Australian National University (ANU) poszli tropem koncepcji sprzed 30 lat autorstwa noblisty Konrada Blocha (1912–2000). Bloch zajmował się biosyntezą cholesterolu i poświęcił jej swój wykład noblowski. Postawił w nim hipotezę, że proces syntezy steroli rozwijał się stopniowo i początkowo kończył się na pokrewnych związkach, protosterolach (takich jak lanosterol czy cykloartenol), występujących obecnie na pośrednich etapach syntezy produktu końcowego. Protosterole były mniej funkcjonalne, ale za to ich biosynteza była mniej kosztowna metabolicznie. Sterole na ostatnim etapie syntezy oznaczają dla komórki olbrzymi „rachunek za energię”, a ich produkcja wymaga środowiska bogatego w związki odżywcze i przede wszystkim w tlen. Dopiero jeśli te warunki są spełnione, zastąpienie protosteroli przez sterole zaczyna dawać znaczącą korzyść przystosowawczą, zwłaszcza w świecie narażonym na dramatyczne przekształcenia ekosystemów i premiującym odporność na zmiany środowiskowe. Ton (najstarszy okres neoproterozoiku), kiedy koncentracja tlenu w atmosferze i w wodach oceanicznych wzrosła dziesiątki, a może nawet setki razy, i następujący po nim kriogen, kolejny okres globalnych zlodowaceń, dostarczały rozmaitych nacisków selekcyjnych faworyzujących rozwój organizmów korzystających ze steroli.

Jak sprawdzić tę hipotezę? Badacze z ANU zsyntetyzowali protosterole i poddali je „fosylizacji” w warunkach laboratoryjnych, aby dokładnie ustalić, jak powinny wyglądać ich kopalne ślady, protosterany. Następnie zaczęli ich poszukiwać w skałach z dawnych epok geologicznych. Okazało się, że już w skałach australijskiej formacji Barney Creek (1,64 mld lat temu) występuje ponad 100 pochodnych protosteroli. Można je znaleźć przez cały mezoproterozoik (1,6–1 mld lat temu), natomiast w neoproterozoiku ich obfitość spada. Pojawiła się zatem koncepcja „bioty protosterolowej”, złożonej z prymitywnych eukariontów, które prawdopodobnie żyły głównie w głębszych wodach oceanów, ubogich w tlen, i produkowały protosterole tanim kosztem. U schyłku mezoproterozoiku w płytkich wodach i na lądach wyewoluowało potomstwo LECA – eukarionty nowego typu, syntetyzujące sterole, łakome na tlen, a przy tym plastyczne ewolucyjnie i o dużym potencjale kolonizacyjnym. Zaczęły one wypierać swoich pierwotniejszych kuzynów. Dzięki nowej fali rozwoju organizmów fotosyntetyzujących – tym razem także protoplastów roślin – nadprodukcja tlenu spowodowała jego koncentrację w atmosferze na poziomie zbliżonym do 20% i natlenienie wód oceanicznych, przynajmniej blisko powierzchni. „Życie na sterydach” stało się wówczas w pełni opłacalne, a jedną z konsekwencji tego faktu było pojawienie się pierwszych zwierząt.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Roboczy schemat drzewa rodowego eukariontów wg w miarę aktualnego stanu wiedzy (wciąż uzupełnianego). Tradycyjne „królestwa” zagnieżdżone są dość głęboko w niektórych supergrupach, np. grzyby i zwierzęta należą do kladu Opisthokonta w obrębie supergrupy Amorphea, a rośliny zielone stanowią klad Chloroplastida wewnątrz supergrupy Archaeplastida. Źródło: Burki et. al. 2020 (licencja CC-BY).
Ryc. 2. Artystyczna wizja bioty protosterolowej ze środkowego proterozoiku. Grafika: Orchestrated in MidJourney by TA 2023. Źródło: Australian National University (licencja CC-BY).

Literatura

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06170-w
https://science.anu.edu.au/news-events/news/scientists-discover-lost-world-early-ancestors-billion-year-old-rocks
https://www.nationalgeographic.com/premium/article/lost-world-reveals-new-chapter-in-evolution-of-life
https://www.sci.news/paleontology/protosterol-biota-11987.html