Podivné buňky, které možná daly vzniknout všemu složitému životu

Zdroj úvodního obrázku: Nano Banana Pro

V tmavém bahně hlubokých oceánů žijí nenápadní mikrobi, kteří mohou držet klíč k jednomu z největších tajemství biologie: jak vznikly buňky, z nichž se později vyvinuly rostliny, živočichové i lidé. Takzvaná asgardská archea jsou sice mikroskopická a primitivní, ale jejich genetická výbava překvapivě připomíná naše vlastní buňky. Vědci dnes vážně zvažují, že právě ona stála na počátku složitého života na Zemi.

Archea: opomíjená větev života

Nejstarší známé formy života na Zemi jsou jednobuněčné. Patří do dvou hlavních domén: bakterie a archea. Zatímco bakterie zná veřejnost poměrně dobře, archea zůstávala dlouho stranou zájmu. Přitom jde o samostatnou a velmi starobylou skupinu mikroorganismů, která se od bakterií zásadně liší, zejména na úrovni DNA a buněčné chemie.

Třetí doména života, eukaryota, vznikla až později. Patří sem všechny organismy s buňkami, které mají jádro, tedy rostliny, houby, živočichové i člověk. Právě původ těchto buněk patřil desítky let k největším záhadám evoluční biologie.

Tradiční modely stromu života rozdělují organismy do tří domén: bakterie, archea a eukaryota (nahoře). Pokud se však potvrdí teorie o asgardských archeích, mohl by být strom života přeuspořádán do dvoudoménového modelu, v němž by se eukaryota oddělila jako větev vycházející z archeí. (F. Macleod et al/AIMS Microbiology 2019, adapted by B. Price)

Proč jsou eukaryotické buňky tak výjimečné

Eukaryotické buňky jsou výrazně větší a složitější než buňky bakterií a archeí. Mají buněčné jádro, kde je uložena DNA, a většinou také mitochondrie, malé energetické továrny buňky. Tyto vlastnosti umožnily vznik mnohobuněčných organismů s různými typy tkání.

Rozdíl mezi eukaryoty a ostatními formami života je natolik zásadní, že jej někteří biologové označili za největší evoluční skok, jaký dnes v přírodě pozorujeme. Dlouho se zdálo, že vznik eukaryot byl extrémně nepravděpodobnou a jedinečnou náhodou.

Objev, který změnil pohled na evoluci

Zlom přišel po roce 2008, kdy byly v oblasti hydrotermálních průduchů Lokiho hrad na dně Severního ledového oceánu odebrány vzorky sedimentů. Analýza DNA z těchto vzorků odhalila dosud neznámou skupinu archeí, později nazvanou Lokiarchaeota.

V roce 2015 vědci ukázali, že tyto mikroorganismy jsou geneticky nejbližšími známými příbuznými eukaryot. Jejich genom obsahoval geny, které byly dříve považovány za typické výhradně pro eukaryotické buňky. Tento objev odstartoval doslova explozi výzkumu a vznikl nový pojem: asgardská archea, pojmenovaná podle světa severských bohů.

Asgardská archea jako chybějící článek

Asgardská archea jsou extrémně stará, jejich linie může sahat až tři miliardy let do minulosti. Žijí většinou v prostředí bez kyslíku a vedou pomalý život. Přesto jejich genetická výbava naznačuje, že už dávno disponovala nástroji, které byly důležité pro vznik složitějších buněk.

Některé jejich geny souvisejí s tvarováním buněčné membrány. U eukaryot tyto mechanismy umožňují například pohlcování jiných buněk. Právě to je klíčové pro teorii endosymbiózy, podle níž vznikly mitochondrie z původně samostatných bakterií, které se usadily uvnitř jiné buňky.

Buňka s chapadly

Dlouho znali vědci asgardská archea jen z genetických dat. Průlom nastal, když se japonskému mikrobiologovi Hirojukimu Imačimu podařilo po letech trpělivé práce jedno z nich skutečně vypěstovat v laboratoři. Druh dostal jméno Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum.

Pod mikroskopem šlo o malé kulaté buňky bez jádra, ale s nápadnými dlouhými výběžky, které připomínaly chapadla. Tyto struktury zřejmě slouží k těsnému kontaktu s partnerskými mikroorganismy. Prometheoarchaeum totiž nedokáže žít samo a je odkázáno na symbiózu s jinými archei.

Nový scénář vzniku složité buňky

Na základě těchto pozorování vědci navrhli nový model vzniku eukaryot. Podle něj asgardské archeum nepohltilo bakterii aktivně, ale postupně ji obklopilo svými výběžky. Časem se vztah stal natolik těsným, že bakterie byla zcela uzavřena uvnitř hostitele a přeměnila se v mitochondrii.

Tento scénář se mnohým badatelům zdá realističtější než představa plně vyvinutého pohlcování, které známe z dnešních eukaryotických buněk.

Mají asgardská archea jádro

Jedna z největších otevřených otázek zní, zda některá asgardská archea už mají vnitřní struktury podobné buněčnému jádru. Zatímco některé studie naznačují oddělení DNA od míst, kde se tvoří bílkoviny, jiné výzkumy to zpochybňují.

Některá nově popsaná asgardská archea jsou navíc mnohem větší a jejich DNA je soustředěna do jedné oblasti buňky. Podle části vědců by mohlo jít o velmi raný náznak vzniku buněčného jádra, jiní zůstávají opatrní.

Co to znamená pro život ve vesmíru

Pokud se ukáže, že vznik eukaryot nebyl jedinečnou náhodou, ale výsledkem postupného vývoje u celé skupiny archeí, má to zásadní důsledky. Složitý život by mohl vznikat snáze, než se dříve myslelo.

To by znamenalo, že na planetách podobných Zemi, které existují miliardy let, nemusí být život omezen jen na jednoduché jednobuněčné formy. Mohly by tam vzniknout i složité organismy, možná dokonce bytosti schopné klást si otázky o svém původu, podobně jako my dnes zkoumáme asgardská archea v temných hlubinách oceánů.