Tým z Texaské univerzity v Austinu genom po genomu odvodil metabolické vlastnosti a možná stanoviště archeí příbuzných s linií, která nakonec dala vzniknout rostlinám, živočichům a houbám. Překvapení: zdá se, že ty, které mají nejblíže k eukaryotům, žijí v prostředí, kde je alespoň občas přítomen kyslík.
Po desetiletí bylo jednou z velkých otázek evoluční biologie, jak vznikly složité buňky z jednodušších forem života. Jedna z nejrozšířenějších hypotéz tvrdí, že vše začalo důvěrným spojenectvím dvou mikrobů: archeonu (ze skupiny Asgard) a bakterie, z níž se nakonec stal mitochondrion, buněčná „elektrárna“. Tato symbióza měla dát vzniknout společnému předkovi všech eukaryot, poslednímu společnému eukaryotickému předkovi (LECA).
Problémem bylo prostředí. Mnoho prací umisťovalo tyto předky do prostředí chudého na kyslík, podobného hlubokomořskému dnu, kde bylo nalezeno mnoho dnešních asgard archeí. Klasický obraz představoval svět, v němž převládali mikrobi žijící bez kyslíku, v anoxických podmínkách, kde hlavní „energetickou měnou“ byl vodík a další redukované sloučeniny.
Nový výzkum vedený mořským biologem Brettem Bakerem a jeho týmem však ukazuje jiným směrem: nejbližší příbuzní eukaryot jsou spojeni s pobřežními sedimenty a mořskými oblastmi s proměnlivým obsahem kyslíku a mají metabolické dráhy kompatibilní s využitím kyslíku. To znamená, že by se nejednalo o striktně anaerobní organismy, ale o mikroby schopné pohybovat se na hranici mezi kyslíkovým a bezkyslíkovým světem.
Úplnější rodokmen mikrobů
Klíčem k průlomu je masivní úsilí o sekvenování a analýzu genomu z mořských sedimentů. Tým sestavil stovky genomů rekonstruovaných z environmentální DNA, tzv. genomů sestavených z metagenomů (MAG). V praxi to znamená vzít veškerou DNA přítomnou ve vzorku sedimentu, sekvenovat ji a pomocí bioinformatických algoritmů dát dohromady, které fragmenty patří kterému organismu.
Tento přístup umožnil významně rozšířit dostupný katalog Asgard, a zejména skupiny zvané Heimdallarchaeia, kterou několik důkazů řadí velmi blízko k větvi vedoucí k eukaryotům. Již předchozí studie ukazovaly tímto směrem, ale nová práce přidává mnoho dalších dílků do skládačky a posiluje pozici Heimdallarchaeia jako kandidáta na velmi blízkého „bratrance“ naší buněčné linie.
Podle studie nám tento větší počet vzorků umožňuje lépe pochopit, kde tato archea žijí, s jakými dalšími mikrobiálními společenstvy koexistují a jaké biochemické nástroje uchovávají. V tomto soupisu se objevují součásti dýchacích řetězců a enzymy spojené s procesy zahrnujícími kyslík, což zpochybňuje scénář striktní anoxie. Zjištěny jsou také geny související s detoxikací reaktivních forem kyslíku, což naznačuje, že tito mikrobi jsou nejen tolerantní vůči kyslíku, ale mají vyvinuté mechanismy, jak se vypořádat s jeho škodlivými účinky.
V praxi práce naznačuje, že vznik složitého života mohl být spojen s dynamičtějším prostředím, než se dosud předpokládalo: mělkými ekosystémy, kde kyslík stoupá a klesá a kde různé mikroorganismy soupeří a spolupracují na nepatrných, ale rozhodujících škálách. Oblasti, jako jsou pobřežní sedimenty, ústí řek nebo kontinentální šelfy, kde proudy, příliv a odliv a sluneční světlo vytvářejí ostré chemické gradienty, tomuto novému scénáři dobře odpovídají.
Tato „proměnlivá kyslíková“ prostředí by nabízela přirozenou laboratoř pro evoluční experimenty: niky, kde by archeon schopný žít s malým množstvím kyslíku, ale také ho využít, když je k dispozici, mohl mít velký prospěch ze spojení s bakterií specializovanou na aerobní dýchání.
Kdo jsou asgard archea a proč jsou důležité?
Asgard archea jsou v historii mikrobiologie relativně novou skupinou. Poprvé byly popsány v polovině roku 2010, a to ze vzorků hlubokomořských sedimentů. Jejich název odkazuje na severskou mytologii (Lokiarchaeia, Thorarchaeia, Odinarchaeia, Heimdallarchaeia…) a naráží na jejich roli „strážců“ počátků složitého života.
Jejich výjimečnost spočívá v tom, že jejich genomy obsahují řadu genů podobných genům eukaryot, zejména genů podílejících se na organizaci cytoskeletu, membránového obchodu a regulaci genové exprese. Tyto geny, známé jakoeukaryotické signální proteiny (ESP), byly dlouho považovány za výlučné pro komplexní buňky.
Objev posílil myšlenku, že eukaryota nevznikla z ničeho, ale vyvinula se z již poměrně sofistikovaného archeonu s určitou schopností remodelovat svou membránu, tvořit výběžky a navazovat intimní kontakty s jinými mikroby. V roce 2019 umožnila izolace a kultivace asgard archea (Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum) přímé pozorování buněk se složitými membránovými výběžky, což poskytlo těmto hypotézám vizuální podporu.
V této souvislosti se pochopení toho, kde jednotlivé větve Asgardu žijí a jak získávají energii, stalo klíčovým prvkem při rekonstrukci původu eukaryot. Nová studie Bakera a kol. je součástí tohoto úsilí: nejenže rozšiřuje rodokmen, ale také přidává ekologické a metabolické informace, které byly dosud velmi kusé.
Úloha kyslíku na měnící se planetě
Abychom si toto zjištění přiblížili, je třeba si uvědomit, že raná Země se od té dnešní velmi lišila. Po většinu její historie neobsahovala atmosféra téměř žádný volný kyslík. Teprve činnost fotosyntetizujících mikrobů, zejména sinic, začala uvolňovat kyslík jako odpadní produkt, což vyvolalo tzv. velkou oxidační událost, k níž došlo přibližně před 2,4 miliardami let.
Tento nárůst kyslíku však nebyl ani rovnoměrný, ani okamžitý. Po stovky milionů let se na planetě vyskytovaly „kyslíkové skvrny“: povrchové oblasti bohaté na kyslík překrývaly hluboké oceány chudé na kyslík. V této chemické mozaice se organismy musely přizpůsobit velmi proměnlivým podmínkám.
Tradiční názor kladl vznik eukaryot do převážně anoxických prostředí, kde převládalo dýchání s nedostatkem kyslíku a výměna vodíku mezi mikroby. Nová práce přináší důležitou nuanci: archeická linie, která dala vzniknout eukaryotům, mohla vzniknout v prostředí, kde již kyslík hrál roli, i když nebyl na celé planetě hojný.
To zapadá do dalších geologických a geochemických studií, které poukazují na existenci „kyslíkových oáz“ v mělkých mořích před plošným rozšířením kyslíku. V takových oázách by kombinace světla, živin a chemických gradientů podporovala vysokou mikrobiální rozmanitost a s ní i příležitosti pro nové formy symbiózy.
Co se tímto zjištěním mění
Tento nález nerozporuje myšlenku symbiózy, která dala vzniknout mitochondriím; spíše upravuje ekologický a energetický kontext, v němž mohlo být takové spojenectví výhodné.
Pokud archeánský předek, z něhož pocházíme, již měl určité zkušenosti s kyslíkem, získává skok k buňce s mitochondriemi jiný význam. Dostupnost kyslíku by byla faktorem, který mohl být hnacím motorem biologických inovací. V prostředí, kde kyslík přichází a odchází, by existence přidružené bakterie schopné jej účinně využívat k výrobě energie byla obrovskou výhodou.
Sami autoři navrhují aktualizovaný model, podle kterého mohly u tohoto společného předka koexistovat aerobní dýchání a produkce vodíku, což vykresluje obraz smíšeného metabolismu na planetě, která v té době zdaleka nebyla rovnoměrně okysličená. V tomto modelu by si archa zachovala metabolické dráhy typické pro prostředí s nedostatkem kyslíku, zatímco symbiotické bakterie by poskytly specializovanější dýchací aparaturu pro využití kyslíku, když by byl k dispozici.
Tento druh „flexibilního“ metabolismu není v dnešním mikrobiálním světě neobvyklý: mnoho mikroorganismů může přepínat mezi aerobním a anaerobním dýcháním v závislosti na podmínkách prostředí. Novinkou je myšlenka, že taková flexibilita mohla být klíčovou složkou při vzniku složitého života a usnadnit přechod k buňkám s vnitřními oddíly (organelami) a složitější organizací.
Skutečnost, že se archea nejblíže eukaryotům objevují v pobřežních sedimentech a oblastech s proměnlivým obsahem kyslíku, navíc naznačuje, že okraje mezi prostředími – ekologické hranice – mohly být privilegovaným prostředím pro evoluční inovace. Nebyly by to ani tak stabilní propastné hloubky, ale přechodné, proměnlivé oblasti, které by poskytly živnou půdu pro vznik prvních složitých buněk.
Skládačka, která se skládá dohromady
Nová studie doplňuje řadu studií, které v posledních letech upřesňují příběh vzniku eukaryot. Na jedné straně fylogenomické analýzy – masivní porovnávání genů mezi tisíci druhy – posílily myšlenku, že eukaryota vznikla ze symbiózy mezi asgards archea a bakterií příbuznou alfa-proteobakteriím, tedy skupinou, kde se dnes nachází mnoho příbuzných mitochondrií.
Na druhou stranu laboratorní kultivace některých asgard archeí odhalila buněčné znaky, které byly dříve pouze tušeny z genů: membránová rozšíření, složité vnitřní struktury a velkou schopnost navazovat závislé vztahy s jinými mikroby. To odpovídá scénáři, podle kterého by fyzická blízkost mezi archei a bakteriemi byla nezbytným předchůdcem symbiotické integrace, která dala vzniknout mitochondriím.
Práce Bakera a jeho týmu nyní přidává ekologickou část: kde a za jakých podmínek mohlo k této integraci dojít. Umístěním nejbližších příbuzných eukaryot do prostředí s proměnlivým obsahem kyslíku poskytuje studie konkrétnější rámec pro budoucí výzkum v terénu i v laboratoři.
Omezení a další kroky
Jak už to ve vědě často bývá, studie neuzavírá diskusi. Rekonstruované genomy umožňují formulovat konkrétnější hypotézy, ale výzvou zůstává přímé pozorování toho, jak se tato archea chovají ve svém prostředí, jak interagují se sousedními bakteriemi a jaké přesně podmínky podporují dlouhodobé symbiotické vztahy.
První omezení je vlastní samotné metodě: MAG jsou získávány ze složitých směsí environmentální DNA, a přestože jsou současné techniky velmi sofistikované, při rekonstrukci genomu vždy existuje určitá míra chyby. Navíc existence genu nezaručuje, že je exprimován nebo že je příslušná metabolická dráha aktivní v přírodních podmínkách.
Proto bude jednou z velkých výzev pro nadcházející roky izolovat a kultivovat více asgard archeí, zejména ze skupin nejbližších eukaryotům, jako je Heimdallarchaeia. To by nám umožnilo přímo měřit jejich metabolismus, detailně pozorovat jejich morfologii a v laboratoři rekonstruovat možné symbiotické interakce s bakteriemi.
Dalším směrem práce bude kombinace těchto mikrobiologických dat s geologickými a geochemickými záznamy, které rekonstruují, jak vypadaly oceány a atmosféra v dobách klíčových pro vznik eukaryot. Integrace obou měřítek – měřítka mikrobů a měřítka planety – je zásadní pro pochopení toho, proč složitý život vznikl tehdy, a ne dříve nebo později.
Souběžně s tím se budou nadále dolaďovat teoretické modely evoluce buněčné složitosti. Debata o tom, zda byla mitochondriální symbióza hlavním spouštěčem eukaryotické složitosti, nebo jen dalším dílem postupného procesu, zůstává otevřená. Navrhovaný nový scénář, kdy se archea již adaptovala na okysličené prostředí, by mohl vychýlit rovnováhu směrem k modelům, v nichž symbióza nevytváří složitost od nuly, ale zesiluje ji a upevňuje.
Proč nás pochopení tohoto původu ovlivňuje
Může se to zdát jako čistě akademická otázka, ale pochopení toho, jak vznikl složitý život, má důsledky daleko přesahující evoluční biologii. Na jedné straně pomáhá lépe interpretovat historii naší vlastní planety: jak se proměnily oceány a atmosféra a jak tyto změny otevřely dveře stále rozmanitějším ekosystémům.
Na druhé straně nabízí vodítka, kde a jak bychom mohli najít složitý život na jiných světech. Pokud přechod k eukaryotickým buňkám vyžaduje prostředí s proměnlivým obsahem kyslíku, výraznými chemickými gradienty a dlouhou historií symbiotických interakcí, pak by exoplanety, které vykazují známky přechodné atmosféry – ani plně anoxické, ani plně okysličené – mohly být obzvláště zajímavými kandidáty.
V neposlední řadě nám takové studie připomínají, že biologická složitost nevznikla podle předem daného plánu, ale na základě dlouhé řady evolučních experimentů, z nichž mnohé se týkaly pouhým okem neviditelných mikrobů. Pochopení těchto drobných archeí, které obývají mořské sedimenty a pobřežní oblasti, je také cestou k pochopení toho, odkud jsme přišli a proč je život na Zemi takový, jaký je.
Skládačka není zdaleka kompletní, ale každý nový genom, každá nová identifikovaná archea a každý klíč k jejich metabolismu přidává další kousek. A s nimi i stále jasnější obraz toho, jak na mikrobiální planetě nakonec vznikly lesy, zvířata, houby a nakonec i my.