Bentuk kehidupan apa yang paling stabil dan kuat di dunia kita? Kecoak terkenal dengan vitalitasnya - banyak orang yakin bahwa mereka bahkan bisa selamat dari kiamat nuklir. Tardigrades, atau beruang air, bahkan lebih tangguh. Mereka bahkan bisa bertahan hidup di luar angkasa. Ada satu ganggang yang hidup di mata air asam mendidih di Taman Nasional Yellowstone. Di sekitarnya ada air kaustik, dibumbui dengan arsenik dan logam berat. Untuk tetap hidup di tempat mematikan ini, dia menggunakan trik yang tidak terduga.
Apa rahasianya? Pencurian. Dia mencuri gen untuk bertahan hidup dari bentuk kehidupan lain. Dan taktik ini jauh lebih umum daripada yang orang kira.
Kebanyakan makhluk hidup yang hidup di tempat ekstrim adalah organisme bersel tunggal - bakteri atau archaea. Bentuk kehidupan yang sederhana dan purba ini tidak memiliki biologi hewan yang kompleks, tetapi kesederhanaannya merupakan keuntungan: mereka dapat mengatasi kondisi ekstrim dengan lebih baik.
Selama miliaran tahun, mereka bersembunyi di tempat yang paling tidak ramah - jauh di bawah tanah, di dasar laut, di lapisan es atau di mata air panas yang mendidih. Mereka telah menempuh perjalanan panjang, mengembangkan gen mereka selama jutaan atau milyaran tahun, dan sekarang mereka membantu mereka mengatasi hampir semua hal.
Tapi bagaimana jika makhluk lain yang lebih kompleks bisa datang begitu saja dan mencuri gen itu? Mereka akan mencapai prestasi evolusioner. Dalam satu gerakan, mereka akan memperoleh genetika yang memungkinkan mereka bertahan hidup di tempat-tempat ekstrem. Mereka akan sampai di sana tanpa melalui jutaan tahun evolusi yang membosankan dan sulit yang biasanya diperlukan untuk mengembangkan kemampuan ini.
Inilah yang dilakukan alga merah Galdieria sulphuraria. Ini dapat ditemukan di mata air belerang panas di Italia, Rusia, Taman Yellowstone di Amerika Serikat dan Islandia.
Video promosi:
Suhu di mata air panas ini naik hingga 56 derajat Celcius. Sementara beberapa bakteri dapat hidup di kolam pada suhu sekitar 100 derajat, dan beberapa dapat mengatasi suhu sekitar 110 derajat, dekat dengan mata air laut dalam, sangat luar biasa bahwa eukariota adalah sekelompok bentuk kehidupan yang lebih kompleks yang mencakup hewan dan tumbuhan (ganggang merah - tanaman ini) - dapat hidup pada suhu 56 derajat.
Kebanyakan tumbuhan dan hewan tidak akan mampu menangani suhu ini, dan untuk alasan yang bagus. Panas menyebabkan kerusakan ikatan kimia di dalam protein, yang menyebabkan keruntuhannya. Ini memiliki efek bencana pada enzim yang mengkatalisasi reaksi kimia tubuh. Selaput yang mengelilingi sel mulai bocor. Setelah mencapai suhu tertentu, membran runtuh dan sel hancur.
Yang lebih mengesankan, bagaimanapun, adalah kemampuan alga untuk mentolerir lingkungan asam. Beberapa mata air panas memiliki nilai pH antara 0 dan 1. Ion hidrogen bermuatan positif, juga dikenal sebagai proton, membuat zat menjadi asam. Proton bermuatan ini mengganggu protein dan enzim di dalam sel, mengganggu reaksi kimia yang penting bagi kehidupan.
Suhu di mata air panas ini naik hingga 56 derajat Celcius. Sementara beberapa bakteri dapat hidup di kolam pada suhu sekitar 100 derajat, dan beberapa dapat mengatasi suhu sekitar 110 derajat, dekat dengan mata air laut dalam, sangat luar biasa bahwa eukariota adalah sekelompok bentuk kehidupan yang lebih kompleks yang mencakup hewan dan tumbuhan (ganggang merah - tanaman ini) - dapat hidup pada suhu 56 derajat.
Kebanyakan tumbuhan dan hewan tidak akan mampu menangani suhu ini, dan untuk alasan yang bagus. Panas menyebabkan kerusakan ikatan kimia di dalam protein, yang menyebabkan keruntuhannya. Ini memiliki efek bencana pada enzim yang mengkatalisasi reaksi kimia tubuh. Selaput yang mengelilingi sel mulai bocor. Setelah mencapai suhu tertentu, membran runtuh dan sel hancur.
Yang lebih mengesankan, bagaimanapun, adalah kemampuan alga untuk mentolerir lingkungan asam. Beberapa mata air panas memiliki nilai pH antara 0 dan 1. Ion hidrogen bermuatan positif, juga dikenal sebagai proton, membuat zat menjadi asam. Proton bermuatan ini mengganggu protein dan enzim di dalam sel, mengganggu reaksi kimia yang penting bagi kehidupan.
Fenomena transfer gen ini dikenal sebagai "transfer gen horizontal". Biasanya, gen bentuk kehidupan diwarisi dari orang tua. Pada manusia, hal ini persis terjadi: Anda dapat melacak karakteristik Anda di sepanjang cabang pohon keluarga Anda hingga orang pertama.
Namun demikian, ternyata sekarang dan kemudian gen "alien" dari spesies yang sama sekali berbeda dapat dimasukkan ke dalam DNA. Proses ini biasa terjadi pada bakteri. Beberapa orang berpendapat bahwa ini terjadi bahkan pada manusia, meskipun masih diperdebatkan.
Ketika DNA orang lain memperoleh pemilik baru, itu tidak harus diam saja. Sebagai gantinya, dia bisa mulai mengerjakan biologi inang, mendorongnya untuk membuat protein baru. Ini dapat memberi pemilik keterampilan baru dan memungkinkannya bertahan dalam situasi baru. Organisme inang dapat memulai jalur evolusi yang sama sekali baru.
Secara total, Schoinknecht mengidentifikasi 75 gen yang dicuri dari rumput laut, yang dipinjam dari bakteri atau archaea. Tidak semua gen memberi alga keuntungan evolusioner yang jelas, dan fungsi pasti dari banyak gen tidak diketahui. Tetapi banyak dari mereka membantu Galdieria bertahan hidup di lingkungan yang ekstrim.
Kemampuannya untuk menangani bahan kimia beracun seperti merkuri dan arsen berasal dari gen yang dipinjam dari bakteri.
Salah satu gen ini bertanggung jawab atas "pompa arsenik" yang memungkinkan alga secara efektif menghilangkan arsenik dari sel. Gen lain yang dicuri, antara lain, memungkinkan alga melepaskan logam beracun saat mengekstraksi logam penting dari lingkungan. Gen lain yang dicuri mengontrol enzim yang memungkinkan alga mendetoksifikasi logam seperti merkuri.
Alga juga telah mencuri gen yang memungkinkan mereka menahan konsentrasi garam yang tinggi. Dalam keadaan normal, lingkungan garam akan menyedot air keluar dari sel dan membunuhnya. Tetapi dengan mensintesis senyawa di dalam sel untuk menyamakan "tekanan osmotik", Galdieria menghindari nasib ini.
Kemampuan Galdieria untuk mentolerir mata air panas yang sangat asam diyakini karena sifatnya yang impermeabilitas terhadap proton. Dengan kata lain, dia mungkin hanya mencegah asam memasuki selnya. Untuk melakukan ini, ini hanya memasukkan lebih sedikit gen yang mengkode saluran di membran sel yang biasanya dilewati proton. Saluran ini biasanya memungkinkan partikel bermuatan positif, seperti kalium, untuk melewatinya, yang dibutuhkan sel, tetapi juga memungkinkan proton melewatinya.
"Adaptasi ke pH rendah tampaknya telah dilakukan dengan menghilangkan protein transpor membran dari membran plasma yang memungkinkan proton memasuki sel," kata Scheunknecht. “Kebanyakan eukariota memiliki banyak saluran kalium di membran plasma mereka, tetapi Galdieria hanya memiliki satu gen yang mengkode saluran kalium. Saluran yang lebih sempit memungkinkan Anda mengatasi keasaman tinggi."
Meskipun demikian, saluran kalium ini melakukan pekerjaan penting, mereka mengambil kalium atau mempertahankan perbedaan potensial antara sel dan lingkungannya. Bagaimana alga tetap sehat tanpa saluran kalium masih belum jelas.
Juga, tidak ada yang tahu bagaimana alga mengatasi panas tinggi. Para ilmuwan tidak dapat mengidentifikasi gen yang akan menjelaskan ciri khusus biologinya ini.
Bakteri dan archaea, yang dapat hidup pada suhu yang sangat tinggi, memiliki jenis protein dan membran yang sama sekali berbeda, tetapi alga telah mengalami perubahan yang lebih halus, kata Scheunknecht. Dia menduga bahwa itu mengubah metabolisme lipid membran pada peningkatan suhu yang berbeda, tetapi belum tahu persis bagaimana ini terjadi dan bagaimana memungkinkannya beradaptasi dengan panas.
Jelas bahwa menyalin gen memberi Galdieria keuntungan evolusioner yang sangat besar. Sementara sebagian besar alga merah uniseluler yang terkait dengan G. sulphuraria hidup di daerah vulkanik dan mengatasi panas dan asam sedang, beberapa kerabatnya dapat menahan panas, asam dan toksisitas sebanyak G. sulphuraria. Faktanya, di beberapa tempat, spesies ini menyumbang hingga 80-90% kehidupan - ini menunjukkan betapa sulitnya bagi orang lain untuk menyebut rumah G. sulphuraria sebagai miliknya.
Masih ada satu pertanyaan yang lebih jelas dan menarik: bagaimana alga mencuri begitu banyak gen?
Alga ini hidup di lingkungan yang banyak mengandung bakteri dan archaea, sehingga bisa dikatakan memiliki kemampuan untuk mencuri gen. Tetapi para ilmuwan tidak tahu persis bagaimana DNA melompat dari bakteri ke organisme yang berbeda. Untuk berhasil mencapai inang, DNA pertama-tama harus masuk ke dalam sel, dan kemudian ke inti - dan baru kemudian bergabung dengan genom inang.
“Dugaan terbaik saat ini adalah bahwa virus dapat mentransfer materi genetik dari bakteri dan archaea ke alga. Tapi ini murni spekulasi,”kata Scheinknecht. “Mungkin masuk ke kandang adalah langkah tersulit. Begitu berada di dalam sel, masuk ke nukleus dan berintegrasi ke dalam genom mungkin tidak sesulit itu.
Transfer gen horizontal sering terjadi pada bakteri. Inilah mengapa kami mengalami masalah dengan resistensi antibiotik. Begitu gen resisten muncul, ia menyebar dengan cepat di antara bakteri. Namun, diyakini bahwa pertukaran gen lebih jarang terjadi pada organisme yang lebih maju daripada pada eukariota. Diyakini bahwa bakteri memiliki sistem khusus yang memungkinkan mereka menerima asam nukleat, seperti eukariota tidak.
Namun, contoh lain dari makhluk maju yang mencuri gen untuk bertahan hidup dalam kondisi ekstrim telah ditemukan. Spesies ganggang salju Chloromonas brevispina, yang hidup di salju dan es Antartika, membawa gen yang mungkin diambil dari bakteri, archaea, atau bahkan jamur.
Kristal es yang tajam dapat menembus dan melubangi membran sel, sehingga makhluk yang hidup di iklim dingin harus menemukan cara untuk melawannya. Salah satu caranya adalah menghasilkan protein pengikat es (IBP), yang disekresikan dalam sel yang menempel pada es, menghentikan pertumbuhan kristal es.
James Raymond dari University of Nevada di Las Vegas memetakan genom alga salju dan menemukan bahwa gen untuk protein pengikat es sangat mirip pada bakteri, archaea, dan jamur, menunjukkan bahwa mereka semua bertukar kemampuan untuk bertahan dalam kondisi dingin selama horizontal. transfer gen.
“Gen-gen ini penting untuk kelangsungan hidup karena mereka telah ditemukan di setiap alga yang tahan dingin dan tidak ada dalam kondisi hangat,” kata Raymond.
Ada beberapa contoh lain dari transfer gen horizontal pada eukariota. Krustasea kecil yang hidup di es laut Antartika tampaknya telah memperoleh keterampilan ini juga. Longipes Stephos ini dapat hidup di saluran garam cair di dalam es.
“Pengukuran lapangan telah menunjukkan bahwa C. longipes hidup dalam air asin yang sangat dingin pada lapisan permukaan es,” kata Rainer Kiko, seorang ilmuwan di Institut Ekologi Kutub di Universitas Kiel di Jerman. "Subcooled berarti suhu cairan ini di bawah titik beku dan bergantung pada salinitas."
Untuk bertahan dan mencegah dirinya dari pembekuan, molekul hadir dalam darah S. longipes dan cairan tubuh lainnya yang menurunkan titik beku agar sesuai dengan air di sekitarnya. Pada saat yang sama, krustasea menghasilkan protein non-pembekuan yang mencegah pembentukan kristal es di dalam darah.
Diasumsikan bahwa protein ini juga diperoleh melalui transfer gen horizontal.
Kupu-kupu raja yang cantik mungkin juga telah mencuri gen, tetapi kali ini dari tawon parasit.
Tawon berkilau dari keluarga Braconid dikenal karena memasukkan telur bersama dengan virus ke serangga inang. DNA virus meretas otak inang, mengubahnya menjadi zombi, yang kemudian bertindak sebagai inkubator telur tawon. Para ilmuwan telah menemukan gen draconids pada kupu-kupu, bahkan jika kupu-kupu ini tidak pernah bertemu tawon. Mereka dipercaya membuat kupu-kupu lebih tahan terhadap penyakit.
Eukariota tidak hanya mencuri gen individu. Terkadang pencurian terjadi secara besar-besaran.
Kehidupan laut hijau cerah Elysia chlorotica diyakini memiliki kemampuan untuk berfotosintesis dengan memakan alga. Siput laut ini mencerna kloroplas - organel yang melakukan fotosintesis - utuh dan menyimpannya di kelenjar pencernaan. Saat terdesak dan tidak ada alga yang bisa dimakan, siput laut dapat bertahan dengan menggunakan energi dari sinar matahari untuk mengubah karbondioksida dan air menjadi makanan.
Satu studi menunjukkan bahwa siput laut juga mengambil gen dari alga. Para ilmuwan memasukkan penanda DNA berpendar ke dalam genom alga untuk melihat dengan tepat di mana gen itu berada. Setelah memakan alga, siput laut memperoleh gen untuk regenerasi kloroplas.
Pada saat yang sama, sel-sel dalam tubuh kita mengandung struktur penghasil energi kecil, mitokondria, yang berbeda dari struktur seluler lainnya. Mitokondria bahkan memiliki DNA sendiri.
Ada teori bahwa mitokondria ada sebagai bentuk kehidupan independen miliaran tahun yang lalu, tetapi entah bagaimana mereka mulai dimasukkan ke dalam sel eukariota pertama - mungkin mitokondria ditelan, tetapi tidak dicerna. Peristiwa ini diyakini terjadi sekitar 1,5 miliar tahun yang lalu dan merupakan tonggak penting dalam evolusi semua bentuk kehidupan tingkat tinggi, tumbuhan dan hewan.
Pencurian genetik mungkin merupakan taktik evolusi yang umum. Bagaimanapun, dia membiarkan orang lain melakukan semua kerja keras untuk Anda sementara Anda menuai manfaatnya. Alternatifnya, transfer gen horizontal dapat mempercepat proses evolusi yang telah dimulai.
“Organisme yang belum beradaptasi dengan panas atau asam tidak mungkin mendadak mengisi kolam vulkanik hanya karena ia memiliki gen yang dibutuhkan,” kata Scheunknecht. "Tapi evolusi hampir selalu merupakan proses langkah demi langkah, dan transfer gen horizontal memungkinkan lompatan besar ke depan."
ILYA KHEL
