Biosintezė baltymai ir nukleino rūgštis reikalauti azotas tačiau atmosferos azotas nėra prieinamas eukariotai organinei sintezei. Tik keli prokariotai (pvz melsvadumbliai, klostridijos, archėjos ir tt) turi galimybę fiksuoti molekulinį azotą, kurio gausu atmosfera. Šiek tiek azoto fiksavimo bakterijos gyvena eukariotinių ląstelių viduje simbiotiniu ryšiu kaip endosimbiontai. Pavyzdžiui, cianobakterijos Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) yra vienaląsčių mikrodumblių endosimbiontas Braarudosphaera bigelowii jūrų sistemose. Manoma, kad toks gamtos reiškinys suvaidino lemiamą vaidmenį eukariotų evoliucijoje ląstelė organelių mitochondrijos ir chloroplastai integruojant endosimbiotines bakterijas į eukariotinę ląstelę. Neseniai paskelbtame tyrime mokslininkai nustatė, kad cianobakterijos „UCYN-A“ buvo glaudžiai integruotas su eukariotiniais mikrodumbliais Braarudosphaera bigelowii ir išsivystė iš endosimbionto iki azotą fiksuojančios eukariotinės ląstelės organelės, pavadintos nitroplastu. Taip atsirado mikrodumbliai Braarudosphaera bigelowii pirmasis žinomas azotą fiksuojantis eukariotas. Šis atradimas išplėtė atmosferos azoto fiksavimo funkciją nuo prokariotų iki eukariotų.
Simbiozė, ty skirtingų rūšių organizmai, kurie dalijasi buveinėmis ir gyvena kartu, yra įprastas gamtos reiškinys. Simbiotinių santykių partneriai gali gauti naudos vienas kitam (abipusiškumas), arba vienas gali gauti naudos, o kitas likti nepaveiktas (kommensalizmas), arba vienas naudos, o kitas kenkia (parazitizmas). Simbiotinis ryšys vadinamas endosimbioze, kai vienas organizmas gyvena kito viduje, pavyzdžiui, prokariotinė ląstelė, gyvenanti eukariotinės ląstelės viduje. Prokariotinė ląstelė tokioje situacijoje vadinama endosimbiontu.
Endosimbiozė (ty prokariotų internalizavimas protėvių eukariotų ląstelėmis) suvaidino lemiamą vaidmenį mitochondrijų ir chloroplastų, sudėtingesnių eukariotų ląstelėms būdingų ląstelių organelių evoliucijoje, kurios prisidėjo prie eukariotinių gyvybės formų proliferacijos. Manoma, kad aerobinė proteobakterija pateko į protėvių eukariotinę ląstelę, kad taptų endosimbiontu tuo metu, kai aplinka vis labiau augo deguonimi. Endosimbiotinės proteobakterijos gebėjimas naudoti deguonį energijai gaminti leido šeimininkui eukariotui klestėti naujoje aplinkoje, o kiti eukariotai išnyko dėl neigiamo atrankos slėgio, kurį sukėlė nauja deguonies turtinga aplinka. Galiausiai proteobakterija integravosi su šeimininko sistema ir tapo mitochondrija. Panašiai kai kurios fotosintezės cianobakterijos pateko į protėvių eukariotus ir tapo endosimbiontais. Atėjus laikui, jie asimiliavosi su eukariotų šeimininkų sistema ir tapo chloroplastais. Eukariotai su chloroplastais įgijo gebėjimą fiksuoti atmosferos anglį ir tapo autotrofais. Anglį fiksuojančių eukariotų evoliucija iš protėvių eukariotų buvo lūžis gyvybės žemėje istorijoje.
Azotas reikalingas organinei baltymų ir nukleorūgščių sintezei, tačiau gebėjimas fiksuoti atmosferos azotą apsiriboja tik keletu prokariotų (tokių kaip kai kurios cianobakterijos, klostridijos, archėjos ir kt.). Jokie žinomi eukariotai negali savarankiškai fiksuoti atmosferos azoto. Gamtoje matomi abipusiai endosimbiotiniai ryšiai tarp azotą fiksuojančių prokariotų ir anglį fiksuojančių eukariotų, kuriems augti reikia azoto. Vienas iš tokių atvejų yra cianobakterijų Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ir vienaląsčių mikrodumblių Braarudosphaera bigelowii partnerystė jūrų sistemose.
Neseniai atliktame tyrime endosimbiotinis ryšys tarp cianobakterijų Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ir vienaląsčių mikrodumblių Braarudosphaera bigelowii buvo ištirtas naudojant minkštąją rentgeno tomografiją. Ląstelių morfologijos ir dumblių dalijimosi vizualizacija atskleidė suderintą ląstelių ciklą, kuriame endosimbiontinės cianobakterijos pasiskirstė tolygiai taip, kaip chloroplastai ir mitochondrijos eukariotuose dalijasi ląstelių dalijimosi metu. Baltymų, dalyvaujančių ląstelių veikloje, tyrimas atskleidė, kad didelę jų dalį užkodavo dumblių genomas. Tai apėmė baltymus, būtinus biosintezei, ląstelių augimui ir dalijimuisi. Šie radiniai rodo, kad endosimbiontinės cianobakterijos buvo glaudžiai integruotos su šeimininko ląstelių sistema ir perėjo iš endosimbionto į visavertę šeimininko ląstelės organelę. Dėl to dumblių-šeimininkės ląstelė įgijo gebėjimą fiksuoti atmosferos azotą baltymų ir nukleorūgščių, reikalingų augimui, sintezei. Naujoji organelė pavadinta nitroplastas dėl savo azoto fiksavimo savybių.
Taip susidaro vienaląsčiai mikrodumbliai Braarudosphaera bigelowii pirmasis azotą fiksuojantis eukariotas.Šis vystymasis gali turėti įtakos žemdirbystė ir cheminių trąšų pramonei ilgalaikėje perspektyvoje.
***
Nuorodos:
- Coale, TH et al. 2024. Azotą fiksuojanti organelė jūriniame dumblyje. Mokslas. 11 m. balandžio 2024 d., 384 tomas, 6692 leidimas, p. 217–222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplastas: azotą fiksuojanti organelė. MOKSLAS. 11 m. balandžio 2024 d., 384 tomas, 6692 leidimas. 160-161 p. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
