Była sobie bakteria, czyli czego jeszcze nie wiecie o symbiozie

Koncepcja endosymbiozy pojawiała się i znikała w nauce od początku XX w. Głosi, że zwierzęce i roślinne komórki zawdzięczają energię odległemu potomstwu niedojedzonych bakterii. I dziś mamy na nią solidne dowody.

06.02.2024

Czyta się kilka minut

fot. B&EW
Pokaz świateł w Gaju Superdrzew w Singapurze. Tworzy go 18 sztucznych struktur przypominających drzewa, zaplanowanych m.in. jako pionowe ogrody / fot. Schuelke / B&EW

Najpierw w Londynie wybuchła wielka epidemia dżumy, potem Izaak Newton zrobił dyplom na Uniwersytecie w Cambridge, a Giovanni Cassini zmierzył czerwoną plamę na Jowiszu. Krótko po tych wydarzeniach, we wrześniu 1665 r., przyrodnik i astronom Robert Hooke opublikował swoje największe dzieło. „Micrographia” była pierwszą książką zawierającą ilustracje roślin i owadów w skali mikroskopowej. Hooke przedstawił w niej teorię komórkowej budowy organizmów, na którą wpadł, gdy pod prymitywnym mikroskopem umieścił korek. Dostrzegł w nim strukturę przypominającą plaster miodu, z mniejszymi przestrzeniami oddzielonymi ścianami. Przywiodły mu na myśl klasztorne cele – po łacinie cellara. Doszedł do wniosku, że podobnie muszą być zbudowane organizmy.

Kilkanaście lat później soczewki ulepszonego mikroskopu pozwoliły sukiennikowi Antoniemu van Leeuwenhoekowi dostrzec znacznie więcej. Dzięki już niemal 300-krotnemu powiększeniu zaobserwował „drobne animakuły poruszające się z gracją”. Współcześnie nazywamy je protistami lub pierwotniakami.

W 1675 r. van Leeuwenhoek odkrył też ruchomą wić, nadającą ruch różnym mikroorganizmom. Np. giardii, pierwotniakowi wywołującemu chorobę zwaną giardiozą lub lambliozą. Udoskonalana w ciągu następnych dekad aparatura pozwoliła na jeszcze dokładniejszy wgląd w komórkowy mikroświat, w tym coraz dokładniejszy opis organelli – struktur występujących w komórkach.

Zrośnięte porosty

W budowie wewnętrznej komórek dostrzegano między innymi chloroplasty, wyglądające jak owalne kapsułki z systemem rurek wewnątrz. To miejsca zachodzenia fotosyntezy, czyli wytwarzania cukrów przez roślinę, z dwutlenku węgla i wody, przy udziale energii słonecznej. Pierwszy szczegółowy opis chloroplastów zielonych liści podał Hugo von Mohl w 1837 r., chociaż zauważał je już van Leeuwenhoek. Dla obu badaczy były to odosobnione ciałka w zielonej komórce roślinnej. Mitochondria – komórkowe elektrownie produkujące cząsteczkowe nośniki energii – dostrzegł w tkance mięśniowej 20 lat później szwajcarski fizjolog Albert von Kölliker. Jednak to nie on jest autorem terminu. Wymyślił go Carl Brenda, łącząc łacińskie mitos (nici) oraz chondros (ziarna), co nawiązywało do ziarnistej budowy wydłużonych organelli.

Jeszcze zanim odkryto i opisano inne struktury komórkowe, zaczęto zastanawiać się nad ich pochodzeniem – a zatem nad historią powstania złożonych komórek. Już na początku XX w. pewni naukowcy uważali, że eukariotyczne (posiadające jądro) komórki powstały z połączenia prymitywnych organizmów jednokomórkowych. Pierwszym z nich był rosyjski botanik i lichenolog Konstantin Mereżkowski, który pracował na Uniwersytecie Kazańskim.

W 1905 r. opublikował pracę, w której przekonywał, że według takiego scenariusza powstało jądro komórkowe i chloroplasty. Swoją teorię nazwał symbiogenezą, czyli narodzinami życia.  W komórkowej relacji dwóch prymitywnych istot widział podobną zależność do tej, jaką obserwował u porostów (grzybów zlichenizowanych) – organizmów złożonych z żyjących w symbiozie grzyba i glonu. W swojej kolekcji zgromadził ich setki okazów.

Mereżkowski znał też wcześniejsze prace, które sugerowały, że chloroplasty dzielą się podobnie jak bakterie. Wiedział, że proces ten zachodzi nawet, jeśli oddzieli się je od jądra. Jego intuicja dotycząca „zielonych ciałek” była dobra, ale po jego śmierci cała koncepcja symbiogenezy zniknęła w cieniu. On sam zresztą okrył się mroczną sławą – oskarżony o pedofilię (miał skrzywdzić ponad 20 dziewczynek), uciekł do Genewy. Stworzył naukową utopię, w której snuł niepokojące refleksję o „ziemskim raju”, gdzie żyją obok siebie różne wyhodowane ludzkie kasty – m.in. taka, która zachowuje dziecięce cechy i jest utrzymywana przy życiu przez 35 lat. Sfrustrowany bankructwem i pogarszającym się zdrowiem, w 1921 r. popełnił samobójstwo.

Pomoc wzajemna

Zarysy teorii endosymbiozy pojawiały się także w pracach anatoma Ivana Emanuela Wallina, urodzonego w 1883 r. Swoje pomysły na temat mitochondriów testował w szopie za salami wykładowymi Szkoły Medycznej Uniwersytetu Colorado, w której był profesorem. Doszedł do wniosku, że cechy mitochondriów są zbieżne z niektórymi bakteriami – bo jedne i drugie barwiły się za pomocą tych samych technik laboratoryjnych. Miało to wskazywać na „podobny skład chemiczny”. Bakteryjne pochodzenie Wallin dostrzegał także w chloroplastach. Według niego mogły być to żywe istoty, które w poszukiwaniu lepszych warunków wybrały taki rodzaj relacji ze swoim gospodarzem. Wallin porzucił jednak swoje eksperymenty po ostrej krytyce środowiska naukowego. Utrzymywał bowiem, że jest w stanie hodować wyizolowane mitochondria, choć te nie mogą funkcjonować w oddzieleniu od komórki – jego preparaty były zwyczajnie zanieczyszczone. W końcu skupił się na pracy dydaktycznej i biurowej.

Renesans teorii mówiącej o bakteryjnym pochodzeniu różnych elementów komórkowych przypada na rok 1967. Na łamach „Journal of Theoretical Biology” ukazała się wtedy praca „O pochodzeniu komórek mitozujących”. Jej autorka – Lynn Margulis – pracowała na uniwersytecie bostońskim. Zderzyła się z potężnym oporem w środowisku. Zanim ta praca ukazała się drukiem, została przez recenzentów odrzucona kilkanaście razy.

Według Margulis ewolucja komórki eukariotycznej zaszła w procesie, który nazwała endosymbiozą seryjną – szeregiem następujących po sobie wchłonięć mikroorganizmów przez inny, większy organizm jednokomórkowy. Ten proces, jej zdaniem, miał się rozpocząć w odpowiedzi na zmieniający się skład atmosfery Ziemi. Mogło to być przeszło miliard lat temu, bo wówczas atmosfera była już bogata w tlen – gaz toksyczny dla organizmów beztlenowych (dziś wiemy, że tzw. katastrofa tlenowa, która unicestwiła większość bardzo prostego wówczas życia na Ziemi, miała miejsce ponad 2 mld lat temu).

Poddane silnej presji selekcyjnej beztlenowe mikroorganizmy musiały nauczyć się wykorzystywać toksyczny gaz – a sposobem na to mogłoby być wchłonięcie mniejszego organizmu tlenowego. Następnie miało powstać jądro komórkowe, a potem wchłonięta mogła być bakteria posiadająca wić. Np. krętek, którego współcześni przedstawiciele mają kształt korkociągów. Według Margulis pochłonięte i niestrawione krętki uprościły się i dały początek aparatowi ruchowemu komórek. Z kolei roślinne chloroplasty miały się wywodzić z pochłoniętych sinic – samożywnych mikroorganizmów zdolnych do przeprowadzania fotosyntezy.

Pokrętne krętki

Margulis czerpała inspirację nie tylko z prac Mereżkowskiego i Wallina, ale również Piotra Kropotkina – rosyjskiego przyrodnika i anarchisty, który dostrzegł w syberyjskiej faunie imperatyw „pomocy wzajemnej”. Kropotkin uważał, że altruizm jest nawet potężniejszą siłą napędową ewolucji niż darwinowska „walka o byt”. Margulis rozciągnęła ten sposób myślenia z organizmów na komórki i ich wnętrza.

Teoria endosymbiozy ma dziś rzeszę zwolenników, choć jej współczesna wersja różni się w szczegółach od scenariusza zaproponowanego przez Margulis. W jej sercu nadal znajduje się koncepcja mówiąca o tym, że większy mikroorganizm wchłonął mniejsze – i zamiast je strawić, nauczył się z nimi współpracować, a te w nowym, bezpiecznym i przyjaznym środowisku mogły uprościć swoją strukturę i zacząć się specjalizować w konkretnym zadaniu. Ale np. zasugerowana przez Margulis historia pochodzenia komórkowej wici nie została potwierdzona.

Nie znaleziono bowiem genów, które sugerowałyby, że wici mogą wywodzić się od organizmu prokariotycznego. Za przyjęciem tej części teorii Margulis mogą przemawiać jedynie rzadkie obserwacje współczesnych relacji między organizmami. Np. bakterie Mixotricha paradoxa zamieszkują jelito tylne pewnych australijskich termitów. W szczytowej części komórki tych bakterii znajduje się dołek z systemem kotwiczącym. Przyczepiają się do niego właśnie krętki, które czasowo tworzą aparat napędowy dla gościnnych komórek.  Nie jest to jednak wystarczający dowód na endosymbiozę wici. Obecnie uważa się, że komórkowy aparat ruchu nie ma bakteryjnego pochodzenia, lecz wyewoluował z białkowego rusztowania, które musiało już funkcjonować w prakomórce eukariotycznej. Było ono wykorzystywane m.in. do podziałów komórkowych.

Spokrewnione geny

Za koncepcją endosymbiozy przemawiają przede wszystkim podobieństwa między mitochondriami i chloroplastami a jednokomórkowymi organizmami. Kluczową kwestią jest obecność u nich wszystkich kolistej cząsteczki DNA. Podobnie jak u bakterii, w organellach komórkowych nie jest ona oddzielona od otoczenia żadną błoną. Poza tym jedne i drugie nie mają histonów – białek stanowiących rusztowanie dla DNA. Zaś sam kwas nukleinowy, zawierający informację genetyczną, jest kopiowany w chloroplastach i mitochondriach niezależnie od materiału genetycznego w jądrze, co sugeruje, że kiedyś geny te faktycznie należały do innego, niezależnego jednokomórkowca. Podobieństwo między organellami a bakteriami dotyczy także maszynerii odpowiedzialnej za tworzenie białek. Struktury, w których zachodzi ostatni etap tworzenia białka zarówno w organellach, jak i bakteriach, składają się z takich samych elementów. W dodatku mitochondria i chloroplasty „rozmnażają się” przez podział – tak jak mikroorganizmy.

W literaturze naukowej pojawiały się głosy, że endosymbiozie zawdzięczamy także struktury zwane peroksysomami. Obecnie te niewielkie pęcherzyki odpowiedzialne są za ochronę komórki przed toksycznymi formami tlenu. Kiedyś miałyby być wolnożyjącym mikroorganizmem. Ale ich podobieństwa do bakterii nie sugeruje wygląd czy ich struktura. Podstawą do twierdzenia o ich bakteryjnym pochodzeniu był mechanizm transportu istotnego dla peroksysomów białka (katalazy), który przypomina rozwiązanie występujące u chloroplastów i mitochondriów. Przeciwko pochodzeniu peroksysomów od jakiegokolwiek organizmu świadczą jednak badania przeprowadzone w Centrum Medycznym w Nijmegen. W 2006 r. Toni Gabaldón i współpracownicy zrekonstruowali skład białkowy dawnych pęcherzyków i stwierdzili, że wywodzą się one raczej z siateczki śródplazmatycznej. Jest ona zestawem kanałów i cystern łączących się z otoczką jądra komórkowego. To sugeruje, że peroksysomy wyewoluowały z innych organelli komórkowych, a nie są reliktami dawnych bakterii.

Przyjaciele azotu

Najlepszy dowód na to, że proces endosymbiozy może zachodzić w przyrodzie, znaleźliśmy niedawno. W 2021 r. naukowcy z Instytutu Mikrobiologii Morskiej Maxa Plancka w Bremie, wraz ze współpracownikami z Centrum Genomu Maxa Plancka w Kolonii i Szwajcarskiego Instytutu Badań Wodnych zaobserwowali nieznany wcześniej mechanizm zasilania komórek. Badania prowadzili w beztlenowych warstwach leżących w głębinach jeziora Zug. Szukali mikroorganizmów, które biorą udział w przetwarzaniu metanu. Wśród różnych stworzeń wykryto protista (orzęska), a w jego wnętrzu – endosymbionta potrafiącego przetwarzać związki azotu i pozyskiwać z nich energię. Nowy organizm nazwano Candidatus Azoamicus ciliaticola. Dosłownie: „przyjaciel azotu, który zamieszkuje orzęski”, co idealnie opisało preferencje mikroorganizmu oraz jego gospodarza.

Ta relacja okazała się zaskakująca. W środowiskach beztlenowych najczęstszym sposobem pozyskiwania energii jest fermentacja. To proces mniej wydajny niż oddychanie tlenowe, w dodatku przebiegający poza mitochondriami. Te zresztą często ulegają zanikowi u organizmów żyjących w beztlenowych warunkach.

Fermentujące komórki produkują mniej cząsteczek będących paliwem dla procesów życiowych. Dlatego nie mogą pozwolić sobie na szybki wzrost i podział komórki. Taki sposób życia jest typowy również dla orzęsków. Nie mogąc wykorzystywać mitochondriów w beztlenowym środowisku, orzęsek nauczył się jednak polegać na innym źródle energii. Potrzebne paliwo komórkowe pobiera od bakterii przetwarzającej azot, która rozgościła się w jego wnętrzu.  Zaobserwowana przez badaczy relacja wyglądała tak, jakby była w pewnym stadium endosymbiozy. Bakteria ma już zredukowaną liczbę swoich genów i w zasadzie zastępuje mitochondria.

W przyszłości mogą nas czekać podobne niespodzianki. Autorzy odkrycia z dna jeziora Zug oszacowali, że symbioza orzęska z bakterią istnieje od ok. 200-300 mln lat. Samo zaś polodowcowe jezioro ma dopiero 10 tys. lat. Ta para symbiotycznych organizmów musiała tam więc skądś przywędrować. Skąd? Nie wiemy. Być może podobne relacje można spotkać w innych miejscach. A może istnieje tak wiele różnorodnych symbioz, że dzisiaj ich po prostu nie dostrzegamy? Być może, aby je znaleźć, trzeba będzie próbować wyjść poza utarte schematy myślenia. Tego samego wymagało przecież kiedyś wyjaśnienie, skąd się wzięły mitochondria i chloroplasty.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
79,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Mariusz Gogól – doktor biochemii, biolog, popularyzator nauki. Specjalista komunikacji naukowej związany ze Stowarzyszeniem Rzecznicy Nauki od początku jego działalności. Współpracuje m.in. z Państwowym Wydawnictwem Naukowym, Serwisem Nowaja Polsza oraz… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 6/2024

W druku ukazał się pod tytułem: Życie zżyte