W 1925 roku francuski biolog Edouard Chatton zauważył pomiędzy organizmami różnice w budowie komórkowej - badając pierwotniaki odkrył, że ich komórki zbudowane są inaczej niż te należące do bakterii. Zaproponował więc podział na prokarionty i eukarionty, który szybko się spopularyzował i stał się obowiązujący.
Podstawową różnicą była kwestia jądra komórkowego - u prokariontów nie występowało ani jądro, ani zaawansowane organelle ("organy"), a ich komórki są znacznie mniejsze. Eukarionty przechowują liniowo zbudowane DNA właśnie w jądrze, gdy tymczasem koliste DNA prokariontów pływa swobodnie w cytoplazmie.
Do najbardziej zaawansowanych organelli eukariontów należy mitochondrium, w którym ze składników odżywczych i tlenu (lub też wykorzystując inne związki chemiczne) syntezuje się uniwersalne życiodajne "paliwo" ATP. A jak bez tej "elektrowni" radzą sobie prokarionty? Wykorzystują podobną maszynerię białkową, tyle że u nich cała komórka jest "jednym wielkim mitochondrium".
Jest to ciekawe w świetle teorii endosymbiozy. Według niej mitochondria nie powstały "od zera", lecz były kiedyś samodzielnymi bakteryjnymi komórkami wchłoniętymi później przez większe komórki. Bakteria była bezpieczna we wnętrzu gospodarza, a w zamian dostarczała mu energii. Wskazuje na to choćby posiadanie przez mitochondria swoistego kodu genetycznego (innego od komórkowego) o kolistej strukturze.
U organizmów samożywnych uzupełnieniem mitochondrium jest chloroplast pochodzący od bakterii zdolnej do fotosyntezy. Komórka która była już eukariotyczna dodatkowo wchłonęła jeszcze sinicę zaopatrującą ją w cukry... Dzięki tym "innowacjom" komórki eukariotyczne mogły przełamać ograniczenia energetyczne i strukturalne.
Eukarionty zaczęły ewoluować w organizmy wielokomórkowe - tak powstały rośliny, grzyby, zwierzęta, człowiek... Dodatkowa energia pozwoliła zwiększyć rozmiary komórek, zbudować szkielet komórkowy, a także precyzyjnie regulować ogromne ilości informacji genetycznej, co jest niezbędne dla funkcjonowania wielokomórkowców. Geny muszą u nich włączać i wyłączać się w zależności od potrzeb.
Wszystkie komórki naszego ciała posiadają przecież zasadniczo takie samo DNA, a jednak komórki są zróżnicowane. Ale to już inna historia, a ja chcę tutaj zagłębić się raczej w tajemniczą przeszłość... Powstanie komórki eukariotycznej było z pewnością przełomem, lecz przez długi czas nie wiedziano co może być brakującym ogniwem w tej układance. Prokarionty utożsamiano po prostu z bakteriami.
Do bakterii zaliczano zaś wszystkie jednokomórkowce pozbawione jądra. Nowe odkrycia przyniosły dopiero badania kodu genetycznego. W 1977 roku amerykański mikrobiolog Carl Woese odkrył organizmy tak bardzo różniące się genetycznie od bakterii, że wyodrębnił z nich nową domenę. Początkowo nazwał je archebakteriami, gdyż sądził że to niedobitki jakichś archaicznych przodków bakterii.
W przeciwieństwie do protistów czyli jednokomórkowych eukariontów nie miały wszak jądra ani organelli, lecz ich unikalna biochemia przypominała bardziej komórki eukariotyczne. Paradoksalnie bardziej nawet przypomina biochemię komórki ludzkiej niż bakteryjnej... W 1990 roku Carl Woese zrozumiał, że to zupełnie odrębna ewolucyjnie grupa i zaproponował utworzenie (obok prokariontów i eukariontów) domeny archeonów, a nowa taksonomia została uznana przez naukę.
Archeony miały ewoluować całkiem niezależnie od bakterii, choć w pewnym momencie stały się swoistym łącznikiem ze światem eukariontów. Doprowadzić miała do tego właśnie wspomniana już endosymbioza - to właśnie archeon miał być tą "nadrzędną" komórką która wchłonęła bakterię. W 2015 roku naukowcy odkryli na dnie Morza Arktycznego (między Norwegią a Grenlandią) grupę archeonów Asgard, z której wywodzą się wszystkie organizmy wielokomórkowe.
Okazało się że pewne elementy komórki eukariotycznej istniały na Ziemi na długo przed pojawieniem się pierwszych eukariontów. Archeony te tworzą wypustki dzięki którym mogły pochwycić bakterię i przerobić ją na mitochondrium... Cały nasz aparat genetyczny - sposób replikacji DNA, transkrypcja RNA, upakowanie chromatyny oraz synteza białek to dziedzictwo archonów z Asgardu. Te żywe skamieliny wyewoluowały ponad 2 miliardy lat temu!!!
Wskazuje na to tak zwany "zegar molekularny". Mutacje w DNA akumulują się w pewnym stałym i przewidywalnym tempie, więc mając do dyspozycji geny wielokomórkowców i tych pradawnych archeonów naukowcy mogli obliczyć kiedy nasze drogi rozdzieliły się. Dzięki temu wiemy, że archeony te zbudowały potrzebne do rozwoju zaawansowanych form życia narzędzia na długo przed endosymbiozą.
Zaobserwowano też że żywe mikroby Asgard potrafią łączyć się z bakteriami za pomocą nanorurek żeby wymieniać z nimi substancje odżywcze. A zatem było to zapewne miejsce narodzin naszych własnych komórek... Skąd jednak wzięły się archeony i bakterie? Najprawdopodobniej pochodzą od wspólnego przodka. Tego ostatniego wspólnego przodka wszystkich organizmów nauka określa akronimem LUCA (Last Universal Common Ancestor).
LUCA nie był pierwszą żywą istotą jaka powstała, ale ostatnim ogniwem od którego wywodzą się wszystkie żywe organizmy. Najprawdopodobniej istniały alternatywne gałęzie życia które jednak nie rozwinęły się w złożone formy. Niektórzy naukowcy snują hipotezy o istnieniu tak zwanej "biosfery cieni" czyli żyjących gdzieś w niedostępnych środowiskach drobnoustrojach, wywodzących się z innego aktu abiogenezy.
Organizmy takie miałyby zupełnie inną biochemię, co czyniło by je niewidocznym dla naszych narzędzi pomiarowych. Poza tym mogłyby się rozwijać w zupełnie ekstremalnych środowiskach. Jak wiadomo takie środowiska są słabo zbadane, ale to co w nich zdołaliśmy już odkryć przeczy naszym dotychczasowym intuicjom. Życie jest dużo odporniejsze niż mogłoby się wydawać i prawdopodobnie przetrwa nawet atomową apokalipsę kiedy jakiś pijany świr naciśnie w końcu czerwony guzik.
Możliwe jest nawet życie bez tlenu i energii słonecznej. W RPA odkryto w odizolowanych przez miliony lat podziemnych zbiornikach wody jednostkowy ekosystem tworzony przez jedyny organizm zdolny tam do życia - bakterię Desulforudis audaxviator. Ten mikrob żyje tam dzięki... rozpadowi radioaktywnego uranu. W procesie zwanym radiolizą promieniowanie rozbija cząsteczki wody na wodór i nadtlenek wodoru, a niewybredna bakteria łącząc wodór z siarczanami wytwarza życiową energię.
Z otoczenia pobiera tylko węgiel i azot, ale to wystarczy jej żeby syntezować wszystkie potrzebne cząsteczki organiczne. Pożeranie przysłowiowych kamieni (a ściślej mówiąc związków nieorganicznych) określa się litoautotrofią. Ten sposób odżywiania wykorzystują bakterie wodorowe, siarkowe, nitryfikacyjne czy żelaziste. Prawdopodobnie był to pierwotny sposób odżywiania się organizmów na Ziemi.
Pierwotne organizmy czerpały energię bezpośrednio z minerałów i gazów organicznych. Porównując stopień różnic genetycznych pomiędzy archeonami i bakteriami badacze mogą określić kiedy ich genetyczne drogi rozeszły się, to znaczy kiedy żył LUCA. Zegar molekularny wskazuje, że miało to miejsce jakieś 4,2 miliarda lat temu - zaledwie kilkaset milionów lat po uformowaniu się planety. Środowisko Ziemi było wtedy pozbawione tlenu i warstwy ozonowej.
Życie miało narodzić się w głębinach oceanów, gdzie alkaliczne kominy hydrotermalne dostarczały w bród "kamieni" i gazów do utleniania, a jedynym źródłem węgla był wszechobecny dwutlenek węgla. Oczywiście LUCA nie był pojedynczą komórką a raczej pewną populacją komórek która żyła w tym czasie, dokonującą horyzontalnego transferu genów między sobą. Komórki "przerzucały" się genami tworząc swego rodzaju pierwotny genetyczny megasystem.
System ten nie wystrzelił sam z siebie, lecz musiały istnieć już wcześniej miliardy innych wcześniejszych form "życia", a w zasadzie prostych replikatorów. Lecz tamte linie wymarły (prawdopodobnie) a przetrwały jedynie "dzieci" populacji LUCA, oparte na dwudziestu tych samych aminokwasach do budowy białek. Co jednak paradoksalne - a nawet kuriozalne - trwa spór w jakim stopniu LUCA był... żywy.
Wiele wskazuje na to, że nie był w pełni samodzielny i brał różne gotowe "cegiełki" ze środowiska. Nie miał też (być może) szczelnej granicy w postaci błony komórkowej, rozwijając się we wnętrzu mikroskopijnych porów skał wulkanicznych. Był raczej półotwartym systemem biochemicznym, czymś pośrednim pomiędzy chemią a biologią. Samoorganizujący się cykl reakcji chemicznych zaczął się replikować przy pomocy genów...
Życie potrafi funkcjonować w trybie niemal... martwym. W głębokiej biosferze (na dnie oceanów czy wewnątrz skał kontynentalnych) odkryliśmy w XXI wieku mikroorganizmy o ekstremalnie wolnym metabolizmie, pobierające z otoczenia tylko minimalne ilości energii i reprodukujące się raz na kilka tysięcy lat!!! Jedynym "zajęciem" takiego jednokomórkowego zombie jest przetrwanie metaboliczne i naprawa powstających z upływem czasu uszkodzeń DNA.
Pokazuje to, że życie pierwotnie mogło po prostu "trwać" przez tysiące, setki tysięcy czy miliony lat, zanim wykształciło mechanizmy reprodukcji. Ale to właśnie takie nudne życie pozwoliło przetrwać setki milionów lat tym niezwykłym organizmom, pomimo globalnych kataklizmów i katastrof. W 2010 roku japoński geomikrobiolog Yuki Morono wydobył z głębin Wiru Południowopacyficznego mikroorganizmy pamiętające czasy dinozaurów.
Biedaczki nie miały od dawna dostępu do pożywienia, ale kiedy je im dostarczono okazało się, że jeszcze żyją, choć minęło już 100 milionów lat!!! Kiedy już się "najadły" mikroby zaczęły się gwałtownie dzielić. Koncepcja maksymalnej długości życia komórki w zasadzie nie istnieje, o ile mamy ekstremalnie wolny metabolizm i minimum energii do naprawy uszkodzonych struktur.
























