Lipidele vechi de miliarde de ani sugerează o istorie lungă a celulelor complexe – Ars Technica

Toate lucrurile vii pe care le putem vedea în jurul nostru – plante, animale și ciuperci – sunt eucariote formate din celule complexe. Celulele lor au multe structuri interne înconjurate de membrane, care mențin lucruri precum producția de energie separate de materialul genetic și așa mai departe. Chiar și organismele unicelulare de pe această ramură a arborelui vieții au adesea structuri acoperite cu membrane care se mișcă și se rearanjează pentru a se hrăni.

O parte din elasticitatea acestei membrane vine din cauza steroizilor. La eucariotele pluricelulare, sterolii îndeplinesc diverse funcții; Printre altele, ele sunt folosite ca molecule de semnalizare, cum ar fi estrogenul și testosteronul. Dar toate eucariotele introduc diferite dopaje în membranele lor, care le măresc fluiditatea și le modifică curbura. Deci, evoluția metabolismului steroizilor poate fi critică pentru a permite viața complexă.

Acum, cercetătorii au urmărit originea steroizilor eucarioți până la aproape un miliard de ani în trecut. Descoperirile sugerează că multe ramuri ale arborelui genealogic eucariotic au făcut odată versiuni timpurii de steroizi. Dar filiala noastră și-a dezvoltat capacitatea de a produce mai multe detalii fine – ceea ce poate ne-a ajutat să ne depășim rudele în competiție.

Program confuz

Într-o oarecare măsură, noua lucrare presupune testarea unei idei propuse de un biochimist cu zeci de ani în urmă Konrad Bloch. Bloch a câștigat Premiul Nobel pentru descoperirea căilor biochimice care permit celulelor să producă steroizi din strămoși mai simpli. În 1994, Bloch a propus că intermediarii chimici de pe căile pe care le-a identificat au fost, la un moment dat în traiectoriile noastre evolutive, produsele finale. Celulele ar face acesti steroizi mai putin complexi, care au jucat un rol crucial in supravietuirea lor; Cu toate acestea, de-a lungul timpului, ramura noastră a dezvoltat enzime care o modifică în continuare în moduri benefice.

Acest lucru a avut capacitatea de a avea sens printr-o varietate de dovezi care nu se potriveau prea bine. Am găsit microfosile vechi de 1,6 miliarde de ani care par să prezinte celule complexe cu procese de suprafață limitate de obicei la eucariote. Acest lucru funcționează bine cu dovezile ADN, care indică faptul că toate eucariotele actuale pot fi urmărite până la un strămoș comun care a existat cu cel puțin 1,2 miliarde de ani în urmă, posibil chiar cu 1,8 miliarde de ani în urmă.

Dar putem căuta și dopajul în roci antice, deoarece moleculele sunt remarcabil de stabile. Dar steroizii din eucariotele de astăzi nu au apărut decât în ​​urmă cu aproximativ un miliard de ani – mult mai târziu decât eucariotele înșiși. Acest decalaj ar putea fi explicat cu acuratețe dacă eucariotele anterioare ar folosi intermediarii biochimici ai lui Bloch.

Aici Bloch, deși avea dreptate, a greșit ceva. S-a sugerat că intermediarii ar fi instabili din punct de vedere chimic și, prin urmare, nu ar supraviețui în sedimente suficient de mult pentru ca noi să-i găsim. Din acest punct de vedere, nu avea rost să căutăm.

termen lung

O echipă internațională de cercetători a decis că ar putea merita să testeze ipoteza lui Bloch cu privire la durabilitatea acestor molecule. Așadar, cercetătorii au asamblat un grup de molecule, le-au supus condițiilor de încălzire și îmbătrânire accelerată și s-au uitat la ce s-a întâmplat. În timp ce au pierdut doi atomi din partea structurilor ciclice, cea mai mare parte a moleculei a supraviețuit. Mai important, nu se știe că alți steroizi anabolizanți produc aceleași molecule atunci când se descompun, astfel încât acești intermediari antici pot acționa ca indicatori ai producției de steroizi.

Cu aceste informații în mână, cercetătorii au obținut mostre de petrol și gudron din sedimente datate în diferite puncte din trecutul Pământului. Și chiar și cel mai vechi specimen, vechi de 1,6 miliarde de ani, conținea deja o mulțime de rămășițe de intermediari steroizi. Cercetătorii au izolat zeci de rude ale compușilor steroizi intermediari, dar nu au găsit niciuna dintre moleculele la care te-ai aștepta dacă ar exista steroizi moderni.

De asemenea, se pare că eucariotele au fost odată omniprezente. „Acești steroli au fost detectați în medii de apă relativ adânci și puțin adânci, covoare microbiene și habitate pelagice, șisturi și carbonați, precum și în iazuri marine și posibil lacustre”, scriu cercetătorii.

Din nou, primele semne ale steroizilor moderni nu apar decât în ​​urmă cu mai puțin de un miliard de ani, ceea ce indică faptul că eucariotele – strămoșii noștri și alte ramuri ale arborelui evolutiv – au înflorit timp de aproape un miliard de ani folosind molecule care sunt acum doar intermediari chimici. Diverse clase de dopaj modern apar, de asemenea, încet în evidențele geologice, indicând nici un impuls de inovație.

Supraviețuire extremă

Cercetătorii propun o idee interesantă care plasează originea eucariotelor moderne în înregistrarea geologică. Se pare că eucariotele au apărut într-o perioadă de timp geologică numită „un miliard plictisitor„, care s-a întins cu aproximativ 1,8 până la 0,8 miliarde de ani în urmă. În acest timp, așa cum sugerează și numele, nu s-au întâmplat prea multe. În cea mai mare parte a timpului, geologia a văzut plăcile continentale ale Pământului agregandu-se într-un supercontinent, ajutând la susținerea unui climat aparent stabil în pe care viața pare să le aibă Ei au răspuns la stagnarea relativă formând ecosisteme la fel de stabile care au persistat o mare parte din acest timp.

În timp ce strămoșii tuturor eucariotelor moderne ar fi evoluat în timpul plictisitoarei perioade de miliarde, lipsa perturbărilor ecologice a însemnat probabil că le-a fost greu să găsească o nișă ecologică neocupată. În lumina acestei provocări, cercetătorii sugerează că evoluția amfibienilor moderni le-ar fi putut oferi rezistența necesară pentru a ocupa medii mai extreme, precum locurile în care predomină temperaturile reci sau ridicate sau locuri precum nămolurile care se usucă periodic. Acest lucru ar însemna că au fost fabricați steroizi moderni, dar numai la niveluri care fac improbabilă detectarea.

Miliardul plictisitor s-a încheiat cu o creștere a activității tectonice și glaciații globale, care ar fi putut declanșa echivalentul bacterian al unei extincții în masă. În mediul turbulent care a urmat, abilitatea de a rezista la extremele de mediu permise de activatorii moderni ar fi putut să le fi oferit strămoșilor noștri un avantaj, permițându-le să conducă toate celelalte ramuri ale arborelui eucariot spre dispariție.

Natura, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06170-in (despre DOI).