Biosintēze proteīni un nukleīnskābe pieprasīt slāpeklis tomēr atmosfēras slāpeklis nav pieejams eukarioti organiskai sintēzei. Tikai daži prokarioti (piemēram, zilaļģes, klostridijas, Archaea utt.) spēj fiksēt molekulāro slāpekli, kas ir bagātīgi pieejams atmosfēra. Dažas slāpekļa piesaistes baktērijas dzīvo eikariotu šūnās simbiotiskās attiecībās kā endosimbionti. Piemēram, zilaļģes Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ir vienšūnu mikroaļģu endosimbionts Braarudosphaera bigelowii jūras sistēmās. Tiek uzskatīts, ka šādai dabas parādībai ir bijusi izšķiroša loma eikariotu evolūcijā šūna organellus mitohondrijās un hloroplastos, integrējot endosimbiotiskās baktērijas eikariotu šūnā. Nesen publicētā pētījumā pētnieki atklāja, ka zilaļģes "UCYN-A” bija cieši integrēts ar eikariotu mikroaļģēm Braarudosphaera bigelowii un attīstījās no endosimbionta par slāpekli fiksējošu eikariotu šūnu organellu, ko sauc par nitroplastu. Tas radīja mikroaļģes Braarudosphaera bigelowii pirmais zināmais slāpekli fiksējošais eikariots. Šis atklājums ir paplašinājis atmosfēras slāpekļa fiksācijas funkciju no prokariotiem uz eikariotiem.
Simbioze, ti, dažādu sugu organismiem, kuriem ir kopīga dzīvotne un dzīvo kopā, ir izplatīta dabas parādība. Simbiotisko attiecību partneri var gūt labumu viens no otra (savstarpēji), vai arī viens var gūt labumu, kamēr otrs paliek neskarts (komensālisms), vai viens gūst labumu, kamēr otrs tiek nodarīts kaitējums (parazītisms). Simbiotiskās attiecības sauc par endosimbiozi, kad viens organisms dzīvo otrā, piemēram, prokariotu šūna, kas dzīvo eikariotu šūnā. Prokariotu šūnu šādā situācijā sauc par endosimbiontu.
Endosimbiozei (ti, prokariotu internalizācijai ar senču eikariotu šūnām) bija izšķiroša nozīme mitohondriju un hloroplastu evolūcijā, šūnu organellus, kas raksturīgi sarežģītākām eikariotu šūnām, kas veicināja eikariotu dzīvības formu proliferāciju. Tiek uzskatīts, ka aerobā proteobaktērija ir iekļuvusi senču eikariotu šūnās, lai kļūtu par endosimbiontu laikā, kad vide arvien vairāk kļuva bagātāka ar skābekli. Endosimbiontu proteobaktērijas spēja izmantot skābekli enerģijas iegūšanai ļāva saimnieka eikariotam attīstīties jaunajā vidē, kamēr pārējie eikarioti izmira negatīvās atlases spiediena dēļ, ko uzlika jaunā ar skābekli bagāta vide. Galu galā proteobaktērijas integrējās ar saimnieksistēmu, lai kļūtu par mitohondriju. Tāpat dažas fotosintēzes cianobaktērijas iekļuva senču eikariotos, lai kļūtu par endosimbiontu. Laika gaitā tie asimilējās ar eikariotu saimnieksistēmu, lai kļūtu par hloroplastiem. Eikarioti ar hloroplastiem ieguva spēju fiksēt atmosfēras oglekli un kļuva par autotrofiem. Oglekļa fiksācijas eikariotu evolūcija no senču eikariotiem bija pagrieziena punkts dzīvības uz zemes vēsturē.
Slāpeklis ir nepieciešams olbaltumvielu un nukleīnskābju organiskai sintēzei, tomēr spēja fiksēt atmosfēras slāpekli ir ierobežota tikai dažiem prokariotiem (piemēram, dažām zilaļģēm, klostrīdijām, arhejām utt.). Neviens zināms eikariots nevar patstāvīgi fiksēt atmosfēras slāpekli. Dabā ir redzamas savstarpējas endosimbiotiskas attiecības starp slāpekli fiksējošiem prokariotiem un oglekli fiksējošiem eikariotiem, kuriem nepieciešams slāpeklis, lai augtu. Viens no šādiem gadījumiem ir partnerība starp zilaļģēm Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) un vienšūnu mikroaļģēm Braarudosphaera bigelowii jūras sistēmās.
Nesenā pētījumā endosimbiotiskās attiecības starp zilaļģēm Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) un vienšūnu mikroaļģēm Braarudosphaera bigelowii tika pētītas, izmantojot mīksto rentgena tomogrāfiju. Šūnu morfoloģijas vizualizācija un aļģu dalīšanās atklāja koordinētu šūnu ciklu, kurā endosimbiontu zilaļģes sadalījās vienmērīgi tieši tā, kā hloroplasti un mitohondriji sadalās eikariotā šūnu dalīšanās laikā. Šūnu aktivitātēs iesaistīto proteīnu pētījums atklāja, ka lielu daļu no tiem kodē aļģu genoms. Tas ietvēra proteīnus, kas ir būtiski biosintēzei, šūnu augšanai un dalīšanai. Šie atklājumi liecina, ka endosimbiontu zilaļģes bija cieši integrējušās ar saimniekšūnu sistēmu un pārgājušas no endosimbionta uz pilnvērtīgu saimniekšūnas organellu. Rezultātā saimniekaļģu šūna ieguva spēju fiksēt atmosfēras slāpekli augšanai nepieciešamo olbaltumvielu un nukleīnskābju sintēzei. Jaunā organelle ir nosaukta nitroplasts slāpekļa piesaistes spējas dēļ.
Tas veido vienšūnu mikroaļģes Braarudosphaera bigelowii pirmais slāpekli fiksējošais eikariots.Šai attīstībai var būt ietekme uz lauksaimniecība un ķīmiskā mēslojuma rūpniecība ilgtermiņā.
***
Norādes:
- Kouls, TH un citi. 2024. Slāpekli fiksējoša organelle jūras aļģē. Zinātne. 11. gada 2024. aprīlis. 384. sēj., 6692. izdevums, 217.–222. lpp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplasts: slāpekli fiksējoša organelle. ZINĀTNE. 11. gada 2024. aprīlis. 384. sēj., 6692. izdevums. 160.–161. lpp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
