Sec. XXI este dominat de ideea conservării energiei. Orientarea către clădiri, maşini şi stiluri de viaţă ecologice este şi la modă, şi necesară, dar în acelaşi timp ironică. Tendinţa de a consuma din ce în ce mai multă energie este adânc întipărită în istoria noastră.
Şi nu vorbim de o tendinţă care a început să se manifeste odată cu Revoluţia Industrială, ci chiar din momentul originii vieţii complexe pe Pământ.
Potrivit unei noi ipoteze, propusă de Nick Lane şi Bill Martin, cu toţii suntem lacomi consumatori de gaz şi asta în mod natural. Însăşi existenţa noastră şi aceea a fiecărui animal, plantă sau ciupercă, a depins de un parteneriat antic, făurit acum miliarde de ani, ce le-a dat strămoşilor noştri acces la surse de energie neegalate şi le-a permis sa evadeze din cătuşele simplităţii.
Pentru Lane şi Martin, sursele de energie sunt factorul cheie ce separă cele două mari tipuri de celule de pe planetă. Primul grup – simplele procariote, ca bacteriile sau archaea – sunt mici, sunt formate în întregime din celule individuale (sau, cel mult, simple colonii) şi au o structură internă foarte simplă. Ele sunt foarte diferite de eucariote, grupul care include toată viaţa complexă de pe planetă, inclusiv fiecare animal, plantă, ciupercă şi algă. Celulele lor sunt mari, structurate şi "populate" cu multe compartimente interne. Acestea includ nucleul, unde este stocat şi ADN-ul, dar şi mitocondriile, care acţionează ca mici centrale energetice.
Procariotele pot face multe lucruri incredibile. Ele mănâncă lucruri neplăcute, precum uleiul şi trăiesc în locuri unde literalmente niciun alt organism nu poate prospera. Dar, în ciuda inovaţiilor lor, procariotele au rămas întotdeauna simple. În timp ce eucariotele au evoluat de cel puțin şase ori în forme de viaţă mari şi complexe, precum animalele şi plantele, procariotele au rămas simple. Unele s-au apropiat de un teritoriu mai complex, devenind, de exemplu, incredibil de mari, dar toți aceşti pionieri s-au oprit brusc. O singură dată în istorie procariotele au făcut tranziţia la eucariote. De ce?
Lane şi Martin cred că răspunsul se află în mitocondrii. Acestea au fost odinioară procariotele însele. În trecutul geologic îndepărtat, o bacterie ce trăia liber a fost înghițită de o celulă mai mare şi nu a fost nici digerată, nici distrusă. În schimb, a fost "domesticită". A format un parteneriat unic şi onest cu gazda sa, devenind în cele din urmă mitocondria de astăzi. Toate astea s-au întâmplat doar o dată în istoria vieţii şi toate eucariotele de astăzi sunt descendenţi ai acelei celule contopite. Într-adevăr, mulţi oameni de ştiinţă consideră originea mitocondriei ca originea eucariotelor însele.
Mitocondriile sunt uzinele energetice ale celulei eucariote. Între pereţii lor, proteinele efectuează reacţii chimice care combină mâncarea cu oxigenul şi produc ATP-ul, molecula ce este moneda energetică a celulei. Aceste proteine stau înăuntrul membranei interne a mitocondriei, care este pliată repetat ca o ţesătură dantelată. Aceste pliuri furnizează o suprafaţă mai mare pentru producerea reacţiilor ce degajă energie, permiţându-i mitocondriei să ofere o aprovizionare substanţială gazdei sale. Asta este ceea ce le dă eucariotelor un avantaj major faţă de colegele procariote: cu mai multă energie disponibilă, îşi pot permite să aibă mai multe gene.
Tranziţia de la simplele celule procariote la complexele eucariote a fost acompaniată de o creştere mare a numărului de gene. O bacterie are aproximativ 5000 de gene, dar până şi cele mai mici eucariote au o medie de 20000. Dar acest lucru, mai multe gene, presupune un anumit cost. Simplul act de a citi o genă şi a o traduce în proteină (biologii ar vorbi despre “exprimarea” respectivei gene) cere energie. Acest proces consumă un procent de 75% din bugetul energetic al celulei.
În acelaşi fel în care un om care colectează şi foloseşte electronice ar avea o factură de electricitate considerabilă, o celulă cu un genom mare are de suportat o povară energetică. Şi la fel cum fanaticul gadgeturilor şi electronicelor are un buget limitat de cheltuit pe facturi colosale, şi o bacterie are o limită de energie pe care o poate utiliza ca să îşi exprime genele. Fiecare genă în plus reduce cantitatea de energie disponibilă pentru o genă. Singura ei opţiune ar fi să producă mai puţine proteine, lucru care ar pune-o în dezavantaj în comparaţie cu semenii săi.
Aşadar procariotele sunt blocate într-un soi de groapă energetică. Ele stau la fundul unui adânc canion evoluționist, înconjurate de pereţi abrupţi a căror escaladare necesită un aflux masiv de energie. Incapabile să depăşească aceste bariere, ele trebuie să se mulţumească şi rămân blocate cu genomuri mici şi structuri simple. Într-adevăr, evoluţia tinde să împingă bacteriile către genomuri chiar mai compacte, scurtând fără milă genele inutile. Astăzi, întru-un milion de litere de ADN, eucariotele au aproximativ 12 gene, în timp ce bacteria are în jur de 1000!
Eucariotele, pe de altă parte, nu se confruntă cu aceleaşi constrângeri. Mulţumită mitocondriei, ele au energie de consumat. O eucariotă obişnuită poate suporta un genom de 200000 de ori mai mare decât cel al unei bacterii, dezvoltând în acelaşi timp o cantitate similară de energie pentru fiecare din genele ei. Cum spun Lane şi Martin: “Cu alte cuvinte, o genă eucariotă comandă de 200000 de ori mai multă energie decât o genă de procariot.”
Genomul eucariotelor este ca un camion-monstru ce consumă gaz în exces, comparat cu genomul elegant, de tip maşină de curse al procariotelor. Beneficiile acestor dimensiuni considerabile nu pot fi supraevaluate. Din cauza faptului că au destulă energie încât să suporte mai multe gene, ele au loc să experimenteze. Nu este nicio surpriză faptul că diversitatea genelor eucariote o depăşeşte cu mult pe aceea a procariotelor. Ultimul strămoş comun al tuturor eucariotelor a dezvoltat deja cel puțin 3000 de familii de gene pe care procariotele nu le au şi a dezvoltat feluri complexe de a le controla şi de a le regla.
Dar de ce nu au evoluat procariotele o soluţie alternativă ce produce aceleaşi beneficii ca mitocondriile? Dacă tot ce se cere este un compartiment intern, pliat intens, atunci bacteriile ar fi trebuit să fie în stare să dezvolte aşa ceva. Într-adevăr, unele au dezvoltat sisteme ca cele mitocondriale. De ce sunt ele încă blocate în canionul lor energetic?
Răspunsul, potrivit lui Lane şi Martin, este că mitocondriile le oferă celulelor eucariote ceva special, ce bacteriile nu vor avea niciodată, nu contează câte pliuri dezvoltă – un alt set de ADN. Deoarece a evoluat din bacterii libere, mitocondriile au un mic genom al lor. Multe dintre genele de la bacteria originală au migrat în genomul principal al celulei-gazdă, dar cele care au rămas în mitocondrie le includ pe cele responsabile de eliberarea energiei din nutrienţi şi oxigen.
Având aceste gene ce produc energie la îndemână, mitocondriile pot reacţiona foarte repede la orice schimbare în membrana cutată ce le-ar împiedica abilitatea de a furniza energie celulei gazdă. În termeni simpli, eucariotele au nevoie de micile cantităţi de ADN din mitocondrii pentru a avea o sursă de energie stabilă. Scoate ADN-ul respectiv din ecuaţie şi pene de curent catastrofice vor avea loc. Fără această asociere apropiată între membrane în plus şi gene ce produc energie, procariotele nu pot spera să ajungă la sursa de energie mare şi stabilă necesară pentru a deveni mai mari şi mai complexe.
Într-un fel, excepţiile existente confirmă regula. Epulopiscium fishelsoni este o bacterie gigant care este aproape la fel de mare ca punctul de la sfârşitul acestei propoziţii, şi cu siguranţă poate fi comparată, ca mărime, cu multe eucariote. A rezolvat problemele reprezentate de mărime prin faptul că are 600000 de copii al întregului genom în fiecare celulă, aproape de margini. Până şi acest procariot gigantic are nevoie de gene aproape de membrană.
Dar această strategie nu ar permite niciodată procariotelor să aibă complexitatea eucariotelor. Este o falsă economie. Problema cu strategia lui Epulopiscium este că avea sute de mii de copii al întregului genom şi de fiecare dată când bacteria se înmulţea, tot ADN-ul trebuia copiat. Asta este o scurgere de energie imensă care conduce exact la problema pe care bacteriile mai mici o au – cantitatea de energie per genă este mică. Confruntându-se cu aceeaşi problemă energetică, Epulopiscium va rămâne un procariot.
Dimpotrivă, mitocondriile au cedat majoritatea genelor lor, şi astfel copierea micului genom rămas este un lucru sigur. Ele dau mult, dar au nevoie de puţin. Ele au furnizat primei eucariote echivalentul a mii de mici baterii, dându-le energia de care aveau nevoie pentru a se extinde, evolua şi experimenta cu noi gene şi proteine. Într-adevăr, dezvoltarea eucariotelor a fost cea mai bună perioadă de inovaţie genetică de la însăşi momentul apariţiei vieţii. Cum scriu Lane şi Martin, “Dacă evoluţia lucrează ca un muncitor, evoluţia cu mitocondrii lucrează ca un grup de ingineri.”
Dacă Lane şi martin au dreptate, ideile lor în importanţa mitocondriilor au implicații majore pentru evoluţia eucariotelor. Există două păreri în acest sens. Una spune că eucariotele sunt descendente are unor strămoşi bacterii, şi că ele erau pe drumul de a evolua o structură complexă înainte ca una din ele să înghită o bacterie care va deveni mitocondria.
Dar dacă mitocondriile erau cheia complexităţii eucariotei, cum spun Lane şi Martin, atunci acel model nu poate fi corect. În locul său, modelul al doilea pare mai plauzibil: prima eucariotă a apărut dintr-o întâlnire întâmplătoare între două procariote. Una a înghițit-o pe cealaltă şi acesta a fost momentul în care a luat naştere prima eucariotă. Doar atunci, cu un val de energie, au început să evolueze caracteristicile specifice eucariotei. A fost vorba de un pas evoluționist singular, când procariotele au ieşit din canionul lor energetic, păşind, literalmente în urma unui singur salt, pe platourile de dincolo, platourile complexităţii.
Articol tradus de Silvia Borlea de pe blogul NotExactlyRocketScience.
