Gigantyczne bakterie – nowe wyzwanie dla teorii ewolucji?Czas czytania: 11 min

Biolodzy ewolucyjni wyjaśniają pochodzenie zarówno chloroplastów, jak i mitochondriów za pomocą teorii endosymbiozy między pierwotną komórką eukariotyczną a komórkami prokariotycznymi. Endosymbioza zakłada, że mitochondria i chloroplasty powstały wskutek trwałego wchłonięcia prokariotycznych organizmów przez eukariotyczne. Zgodnie z tą koncepcją pochodzące od sinic fotosyntetyzujące endosymbionty namnażały się w komórkach gospodarza, następnie drogą ewolucji przekształciły się w chloroplasty¹. Teoria endosymbiozy nie wyjaśnia jednak, w jaki sposób powstał i zaczął funkcjonować mechanizm oddychania komórkowego czy fotosyntezy tlenowej przez pierwotną komórkę eukariotyczną przed wystąpieniem endosymbiozy. Co więcej, nie są znane skamieniałości sprzed wchłonięcia endosymbiontów², co jest nieudolnie tłumaczone ich wymarciem. Ponadto nie doszło do strawienia symbionta po wniknięciu do komórki gospodarza, co byłoby naturalnym procesem po wniknięciu obcego organizmu w struktury komórkowe.

Powyższe trudności wskazują, że teoria endosymbiozy wciąż zawiera istotne luki i nie daje pełnego wyjaśnienia pochodzenia komórek eukariotycznych. Dzięki odkryciu  gigantycznych bakterii, jak na przykład Thiomargarita magnifica, uczeni biorą pod uwagę alternatywny scenariusz, według którego endosymbioza mogła zajść między dwoma jednokomórkowymi organizmami prokariotycznymi (a nie między komórką eukariotyczną a prokariotyczną) – na przykład między gigantyczną bakterią z wakuolą a sinicą.

Gigantyczne bakterie, czyli bakteria bakterii nierówna

Naukowcy odkryli bakterie o nietypowych rozmiarach. W 1985 roku w jelitach ryb z Morza Czerwonego zaobserwowali Epulopiscium fishelsoni. Następnie badacze z Instytutu Maxa Plancka poinformowali o znalezieniu bakterii Thiomargarita namibiensis, której rozmiary mogą przekraczać 700 mikrometrów (dla porównania większość bakterii ma rozmiary w zakresie 0,2–2,5 mikrometra). Najbardziej spektakularne było jednak odkrycie przez Oliviera Grosa w 2009 roku w lasach namorzynowych na Guadalupe bakterii Thiomargarita magnifica. W 2022 roku opublikowano opis tej bakterii i przeprowadzono bardziej szczegółowe badania. Ten przyjmujący postać nitkowatych, białych struktur organizm jednokomórkowy można dostrzec gołym okiem, ponieważ standardowo osiąga jeden centymetr, a największe osobniki mają nawet dwa centymetry!³ Oprócz rozmiarów Thiomargarita magnifica zadziwia również obecnością pepin (wewnętrznych organelli). U większości znanych bakterii materiał genetyczny jest luźno zawieszony w cytoplazmie komórki bez rozdziału od innych komponentów. Z kolei największa bakteria wytwarza membranowe struktury zwane pepinami, a nośnik informacji genetycznej pozostaje w tych strukturach zamknięty i nie występuje bezpośrednio w płynnym wnętrzu komórki. Gigantyczna bakteria posiada otoczone błoną pepiny, które zawierają DNA i rybosomy⁴. Rozdział DNA to cecha charakterystyczna dla organizmów eukariotycznych, nie dla bakterii, tym bardziej odkrycie to stało się unikatowe.

Organizacja pepin – model nieredukowalnej złożoności

Pepiny tworzą integralny układ elementów: DNA, rybosomy i otaczająca błona biologiczna. Ponadto są one równomiernie rozmieszczone w komórce. Wykluczenie któregokolwiek z elementów prowadzi do braku funkcjonalności. Komórka Thiomargarita magnifica posiada tysiące pepin, czyli przedziałów zawierających DNA i rybosomy, bez których bakteria nie byłaby w stanie produkować potrzebnych jej białek. Brak DNA wraz z odpowiedzialnymi za produkcję białek rybosomami uniemożliwiłby wytwarzanie białek. Następnie usunięcie błony biologicznej otaczającej pepinę zaburzyłoby izolację procesów transkrypcji i translacji, prowadząc do metabolicznego chaosu w komórce. Pepiny stanowią model uporządkowania informacji genetycznej oraz jej ekspresji u bakterii. Nie zostały odkryte bakterie posiadające jedynie częściowo rozwinięte pepiny.

Znacząca długość komórki

Thiomargarita magnifica osiąga długość do 2 cm (20 000 mikrometrów). Taka wielkość pociąga za sobą szereg wyzwań metabolicznych, jakie komórka musi przezwyciężyć – na przykład niekorzystny stosunek powierzchni do objętości (duża objętość przy małej powierzchni wymiany gazów, substancji odżywczych i metabolitów to mniejsza możliwość transportu tych substancji przez błonę przy dużym zapotrzebowaniu na przykład na tlen czy składniki odżywcze). Thiomargarita magnifica nie towarzyszą problemy wynikające z dużych rozmiarów, ponieważ posiada dużą i wypełnioną azotanami wakuolę (zajmuje ona znaczną objętość komórki). Transport substancji odżywczych, gazów i metabolitów zyskuje na wydajności poprzez pojawienie się centralnej wakuoli. Wakuola to struktura charakterystyczna dla roślin, a wraz ze wzrostem jej rozmiarów następuje wzrost rozmiaru komórki. U roślin wakuola jest pojedyncza i ma znaczne rozmiary. Otacza ją błona tonoplastu. Wakuola odpowiada za regulację ciśnienia osmotycznego i utrzymanie turgoru. Turgor to naprężenie ściany komórkowej spowodowane ciśnieniem wody wewnątrz komórki, które utrzymuje jej jędrność i kształt. Magazynuje wodę, jony, a także stanowiące często związki ochronne dla roślin metabolity. Natomiast wakuolę bakteryjną wypełniają sole (azotany i inne rozpuszczone w wodzie związki mineralne). Ułatwia ona utrzymanie ogromnych rozmiarów komórki bakterii oraz redukuje objętość cytoplazmy, przez co dyfuzja w komórce staje się łatwiejsza. Wakuola zazwyczaj nie występuje u bakterii, jednak Thiomargarita magnifica stanowi wyjątek – posiada wakuolę, która pełni funkcję podobną do tej znanej z komórek roślinnych, uczestnicząc w regulacji kształtu i rozmiarów komórki.

Próby wyjaśniania powstania systemu komórkowego wyłącznie przez działanie doboru naturalnego są niewystarczające, aby oddać złożoność komórki Thiomargarita magnifica, która łączy obecność licznych pepin z mechanizmami pozwalającymi przezwyciężyć ograniczenia wynikające z dużych rozmiarów komórki prokariotycznej.

Chloroplasty i bakterie

Większe rozmiary struktur komórkowych można również zaobserwować w chloroplastach roślinnych (w pełniących funkcję fotosyntetyczną plastydach z chlorofilem, które są dobrze rozwiniętym systemem błon tylakoidowych). Na przykład u rzodkiewnika pospolitego Arabidopsis thaliana za prawidłowy podział chloroplastów odpowiada białko Giant Chloroplast 1. Jest ono niezbędne – jego brak powoduje, że w komórkach miękiszu palisadowego pojawiają się jeden lub dwa gigantyczne chloroplasty, które są zarówno większe, jak i grubsze niż chloroplasty występujące w typie dzikim⁵. Większość odpowiedzialnych za fotosyntezę komórek miękiszu zawiera jeden gigantyczny chloroplast, a niewielka część komórek dwa olbrzymie plastydy. Funkcjonowanie tego białka ogranicza się do tkanek fotosyntetyzujących i jest ekspresjonowane (wytwarzane) głównie w liściach i łodygach⁶. W komórce chloroplasty znaczących rozmiarów znajdują się wokół centralnej wakuoli i ją otaczają. Nieobecność Giant Chloroplast 1 skutkuje defektami w dzieleniu się i zahamowaniem podziału chloroplastów⁷. Jednak zwiększony poziom białka nie ma wpływu na proces podziału i nie przyspiesza dzielenia plastydów. Białka Giant Chloroplast działają więc jako pozytywny czynnik proliferacji plastydów. Zmiany funkcjonalne białek, które są zaangażowane w podział plastydów, skutkują powstaniem olbrzymich chloroplastów (zajmują większość cytoplazmy)⁸.

Okazuje się, że z pozoru odmienne struktury, jak chloroplasty i bakterie, mogą wykazywać podobieństwo. Wskazuje się na bliskie pokrewieństwo między białkami Giant Chloroplast a białkami pochodzenia cyjanobakteryjnego⁹. Oprócz Arabidopsis thaliana także niektóre gatunki widliczki (Selaginella) posiadają pojedyncze olbrzymie chloroplasty w komórkach epidermy lub górnych komórkach miękiszu palisadowego¹⁰. Na przykład rodzina roślin Selaginellaceae posiada pojedyncze gigantyczne chloroplasty w komórkach naskórka grzbietowego¹¹. Cechy chloroplastów u gatunków roślin lądowych są silnie utrwalone, pomimo przeprowadzania fotosyntezy przez rośliny w dużym zakresie warunków, plastydy nie różnią się znacząco strukturą, wielkością czy liczbą¹². W większości grup roślin różnorodność chloroplastów okazuje się dość znikoma i przeważają niewielkie chloroplasty (w komórkach miękiszu palisadowego i gąbczastego u roślin wyższych jest od 50 do 120 chloroplastów)¹³. Układ małych plastydów wynika z podziału chloroplastów na drodze binarnego podziału prokariotycznego komórki¹⁴, który występuje u bakterii, co stanowi o podobieństwie między chloroplastami a bakteriami.

Podziały komórki u bakterii

Thiomargarita magnifica, zamiast klasycznego podziału komórki występującego u prokariontów, wykazuje dimorficzny cykl życiowy z asymetryczną segregacją chromosomów do komórek potomnych¹⁵. Podział binarny u komórki E. coli trwa 20 minut, z kolei Thiomargarita magnifica potrzebuje znacznie więcej czasu na przeprowadzenie złożonego asymetrycznego podziału.

Sinice i chloroplasty

Zarówno sinice, jak i chloroplasty posiadają system błon tylakoidowych, gdzie zachodzi fotosynteza. Kolejne podobieństwo dotyczy tego, że w komórkach sinic i chloroplastach zachodzi ten sam typ fotosyntezy – fotosynteza oksygeniczna (tlenowa). Chloroplasty posiadają barwniki fotosyntetyczne, na przykład chlorofil, a sinice dodatkowo mają niebieski barwnik białkowy (fikocyjaninę)¹⁶. W obydwu przypadkach – sinic i chloroplastów – tylakoidy zawierają fotosystemy II i I¹⁷. Charakterystyczne dla bakterii rybosomy 70S są obecne w chloroplastach, ten sam parametr zachowują rybosomy sinic¹⁸.

Bakterie, takie jak Thiomargarita magnifica oraz gigantyczne chloroplasty występujące u Arabidopsis thaliana czy Selaginella, charakteryzują się wysokim stopieniem organizacji. Występowanie w nich złożonych struktur, na przykład pepin czy wakuoli, jest nietuzinkową cechą wśród bakterii. Ewolucyjne scenariusze nie wyjaśniają w pełni powstania zintegrowanych systemów o współzależnych elementach. Fakt, że zarówno plastydy, jak i pepiny wymagają do funkcjonowania wielu współdziałających elementów, które nie są obserwowane u innych organizmów w formie pośredniej i mniej złożonej, stanowi podstawę do nowych rozważań nad powstaniem systemów biologicznych wraz z w pełni rozwiniętymi strukturami. Ponadto teoria endosymbiozy między komórką eukariotyczną i prokariotyczną posiada poważne luki. Można rozważać możliwość, że wchłonięcie sinicy nastąpiło przez komórkę prokariotyczną, a nie eukariotyczną, zwłaszcza w świetle doniesień o wysoce uorganizowanych strukturach, takich jak pepiny i wakuola w bakterii Thiomargarita magnifica.

Wiktoria Frątczak

Stypendysta VI edycji konkursu stypendialnego Fundacji En Arche

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 23.7.2025

Literatura: