Este toată viața complexă de pe Pământ legată de un concept din mitologia nordică? Într-un fel, da

Oamenii de știință sunt cu un pas mai aproape de a înțelege originile vieții complexe pe Pământ, după ce au obținut noi date despre un mister legat de strămoșii noștri microbieni. Cheia, bănuiesc ei, ar putea sta în modul în care microbii simpli care au trăit acum miliarde de ani s-au adaptat la prezența oxigenului.

Oamenii, la fel ca toate plantele, ciupercile și animalele de pe Pământ, sunt eucariote - organisme ale căror celule au un nucleu bine definit care conține ADN și alte structuri, cum ar fi mitocondriile, organite care furnizează energie celulelor prin transformarea nutrienților în energie.

Între 2,4 miliarde și 2,1 miliarde de ani în urmă, nivelurile de oxigen din atmosfera Pământului au crescut dramatic, într-un fenomen cunoscut sub numele de „Marele Eveniment de Oxidare”. La câteva sute de mii de ani după acest eveniment, pe planeta noastră au apărut primele urme identificabile de eucariote, păstrate sub formă de microfosile, sugerând că oxigenul a fost de mult timp un ingredient esențial pentru evoluția vieții complexe.

Mulți oameni de știință cred că eucariotele au evoluat din combinarea a două tipuri de microbi.

Însă, într-o întorsătură surprinzătoare, unul dintre acești microbi, cunoscut sub numele de „arhee Asgard”, a fost găsit doar în medii lipsite de oxigen, cum ar fi izvoarele hidrotermale de pe fundul oceanului, deși pare să împărtășească asemănări complexe cu eucariotele.

Cercetătorii s-au întrebat cum au ajuns arheele Asgard să intre în contact cu alți microbi care aveau nevoie de oxigen pentru a supraviețui, astfel încât să formeze eucariotele, dacă ele existau în medii atât de diferite.

Însă o nouă investigație asupra genomurilor Asgard a dezvăluit linii evolutive necunoscute până acum ale acestor microbi în sedimentele de coastă puțin adânci, dintre care unele par să tolereze și chiar să folosească oxigenul, potrivit unui studiu publicat pe 18 februarie în revista Nature, citat de CNN.

„Faptul că unele dintre arheele Asgard, care sunt strămoșii noștri, au fost capabile să folosească oxigenul se potrivește foarte bine cu această idee”, a declarat într-un comunicat Brett Baker, coautor al studiului și profesor asociat de științe marine și biologie integrativă la Universitatea Texas din Austin. „Oxigenul a apărut în mediul înconjurător, iar arheele Asgard s-au adaptat la el. Au descoperit un avantaj energetic în folosirea oxigenului, iar apoi au evoluat în eucariote”.

Înțelegerea rolului arheele Asgard în dezvoltarea vieții complexe ar putea ajuta la rezolvarea misterului mai mare al modului exact în care microbii au evoluat în eucariote și de ce existăm cu toții aici, a spus Baker.

Un microb cu rădăcini mitologice

Arheele Asgard, numite după tărâmul ceresc al zeilor nordici precum Odin și Thor, formează un „superfilum”, adică un grup de organisme care au evoluat dintr-un strămoș comun.

Un singur filum din acest grup a fost descoperit pentru prima dată în 2015, lângă un vulcan submarin din Oceanul Atlantic de Nord cunoscut sub numele de „Castelul lui Loki”, datorită asemănării cu coiful cu coarne purtat de personajul din benzile desenate Marvel - care este, de asemenea, un zeu în mitologia nordică. Microbul a fost numit „Lokiarchaeota”.

Alte filumuri de microbi Asgard au fost, de asemenea, numite după zei din mitologia nordică.

În comparație cu microbii din alte superfilumuri, arheele Asgard par să fie strâns înrudite cu eucariotele și conțin gene întâlnite doar în viața complexă.

„Au fost considerate un fel de verigă lipsă în evoluția vieții, de la viața microbiană unicelulară la viața complexă precum plantele și animalele”, a declarat Baker pentru CNN.

Prin analizarea probelor dintr-o gamă largă de medii, cercetătorii descoperă tot mai multe tipuri de microbi Asgard, precum „Heimdallarchaeia”, numiți după gardianul Asgardului.

În 2023, Baker și colegii săi au descoperit că eucariotele par să fie cel mai strâns înrudite cu grupul Heimdall dintre microbii Asgard, care au căi metabolice cu energie ridicată. Descoperirile au susținut ideea că animalele și alte forme de viață obțin cea mai mare parte a energiei din respirația oxigenului și au consolidat teoria conform căreia creșterea nivelului de oxigen pe Pământ a coincis cu apariția vieții complexe.

Urmărirea proceselor energetice

Următorul pas a fost înțelegerea proceselor de generare a energiei care ar putea avea loc în diferite tipuri de microbi Asgard, pe baza genelor lor.

Pentru a investiga această întrebare, Baker și colegii săi au realizat secvențieri ADN la scară largă din probe colectate atât din izvoare hidrotermale din adâncul oceanelor, cât și din zone costiere puțin adânci. Echipa a reușit să colecteze sute de genomuri necunoscute anterior și să construiască un „arbore al vieții” pentru microbii Asgard, comparând asemănările și diferențele genetice dintre aceștia.

În timpul construirii acestui arbore genealogic au fost descoperite grupuri de proteine necunoscute până acum în acești microbi, ceea ce le-a permis cercetătorilor să compare proteinele cu cele utilizate de eucariote pentru a genera energie și a metaboliza oxigenul. Un model de inteligență artificială a ajutat echipa să identifice modul în care proteinele se pot plia în structuri diferite, ceea ce este corelat cu funcția lor.

Mai multe proteine produse de microbii Heimdall sunt similare cu proteinele eucariote care procesează oxigenul pentru a genera energie în mod eficient, sugerând că cel puțin unele Asgarduri străvechi ar fi putut tolera oxigenul.

Descoperirea unui strămoș străvechi

Inițial, oamenii de știință credeau că strămoșul microbian al vieții complexe era o celulă simplă care trăia în medii fără oxigen.

Acea celulă, potrivit teoriei, s-a adaptat ulterior să folosească oxigenul după ce s-a combinat cu o bacterie, ceea ce a dus în cele din urmă la apariția mitocondriilor în celulele noastre.

„Eucariotele se bazează aproape întotdeauna pe mitocondrii pentru a arde hidrocarburi în prezența oxigenului și pentru a face toate lucrurile uimitoare pe care le facem”, a spus biologul celular Buzz Baum.

Noile descoperiri sugerează însă că arheele Asgard ar fi putut deja să se adapteze la procesarea oxigenului înainte de a se combina cu bacteriile. Această toleranță le-ar fi plasat în medii bogate în oxigen și ar fi putut facilita fuziunea lor cu bacteriile.

„Tranziția către viața complexă nu a necesitat inventarea metabolismului oxigenului de la zero, elementele de bază existau deja”, a scris Burak Avci, profesor asistent de microbiologie la Universitatea Aarhus din Danemarca.

Totuși, el subliniază că cercetătorii analizează reprezentanți moderni ai unui eveniment antic petrecut acum miliarde de ani, iar întâlnirile reale care au dus la apariția primei celule eucariote ar fi putut implica strategii metabolice diferite.

Autorii studiului au menționat, de asemenea, că este nevoie de mai multe dovezi pentru a confirma biologic predicțiile genetice, mai ales atunci când se încearcă determinarea capacităților exacte ale arheele Asgard străvechi, de acum aproape 2 miliarde de ani.

Arheele Asgard moderne s-au schimbat și s-au adaptat probabil pentru a folosi oxigenul, a remarcat Baum.

Studiul se adaugă unui număr tot mai mare de dovezi care sugerează că celulele eucariote au apărut în medii costiere ce conțineau oxigen.

Baker speră că în următorii cinci până la zece ani oamenii de știință vor atinge un prag important: observarea evoluției microbilor Asgard crescuți în laborator în celule eucariote — un proces cunoscut sub numele de „eucariogeneză”.

„Nu există niciun motiv să credem că acest lucru s-a întâmplat doar o singură dată, acum 2 miliarde de ani”, a spus el.

Studii viitoare ar trebui să măsoare și cantitatea de oxigen din mediile în care sunt prezente arheele Asgard și să identifice microbi din acest superfilum care pot crește folosind doar cantități mici de oxigen.

Arheele Asgard sunt cele mai apropiate rude vii ale omenirii provenite din acel eveniment străvechi, ceea ce înseamnă că ele conțin indicii despre originile noastre.

„Dacă privești în jur, planeta noastră este dominată de eucariote”, a spus Baker. „Înțelegerea modului în care s-au format reprezintă una dintre cele mai mari tranziții în evoluția vieții pe Pământ. Faptul că am găsit oxigen la strămoșii noștri apropiați, în Asgarduri, se potrivește foarte bine cu această piesă din puzzle.”