Tik vėliau, anot Blankenshipo, genų perdavimo būdu šios grupės palikuoniai įgijo I tipo mašineriją, pradėdami cianobakterijų liniją. Tad, Blankenshipas mano, kad tai tiesiog atsitiktinumas, kad cianobakterijos turi du reakcijos centrus.

Šis scenarijus daro vieną aiškų spėjimą – kadaise buvo bakterijos, gaminusios deguonį fotosintezės būdu, tačiau besiskyrusios nuo cianobakterijų. Jos būtų trūkstama grandis tarp anoksigeninių bakterijų, turėjusių II tipo reakcijos centrą – taip pat ir dabar gyvenančių purpurinių bakterijų – ir deguonį gaminančių cianobakterijų, tad pavadinkime jas „indigo“ bakterijomis. Tačiau kol kas indigo bakterijų dar nėra rasta. Tačiau Blankenshipas ir kiti bandė parodyti, kad jos galėjo egzistuoti.

Turbūt dar svarbiau, mokslininkų komanda iš Arizonos valstijos universiteto Tempe mieste pabandė paversti purpurines bakterijas kažkuo panašiu į indigo bakterijas. Tyrėjai modifikavo purpurinę taip, kad ji galėtų prisijungti mangano joną prie reakcijos centro ir panaudoti jį reakcijoms su deguonies turinčiomis molekulėmis (PNAS, vol 109, p 2314). Tai ne oksigeninė fotosintezė, bet žingsnis į tą pusę.

Jūrų katastrofa

Net jei biologai vieną dieną sukurs indigo bakteriją laboratorijoje, tai neįrodys, kad tokia evoliucija galėjo įvykti natūraliai. O Allenui, nuoseklios evoliucijos scenarijus negali paaiškinti visų faktų. Kodėl tokia, regis, paprasta įvykių seka užtruko milijardą metų? Kodėl oksigeninė fotosintezė, mūsų žiniomis, išsivystė tik kartą, cianobakterijoms? (Augalai įgavo fotosintezės galimybę, leisdami cianobakterijoms gyveni jų viduje – chloroplastai yra cianobakterijų palikuoniai). Ir kodėl visos cianobakterijos turi abiejų tipų reakcijos centrus?

Allenas irgi mano, kad pirmi išsivystė I tipo reakcijos centrai. Bet nuo čia jo scenarijus visai kitoks. Allenas mano, kad savo istorijos pradžioje šiose bakterijose įvyko kažkokia genetinė klaida, duplikavusi visą I tipo reakcijos centrą koduojančių genų rinkinį. Atliekama kopija galėjo prisiimti kitokį vaidmenį ir ji išvystė gebėjimą pakartotinai panaudoti elektronus – pirmąjį II tipo reakcijos centrą. Turėdamos du atskirus reakcijos centrus, šios „protocianobakterijos“ galėjo klestėti įvairiose aplinkose, siūlo idėją Allenas. Kai buvo pilna vandenilio sulfido, jos naudojo I tipo reakcijos centrą. Vandenilio sulfidui baigiantis, bakterijos persijungė II tipo reakcijos centro naudojimui, antrą kartą panaudodamos surinktus elektronus.

Tada vieną dieną ištiko katastrofa: kai kurios protocianobakterijos pakliuvo į seklios jūros aplinką, kurioje buvo daug mangano, bet trūko vandenilio sulfido. Bakterijos persijungė į II tipo reakciją. Bet ultravioletinė šviesa, pataikiusi į manganą, išmuša elektronus, tad jų buvo pilna – ir šie elektronai greitai užkimšo ciklinį II tipo reakcijos centrą. Atsiradę mangano jonai reaguodavo su vandeniu, sudarydami mangano oksidą, tačiau aplink buvo pilna mangano, gaminančio daugiau, nei reikia elektronų visų mikrobų išžudymui.

Na, beveik visų. Allenas spėja, kad viena laiminga protocianobakterija išgyveno, nes mutacija sulaužė jungiklį, vienu metu įjungdavusį tik vieno tipo reakcijos centrą. Tuo pačiu metu veikiant abiems, elektronai iš mangano galėjo srūti per II tipo centrą prieš pakliūdami į I tipo centrą ir taip neleisdami blokados. Kitais žodžiais tariant, du reakcijos centrai galėjo veikti drauge, kaip jie dabar ir daro cianobakterijose (FEBS Letters, vol 579, p 963).

Bet kaip šios bakerijos palikuoniai perėjo nuo elektronų gavimo iš mangano prie gavimo iš vandens? Na, tam tikra prasme, jie neperėjo. Ir dabar visuose augaluose manganas suteikia fotosintezei reikalingus elektronus. Tačiau elektronai gaunami iš mangano atomų būrelio, esančių II tipo reakcijos centre, ir šis būrelis turi ypatingą savybę – atidavęs elektronus, jis pasivagia trūkstamus iš vandens molekulių, jas suskaldydamas ir išlaisvindamas deguonį.

Kai ankstyvosios cianobakterijos išsivystė tokius II tipo centrus, joms užteko tik mangano pėdsakų. Tada jos galėjo pasitraukti iš daug mangano turinčių aplinkų ir, turėdami neribotus vandens ir šviesos išteklius, pradėti išnaudoti tuo metu gausias CO₂ atsargas. Greitai nesuskaičiuojama gausybė cianobakterijų kūrė pakankamai deguonies, kad pakeistų atmosferą.

Jei Alleno hipotezė teisinga, protocianobakterijos turėjo patekti į labai neįprastą mangano kupiną aplinką ir tuo pačiu metu prarasti svarbaus genetinio jungiklio kontrolę. Allenas sutinka, kad tai mažai tikėtina, bet būtent dėl to oksigeninės fotosintezės atsiradimas truko milijardą metų. „Manau, tebuvo laiko klausimas, kol vienai bakterijai vienu metu nutiktų du atsitikimai,“ sako jis.

Svarbiausia, dabar yra tvirtų Alleno idėją remiančių įrodymų: rasta viena iš tų retų mangano gausių aplinkų. Woodwardas Fischeris su kolegomis iš Kalifornijos technologijų instituto Pasadenoje tyrinėjo dabar Pietų Afrikoje esančias nuosėdines uolienas, atgulusias prieš pat pradedant kilti deguonies lygiui. Vienoje vietoje jie rado mangano oksido perteklių uolienoje, susidariusioje, reikia pažymėti, nesant deguonies. Netgi ultravioletinė spinduliuotė negalėjo sukurti tiek mangano oksido, kiek rasta uolienoje. Tad, kaip komanda pasakė susitikime gruodį, tad tokios fotosintezė, kokia egzistavo Alleno protocianobakterijose, lieka vieninteliu tikėtinu scenarijumi.

„Tai svarbi naujiena, labai jaudinanti – ir labai atitinkanti Johno hipotesę,“ sako Williamas Martinas iš Heinrich Heine universiteto Düsseldorf, Vokietijoje, tyrinėjantis ankstyvąją evoliuciją. Martinas yra Alleno scenarijaus rėmėjas ir dirbo su juo, rinkdamas remiančius įrodymus. Bet Blankenshipas lieka prie savo versijos. Jis apibūdino savo gausias diskusijas su Allenu ir Martinu apie oksigeninės fotosintezės kilmę kaip „labai gyvas, bet draugiškas“.

Debatus kartą ir visiems laikams išspręstų vienos iš pasiūlytų tarpinių formų – indigo bakterijų arba protocianobakterijų – gyvų atstovų atradimas. Keista, bet Blankenshipas ir Allenas abu įsitikinę, kad jų atitinkami organizmai kažkur pasaulyje tebeegzistuoja. „Reikai surasti aplinką, atitinkančią prieš 2,4 milijardus metų buvusias tipiškas sąlygas,“ sako Allenas. „Nėra absurdiška manyti, kad tie organizmai ten tebegyvena.“

Kas bepasirodytų esą cianobakterijų protėviai, trime priežasčių būti jiems labai dėkingi. „Tas organizmas – galbūt atsitiktinai – buvo itin svarbus,“ pažymi Allenas. „Jis paprasčiausiai visam laikui pakeitė pasaulį.“

Colin Barras
New Scientist, №  2920

Komentarai (0)