Как хората могат да оцелеят по-дълго в космоса? Фотосинтетична кожа

Следва извадка от Следващите 500 години: инженерен живот за достигане на нови светове от Кристофър Мейсън.

Купете книгата

Следващите 500 години: инженерен живот за достигане на нови светове

Хибридни гени между видовете

Във водите около Бостън и Ню Йорк се носи странен, малък хибриден морски охлюв със зелен цвят: Елизия хлоротична . Този уникален вид има способността да става подобен на растение, като открадва напълно функционални, фотосинтезиращи хлоропласти от водораслите, които яде – процес, наречен „клептопластика“, което буквално означава „кражба“ на плазмидите (хлоропластите) или органелите. Докато усвояването на ДНК и преместването на мобилни генетични плазмиди в бактериите е обичайно, преместването на цели системи е рядкост при по-големите организми.

Понякога наричани „морски охлюви, захранвани със слънчева енергия“, Елизийският вид използва зеления хлоропласт като камуфлаж срещу хищници. Водораслите обикновено имат твърда, дебела растителна клетъчна стена, която предотвратява каквото и да е счупване или нахлуване на видове - така че как елизийците вкарват хлоропластите в тялото си?

Със сламки, разбира се! Elysians имат вградени молекулярни сламки, които им позволяват да пробият стените на водораслите и да изсмукват хлоропластичния продукт, превръщайки се в ярко зелено. Ако охлювите не ядат достатъчно от своите „зеленчуци“ (хлоропласти), те стават кафяви с червени пигментни петна.

Изненадващо, хлоропластите могат да оцелеят месеци или дори години в голямата разклонена храносмилателна система на (сега зеления) морски охлюв. Подобно на фагоцитите на човешката имунна система, Елизийските фагоцити могат лесно да погълнат водораслите и след това да интегрират хлоропластите в собствените си биологични системи. Дори когато са вградени в телата им, хлоропластите все още функционират, улавят слънчевата светлина, създават захар и издишват кислород. Въпреки че първоначално се смяташе, че зловещите зелени морски охлюви се нуждаят от хлоропласти, за да оцелеят, се оказа, че се справят добре и без светлина. Изследовател на име Свен Гулд показа, че дори и без светлина оцеляването и теглото на охлювите са приблизително еднакви. И така, това до известна степен е развлекателна характеристика на охлювите, сякаш любимият им начин да прекарат деня си е клетъчната кражба на зелени вътрешни украшения.

Но тези малки зелени крадци повдигат въпроса - как хлоропластите оцеляват и функционират в телата си? В нормалните растения хлоропластите изискват 90 процента от техните основни протеини да идват от ядрото на растението гостоприемник. Те са основно съквартиранти. Ясно е, че тези морски охлюви също могат да задоволят нуждите на посещаващите ги хлоропласти, но как? Когато търсят възможни гени, които биха могли да поддържат оцеляването на хлоропластите и фотосинтезата, Джеймс Манхарт и други изследователи забелязват, че ключов ген на водорасли, psbO, е в ДНК на морския плужек. psbO е критичен ген, защото кодира стабилизиращ манган протеин, който е част от комплекса фотосистема II на хлоропласта.

Най-важното е, че ДНК последователността на гена на морски охлюв и гена на водораслите са почти идентични. Изглежда, че морският плужек отдавна е взел назаем гена от водораслите и никога не го е върнал. Това отвори вълнуващата възможност за хоризонтален генен трансфер (HGT), при който ген от организъм се премества „хоризонтално“ от един вид в друг. Това е в контраст с „вертикалния“ генен трансфер, при който ДНК се движи между едно поколение и следващото.

Но как тези изследователи могат да бъдат сигурни, че това е HGT? Първоначалните доказателства показват, че генът вече присъства в яйцеклетките и половите клетки на Елизия хлоротична . Въпреки това, гените не изглеждат активни, когато последващата работа изследва тяхната РНК, с допълнителни анализи през 2017 г., показващи, че всъщност има малко доказателства за тези гени в ДНК на яйцето (зародишната линия). По този начин, докато механизмът на това как хлоропластите се улавят от Елизия хлоротична може да оцелее толкова дълго все още е донякъде мистерия, очевидно е възможно и може да е било подпомогнато от HGT.

Друг пример за HGT идва от тардиградите, които са известните „водни мечки“, които могат да оцелеят във вакуума на космоса (също представени в глава 4). Десетки гени на тардиградите вероятно са получени от HGT и могат също да допринесат за биологията на организма. Този процес на „флуидни гени“ между видовете е ключов двигател на еволюцията, тъй като милиони години натиск за селекция в един контекст могат внезапно да бъдат позиционирани в изцяло нов контекст за ново генетично обогатяване на характеристики и функции.

Chlorohumans с размерите на два тенис корта

Могат ли хората да имитират нашите крадливи приятели, Елизия хлоротична , и да фотосинтезираме, вместо винаги да се налага да ядем с устата си? За да накараме хлоропластите да работят при хората, ще трябва да направим някои големи предположения. Първото предположение е, че клетките на човешката кожа биха могли да поддържат хлоропластите. Тази подкрепа ще изисква нашата имунна система да не ги отхвърля и меланинът (пигментът, който придава цвета на кожата) няма да пречи на функциите на хлоропластите. Освен това хлоропластите ще трябва да оцелеят и да бъдат функционални, но Елизия хлоротична системата показва, че е възможно.

Следващото предположение, което трябва да направим, се отнася до ефективността на улавяне на фотони от хлоропласта в неговия нов човешки гостоприемник. Никоя химическа реакция никога не е 100 процента ефективна, най-вече поради втория закон на термодинамиката, биофизичните граници на ефективност и други грешки. И така, какъв процент от слънчевата енергия трябва да приемем, че новият „зелен човек“ може да улови? Оценките показват, че ефективността на растенията за улавяне на фотони е само около 5 процента. Така че ще приемем, че новите клетки 'хлороскин' ще действат по подобен начин.

Следващият въпрос е за това колко енергия можем да получим от нашия хлороскин. Средно всеки човек има около 1,7 квадратни метра кожа, но дори и да е напълно гол, само половината от тази кожа вероятно ще бъде изложена на слънце (например, когато лежите по корем). В светъл ден енергийните нива на слънчевата светлина са около 300 вата на квадратен метър, което е достатъчно за захранване на нормална крушка за около три часа. И накрая, за да сме консервативни, приемете, че биохимията на фотосинтезата вътре в хлоропласта е само 75 процента ефективна. Като се има предвид този вход, хлорокожата ще събере само около 34 килоджаула енергия на час. Човек със среден ръст се нуждае от около 10 милиона джаула на ден, за да оцелее.

По този начин, за да функционира човек при нормални енергийни нива, ще са необходими 290 часа обедна слънчева светлина, за да събере достатъчно енергия, за да издържи един ден. Въпреки това, за да достигнете необходимата енергия, повече кожа може да свърши работа. Ако човешкият епидермис се разшири 300 пъти (1,7 m^две× 300), което е с размерите на два тенис корта, хлорочовек, легнал по корем, ще трябва да седи на слънце само за около един час. Следователно, хлорохуман може да отиде в обедна почивка, да разгърне новооткритата си кожа в голямо празно поле някъде, да се нахрани, докато може би подремва, и след това да затвори кожата си и да се върне обратно вътре, пълен и сит.

Мобилни гени и семигени

Като се има предвид, че хлоропластични клептомани съществуват в животинското царство, не трябва да е изненада, че има и други малки, подвижни молекули, които се движат между видовете. През 2010 г. Ален Робичон открива високи нива на каротеноиди в листни въшки, малки насекоми, които могат да бъдат намерени в листата по целия свят. Това само по себе си не е твърде странно, като се има предвид, че животните се нуждаят от каротеноиди за различни клетъчни функции, включително зрение, оцветяване и обработка на витамини. Особеността идва от предишни изследвания на Нанси Моран и Тайлър Джарвик, които показват, че каротеноидите не присъстват в диетата на листните въшки. Оранжевите и червените органични пигменти, които придават характерните есенни цветове на тиквите и доматите, се смяташе, че се произвеждат само от растения, водорасли, бактерии и гъбички - но ето едно насекомо, което очевидно може да ги направи само.

Robichon и неговият екип се заеха да открият какво биха могли да правят тези малки насекоми с толкова високи нива на очевидно синтезиран или крадено открадено от крадено от крадено от непознато каротеноид. Те първо забелязаха, че клетките с високи нива на каротеноиди също имат повишени нива на аденозин трифосфат (АТФ) - по същество бензинът на клетките. След това забелязали, че нивата на АТФ ще се променят в зависимост от излагането на насекомото на светлина. Поставете насекомото на светлина, ATP се повишава; постави го на тъмно, АТФ пада. За да тества допълнително реакцията им на светлина, екипът раздели листните въшки на два отбора: тези с високи нива на каротеноиди и тези с по-ниски нива. Както се очакваше, групата с по-високи каротеноиди успя да абсорбира повече светлина. Освен това екипът показа, че каротеноидите в листните въшки са близо до повърхността (0–40 nm), точно това, което човек би очаквал, ако каротеноидите се използват за улавяне на слънчева светлина.

Дарете за науката петък

Инвестирайте в качествена научна журналистика, като направите дарение на Science Friday.

След това, през 2012 г., Moran и Jarvik завършиха филогенетичен анализ, който идентифицира гени в насекомите, които бяха почти идентични с тези в каротеноидния път при гъбичките. Те разгледаха тридесет и четири вида листни въшки по света и отбелязаха, че всички листни въшки имат поне едно копие на този ген (ликопен циклаза/фитоен синтаза), а някои видове листни въшки дори имат седем. Обратно, всички гъбични геноми имат само едно копие. Най-близките живи роднини на листните въшки, наречени adelgids, също показаха доказателства, че притежават този път. По този начин, след достатъчно време, гените от едно цяло царство на живота могат да се преместят в друго и допълнително да осигурят напълно нови функции.

Важно е, че това не са единствените примери за преместване на гени от един организъм в друг. HGT е показан при бактерии до гъбички ( Saccharomyces cerevisiae ), бактерии към растенията ( Agrobacterium ), бактерии до насекоми ( Волбахия , при бръмбари и дървеници), органели до органели (при паразити на Rafflesiaceae ), растение към растение (роговик към папрати), гъби към насекоми (както по-горе с грахови листни въшки), човек към паразит ( Plasmodium vivax ), вирус към растение (вирус на тютюнева мозайка) и евентуално растения към животни (вид Elysia, по-горе). Най-скандалната и обширна HGT, която някога е била наблюдавана, е скок от бактерии към животни в малки акари, които живеят в световните океани, bdelloid rotifers. Приблизително 8 процента от техните гени са получени от бактерии.

Въпреки това, най-яркият пример за движение на гени е, когато те го правят масово. Теорията за ендосимбиозата на митохондриите и хлоропластите твърди, че в даден момент тези „минибактерии“ са били погълнати или слети с еукариотни клетки. Вместо да умрат или да се разделят, те решават да се оженят - и оттогава са заедно в любящ клетъчен брак. Това позволи не само един ген да бъде преместен, но цели мрежи, мембрани и нови способности. Например, АТФ в човешките клетки, от които човешката биология зависи за прехраната и съществуването, дори не се произвежда от човешкия компонент на клетката; създава се в митохондриите.

Трябва да се отбележи, че трансферът на гени от митохондриите към човешкия геном и обратно е процес, който все още продължава. Ядрените митохондриални ДНК сегменти (NUMTs) са резултат от това ангажиране и съществуват там, където митохондриалните гени са мигрирали, като номади, от митохондриите към човешкото ядро. ДНК в нашите клетки работи независимо от това откъде идва, което означава, че нашите генни мрежи не избират мястото си в нашите клетки, независимо от тяхната история; по-скоро тяхното място се определя въз основа на това, което е необходимо. Същият принцип, който се прилага за живота на Земята, може лесно да бъде приложен и извън Земята. Предвид тези широко разпространени и широко разпространени примери за обмен на ДНК между видовете, не е неочаквано или дори неестествено да започнем да мислим за това в човешките клетки. Тъй като нашата собствена човешка линия предоставя само еволюционни уроци от последните няколко милиона години, ще бъдем по-добри, ако вземем уроците от милиарди години еволюция, за да оцелеем в далечни светове.

Извадка от Следващите 500 години: инженерен живот за достигане на нови светове , от Кристофър Е. Мейсън, публикувано от The MIT Press.