Στρωματόλιθοι: Τα «ζωντανά απολιθώματα» στην Αυστραλία που αποκαλύπτουν την απαρχή της ζωής στη Γη

Με μια πρώτη ματιά, οι στρωματόλιθοι και τα μικροβιακά στρώματα μοιάζουν με σκοτεινά, άψυχα βράχια. Στην πραγματικότητα, πρόκειται για πυκνοκατοικημένες, πολυεπίπεδες αποικίες που δημιουργήθηκαν από μικροοργανισμούς. Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, πολύ πριν εμφανιστούν τα πρώτα φυτά και ζώα, αυτές οι δομές απελευθέρωσαν μερικές από τις πρώτες ποσότητες οξυγόνου στην ατμόσφαιρα της Γης. Τώρα, μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Current Biology υποδεικνύει ότι οι συγκεκριμένοι σχηματισμοί διατηρούν ζωντανά ίχνη από ένα ακόμη κορυφαίο κεφάλαιο της εξέλιξης: την ανάδυση της σύνθετης ζωής.

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Μπρένταν Μπερνς (Brendan Burns), εξελικτικό μικροβιολόγο στο Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας (UNSW Sydney), ανακάλυψε ένα άγνωστο μέχρι σήμερα μικρόβιο που ζει σε στενή επαφή με άλλον οργανισμό μέσα σε αυτά τα «ζωντανά απολιθώματα». Το έργο, το οποίο πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Σίδνεϊ (UTS) και το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, προσφέρει απαντήσεις σε ένα θεμελιώδες μυστήριο της βιολογίας, εξηγώντας πώς απλά κύτταρα άρχισαν να συνεργάζονται, δίνοντας σταδιακά ώθηση στη σύνθετη ζωή. «Οι στρωματόλιθοι μπορεί να είναι κάτι πολύ περισσότερο από ένα απλό λίκνο όπου άνθισαν οι πρώιμες μικροβιακές μορφές», δηλώνει ο Μπερνς. «Ίσως μας αποκαλύψουν τον τρόπο με τον οποίο εμφανίστηκε για πρώτη φορά η σύνθετη ζωή».

Μια μικροβιακή συνεργασία με ρίζες στα βάθη του χρόνου

Αν και οι στρωματόλιθοι έκαναν την εμφάνισή τους πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, εξακολουθούν να αναπτύσσονται μέχρι σήμερα στο Σαρκ Μπέι (Shark Bay) της Δυτικής Αυστραλίας, μια περιοχή ενταγμένη στον κατάλογο Παγκόσμιας Κληρονομιάς της UNESCO. Τα δείγματα που συλλέχθηκαν από την τοποθεσία επέτρεψαν στους επιστήμονες να απομονώσουν ένα μέλος των αρχαιοβακτηρίων Άσγκαρντ (Asgard archaea). Πρόκειται για μια ασυνήθιστη ομάδα μικροοργανισμών που θεωρείται στενός συγγενής των προγόνων των ευκαρυωτών, των κυττάρων δηλαδή που συγκροτούν όλα τα φυτά, τα ζώα και τον άνθρωπο.

Μια κλασική θεωρία της εξελικτικής βιολογίας υποστηρίζει ότι το πρώτο ευκαρυωτικό κύτταρο γεννήθηκε μέσα από τη στενή συμβίωση ενός αρχαίου αρχαιοβακτηρίου με ένα βακτήριο. Σύμφωνα με αυτό το σενάριο, ο ένας οργανισμός τελικά απορρόφησε τον άλλον, μια διαδικασία που οδήγησε στη δημιουργία των μιτοχονδρίων, των οργανιδίων παραγωγής ενέργειας των κυττάρων μας. Όμως, οι βιολόγοι δεν διέθεταν μέχρι σήμερα άμεσες εικόνες που να καταγράφουν πώς ακριβώς έμοιαζε μια τέτοια αρχέγονη επαφή. Η συγκεκριμένη μελέτη προσφέρει για πρώτη φορά οπτικές αποδείξεις: ένα αρχαιοβακτήριο Asgard συνδέεται φυσικά με ένα βακτήριο μέσω εξαιρετικά λεπτών σωληνοειδών αγωγών, γνωστών ως νανοσωληνίσκοι. «Αυτό θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ένα μικρό μοντέλο για το πώς ξεκίνησαν αυτού του είδους οι συνεργασίες που τελικά διαμόρφωσαν τους ευκαρυώτες», εξηγεί ο Μπερνς.

Χρόνια εργαστηριακών προσπαθειών και τρισδιάστατη απεικόνιση

Η γενετική αλληλούχιση επιβεβαίωσε εξαρχής ότι το DNA των οργανισμών υπήρχε στα δείγματα. Η καλλιέργειά τους στο εργαστήριο, ωστόσο, αποδείχθηκε εξαιρετικά επίπονη. «Χρειάστηκαν τέσσερα με πέντε χρόνια στο εργαστήριο», θυμάται ο Μπερνς. «Πολύς χρόνος για βελτιστοποιήσεις και συνεχές κυνήγι σκιών». Τα αρχαιοβακτήρια Asgard φημίζονται για τη δυσκολία ανάπτυξής τους έξω από το φυσικό τους περιβάλλον. Οι ερευνητές αδυνατούσαν να τα αναπτύξουν μόνα τους, μια αδυναμία που αποκαλύπτει μια ουσιαστική πτυχή της φύσης τους. Το γεγονός ότι δεν κατέστη δυνατό να απομονωθούν σε καθαρή καλλιέργεια μαρτυρά ότι αυτά τα μικρόβια εξαρτώνται απόλυτα από άλλους οργανισμούς για να επιβιώσουν.

Η επιστημονική διείσδυση επετεύχθη με τη βοήθεια της κρυο-ηλεκτρονικής τομογραφίας (electron cryotomography), μιας μεθόδου τρισδιάστατης απεικόνισης υψηλής ανάλυσης ικανής να καταγράψει κυτταρικές δομές σε κλίμακα ενός εκατομμυριοστού του χιλιοστού. Οι εικόνες αποκάλυψαν το αρχαιοβακτήριο και το βακτήριο να συνδέονται άμεσα μέσω βακτηριακών νανοσωληνίσκων. Την ίδια ώρα, οι ερευνητές παρατήρησαν το αρχαιοβακτήριο να παράγει αλυσίδες εκβλαστάνοντων κυστιδίων και περίτεχνες σωληνοειδείς δομές. Οι δύο οργανισμοί αλληλοσυμπληρώνονται χημικά, ανταλλάσσοντας θρεπτικά συστατικά, βιταμίνες και υδρογόνο. Ο αναπληρωτής καθηγητής Ντεμπνάθ Γκοσάλ (Debnath Ghosal) από το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης τόνισε ότι η άμεση καταγραφή αυτής της αλληλεπίδρασης φέρνει την επιστήμη μερικά βήματα πιο κοντά στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίχθηκαν τα πολύπλοκα κύτταρα από απλούστερες μορφές.

Αρχαίες κυτταρικές μηχανές και η κληρονομιά των Μαλγκάνα

Στην έρευνα επιστρατεύτηκε επίσης η βαθιά μάθηση (deep learning). Όπως ανακοίνωσε η αναπληρώτρια καθηγήτρια Κέιτ Μίτσι (Kate Michie) από το UNSW, οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης χρησιμοποιήθηκαν για να προβλέψουν τη δομή των πρωτεϊνών των μικροβίων. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να αντικρίσει πρωτόγονες εκδοχές κυτταρικών μηχανισμών, οι οποίοι αργότερα έγιναν θεμέλιο για τη σύνθετη ζωή. Μέσα στα αφιλόξενα μικροβιακά στρώματα, η στενή συνεργασία προσέφερε καθαρό πλεονέκτημα επιβίωσης. Ο αναπληρωτής καθηγητής Ίαν Ντάγκιν (Iain Duggin) από το UTS σχολίασε πως είναι εντυπωσιακό το ότι τέτοιες συνεργασίες άντεξαν επί εκατομμύρια χρόνια, οδηγώντας τελικά στην ανάδυση ακόμα και του ανθρώπου: «Είναι σαν να αναδυθήκαμε αργά από τον βυθό της θάλασσας».

Το νεοανακαλυφθέν μικρόβιο ονομάστηκε επίσημα Nerearchaeum marumarumayae. Η ονομασία συνδυάζει τον Νηρέα, την αρχαία ελληνική θεότητα της θάλασσας, με τη λέξη marumarumayae της γλώσσας Μαλγκάνα, που σημαίνει «αρχαίο σπίτι». Οι Μαλγκάνα είναι ο αυτόχθονος λαός του κεντρικού Σαρκ Μπέι, οι δεσμοί του οποίου με τη γη αναγνωρίζονται επίσημα από το κράτος, με συνεχή παρουσία στην περιοχή εδώ και περίπου 30.000 χρόνια.

Για την επιλογή του ονόματος υπήρξε συνεργασία με την Κίμπερλι Όκλεϊ (Kymberly Oakley), κορυφαία ειδικό στη γλώσσα Μαλγκάνα, καθώς και με τους πρεσβύτερους της κοινότητας, οι οποίοι έδωσαν την άδεια να ενταχθεί η γλώσσα τους στη διεθνή επιστημονική ονοματολογία. Για τους αυτόχθονες, το Σαρκ Μπέι αποτελεί ζωντανή πολιτιστική κληρονομιά που συνεχίζουν να φροντίζουν και να προστατεύουν. Για τους ερευνητές, προσφέρει ένα ζωντανό παράθυρο στις συνθήκες της αρχέγονης Γης.

Ο Μπερνς στοχεύει πλέον στον εντοπισμό και άλλων τέτοιων μικροβιακών συνεργασιών, εμπλουτίζοντας αυτό που ο ίδιος αποκαλεί «αρχέγονη σούπα Asgard». Πέρα από τους μικροοργανισμούς, πρόκειται για μια συλλογική προσπάθεια διαφορετικών επιστημονικών κλάδων, φοιτητών και τοπικών κοινοτήτων. Μια ανακάλυψη που αποκτά ιδιαίτερη σημασία σήμερα, καθώς αυτά τα ευαίσθητα οικοσυστήματα απειλούνται άμεσα από την κλιματική κρίση και την ανθρώπινη παρέμβαση. Ακόμη και οι πιο μικροσκοπικοί εταίροι μπορούν να αφήσουν ανεξίτηλο αποτύπωμα στην ιστορία του πλανήτη.

Διαβάστε επίσης