Nov, revolucionaren pogled na razvoj življenja

Že kratek sprehod po gozdu ponudi kopico očarljivih prizorov. Drevesa se vzpenjajo proti nebu, med njihovimi vejami se spreletavajo ptice, skozi listje in podrast poganjajo gobe. In vendar vse te in še mnoge druge organizme, ki jih lahko zaobjame človeško oko, druži ključna sorodnost: sestavljeni so iz iste vrste celic. Pod mikroskopom se namreč neštete razlike med rastlinami, živalmi in gobami zabrišejo in razkrijejo – skupno notranjo strukturo.

Biosfera, življenjsko območje živih bitij na Zemlji, bi bila nepojmljivo drugačna, če se tako imenovana evkariontična celica ne bi razvila. Zato njen izvor sodi med najpomembnejše dogodke v razvoju življenja na našem planetu. Skoraj vsi strokovnjaki so si namreč enotni, da se je kompleksna evkariontična celica razvila iz skupnega preprostega prednika. Vprašanje je le – kako?

Znotraj evkariontične celice obstaja zapleteno omrežje membran, imenovano endoplazemski retikulum – celični organel, ki igra ključno vlogo pri zorenju in usmerjanju beljakovin v celici. V njej so še druge pomembne strukture, denimo energijo proizvajajoči mitohondriji, v osrčju evkariontične celice pa leži jedro – večji oddelek, obdan z dvojno membrano, ki vsebuje večino celičnega genskega materiala.

A če bi odvzeli tovrstno celično organiziranost, bi na planetu ostala ena sama preprosta celica, imenovana prokariontična, kakršna je, denimo, bakterijska. In takšna preprosta celica pod mikroskopom ni videti dosti drugače kakor mala, z gelom napolnjena vrečka.

Biologi tako rekoč od nekdaj domnevajo, da se je kompleksna evkariontična celica razvila, ko so se deli zunanje membrane preproste prokariontične celice nagubali navznoter in ustvarili notranje celične predelke. Nekatere membrane so se po teh domnevah ovile okoli deoksiribonukleinske kisline (DNK) in ustvarile membrano jedra, druge pa so se postopno preobrazile v endoplazemski retikulum. In na neki točki tega razvoja so preostali deli celice med procesom fagocitoze zaobjeli in pogoltnili prostoživeče bakterije; iz njih so nastali mitohondriji.

V preteklosti je bilo predstavljenih že veliko različic takšnega razvojnega modela, toda vsi temeljijo na izrecni predpostavki, da so se evkarionti razvili v smeri od zunaj navznoter – delci zunanje membrane in mitohondrijev so »potovali« v notranjost celice.

Alternativni pogled

Evolucijski biolog David Baum z univerze v Wisconsinu in celični biolog Buzz Baum z Univerzitetnega kolidža v Londonu pa sta v reviji BMC Biology objavila povsem nasprotno hipotezo: po njunem mnenju so se evkariontične celice razvile v smeri od znotraj navzven.

Z drugimi besedami, prokariontična celica je iztisnila delce zunanje membrane – nekakšne mehurčke – skozi celično steno. In iz teh mehurčkov so nastali zunanji deli evkariontične celice, ki vsebujejo endoplazemski retikulum in mitohondrije.

Ta povsem novi pogled na razvoj evkariontične celice oziroma življenja na Zemlji je avtorjema omogočil, da sta v novi luči uzrla še marsikaj drugega. Zunanja membrana evkariontične celice je nenadoma postala evolucijska novost, ovojnica celičnega jedra pa na lepem ustreza mejam svoje prokariontične prednice – oboje je seveda v izrazitem nasprotju s tradicionalnimi hipotezami.

Dolgo zorenje misli

Revolucionarna domneva Davida in Buzza Bauma je bila resda uradno predstavljena šele zdaj, toda njena temeljna zamisel je stara že tri desetletja. Doktorju Davidu Baumu se je utrnila med študijem botanike na univerzi v Oxfordu, ko je pogosto primerjal skice male prokariontične in precej večjih in kompleksnejših evkariontičnih celic. Ob takšnih priložnostih se je vedno znova vprašal, zakaj že od nekdaj domnevajo, da so meje obeh vrst celic ekvivalentne, ko si je vendar dovolj preprosto zamisliti, da prokariontična celica dejansko ustreza jedru večje, kompleksnejše evkariontične.

O tej svoji zamisli je med študijem leta 1984 napisal znanstveni esej in zanj dobil lepo oceno, toda tedanjim predavateljem se očitno ni zdel posebno prepričljiv. Navsezadnje takrat še nihče ni razmišljal v smeri, da bi prokariontična celica potiskala svojo membrano navzven. Tudi mladi študent Baum je pričakoval, da bo njegovo zamisel razvil kdo od uveljavljenih strokovnjakov in nemara izdelal in predstavil lasten koncept – in sčasoma ga je raziskovalno delo preusmerilo drugam.

A ko se je trideset let pozneje znova lotil poglobljenega razmišljanja o izvoru in zgodnji evoluciji življenja na Zemlji, je presenečen ugotovil, da v vsem tem času očitno ni nikomur prišlo na misel, da se je kompleksnejše življenje morda razvilo na način, kakršnega je predstavil v svojem mladostnem eseju. Je bila za drzno misel res potrebna prav mladostna neobremenjenost študenta, da si je upal podvomiti o znanstveni dogmi?

Ponovno je torej proučil svoj model od znotraj navzven in napisal krajšo razpravo o tem, zakaj je morda ravno ta model pravi, vsekakor pa da je o njem vredno razmisliti kot o alternativi prevladujočim razlagam o izvoru evkariontov. Še posebno zato, ker je zdaj znano, da tudi prokarionti, ki so tesno povezani z evkarionti – tako imenovane arheje – pogosto proizvajajo zunajcelične izbokline, svojevrstne »mehurčke«.

Odmevi preteklosti

Svoj študentski esej je poslal nečaku, kolegu in prijatelju Buzzu Baumu. Ta je bil kot celični biolog sicer vajen proučevati notranjo strukturo evkariontov, nikdar pa še ni naletel na tako drzno, kompleksno in hkrati prepričljivo razlago o razvoju življenja. Z veliko vnemo se je lotil stričevega mladostnega eseja.

Sorodnika in znanstvena sodelavca sta si začela čedalje pogosteje izmenjevati številne skice in nove prebliske in postopno se jima je oblikovala vse celovitejša in prepričljivejša podoba o zapleteni, a ključni tematiki za razvoj življenja na našem planetu. Čedalje bolj sta bila prepričana, da njun model ponuja zanimive odgovore na marsikatero uganko. Med drugim pojasnjuje, zakaj je endoplazemski retikulum neposredno povezan z mejno membrano celičnega jedra in zakaj oba vsebujeta kemijske snovi, ki so podobne snovem v celični steni arhej.

Prodornost takšnega načina mišljenja ju je privedla do spraševanja, ali je morda tudi moderna celica pri svojem delovanju ohranila katerega od odmevov iz preteklosti. Med proučevanjem, kako celice rastejo in kako so se razvile v moderne evkarionte, sta izdelala vrsto presenetljivih znanstvenih prognoz o nekaterih vidikih celične biologije, ki še niso dobro raziskani. Model »od znotraj navzven« potencialno pojasnjuje tako morebitno vlogo endoplazemskega retikuluma pri določanju vzorca širjenja molekul znotraj celice kot delovanje več še neproučenih beljakovin v arhejah.

Da bi svojo teorijo temeljito preverila, se je mlajši dr. Baum s študenti lotil proučevanja dinamike tega širjenja v evkariontičnih celicah. Proučiti nameravajo tudi beljakovine, ki so skupne evkariontični celici in arheji, da bi preverili njihovo delovanje in lokacijo znotraj arhejske celice. Pri tem bodo morali premagati več tehničnih težav, da bi, denimo, lahko posneli te celice v žveplovi kislini pri temperaturi 76 stopinj Celzija, kar je njihovo najljubše življenjsko okolje. Starejši dr. Baum pa medtem svojo teorijo poskuša preveriti z drugimi sredstvi – z računalniško analizo različnih genov.

Ne glede na to, ali bo novi revolucionarni model »od znotraj navzven« obveljal ali ne, preverjanje tovrstnih zamisli zagotovo vodi k boljšemu razumevanju nastanka evkariontov na Zemlji. Posredno pa oblikuje in usmerja tudi pričakovanja, ali morda na drugih planetih poleg prokariontom podobnih celic obstajajo še večji in kompleksnejši organizmi, kakršni so življenje na našem planetu naredili tako pestro in lepo.