ბიოსინთეზი ცილები მდე ნუკლეინის მჟავა მოითხოვს აზოტის თუმცა ატმოსფერული აზოტი მიუწვდომელია eukaryotes ორგანული სინთეზისთვის. მხოლოდ რამდენიმე პროკარიოტი (როგორიცაა ციანობაქტერია, კლოსტრიდია, არქეა და ა.შ) აქვს უნარი დააფიქსიროს მოლეკულური აზოტი უხვად ხელმისაწვდომი ატმოსფეროს. ზოგიერთი აზოტის ფიქსაცია ბაქტერიების ცხოვრობენ ევკარიოტული უჯრედების შიგნით სიმბიოზურ ურთიერთობაში, როგორც ენდოსიმბიონტები. მაგალითად, ციანობაქტერიები Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) არის ერთუჯრედოვანი მიკრო წყალმცენარეების ენდოსიმბიონტი Braarudosphaera bigelowii საზღვაო სისტემებში. ითვლება, რომ ასეთმა ბუნებრივმა მოვლენამ გადამწყვეტი როლი ითამაშა ევკარიოტების ევოლუციაში საკანი ორგანელები მიტოქონდრია და ქლოროპლასტები ენდოსიმბიოზური ბაქტერიების ევკარიოტულ უჯრედში ინტეგრაციის გზით. ახლახან გამოქვეყნებულ კვლევაში, მკვლევარებმა აღმოაჩინეს, რომ ციანობაქტერია "UCYN-A” მჭიდროდ იყო ინტეგრირებული ევკარიოტულ მიკროწყალმცენარეებთან Braarudosphaera bigelowii და განვითარდა ენდოსიმბიონტიდან აზოტის დამამყარებელ ევკარიოტული უჯრედის ორგანელამდე, სახელად ნიტროპლასტი. ამით შეიქმნა მიკროწყალმცენარეები Braarudosphaera bigelowii პირველი ცნობილი აზოტის დამამყარებელი ევკარიოტი. ამ აღმოჩენამ გააფართოვა ატმოსფერული აზოტის ფიქსაციის ფუნქცია პროკარიოტებიდან ევკარიოტებამდე.
სიმბიოზი, ანუ სხვადასხვა სახეობის ორგანიზმები იზიარებენ ჰაბიტატს და ერთად ცხოვრობენ, ჩვეულებრივი ბუნებრივი მოვლენაა. სიმბიოზურ ურთიერთობაში პარტნიორებმა შეიძლება ისარგებლონ ერთმანეთისგან (მუტუალიზმი), ან ერთმა შეიძლება ისარგებლოს, ხოლო მეორე უცვლელი დარჩეს (კომენსალიზმი) ან ერთი სარგებლობს, ხოლო მეორეს ზიანი მიადგება (პარაზიტიზმი). სიმბიოზურ ურთიერთობას ენდოსიმბიოზი ეწოდება, როდესაც ერთი ორგანიზმი ცხოვრობს მეორის შიგნით, მაგალითად, პროკარიოტული უჯრედი, რომელიც ცხოვრობს ევკარიოტული უჯრედის შიგნით. პროკარიოტულ უჯრედს, ასეთ ვითარებაში, ენდოსიმბიონტს უწოდებენ.
ენდოსიმბიოზმა (ანუ პროკარიოტების ინტერნალიზაციამ წინაპართა ევკარიოტული უჯრედის მიერ) გადამწყვეტი როლი ითამაშა მიტოქონდრიისა და ქლოროპლასტების ევოლუციაში, უფრო რთული ევკარიოტული უჯრედებისთვის დამახასიათებელი უჯრედ-ორგანელები, რამაც ხელი შეუწყო ევკარიოტული სიცოცხლის ფორმების გამრავლებას. ითვლება, რომ აერობული პროტეობაქტერია შევიდა წინაპართა ევკარიოტულ უჯრედში, რათა გახდეს ენდოსიმბიონტი იმ დროს, როდესაც გარემო სულ უფრო და უფრო მდიდრდებოდა ჟანგბადით. ენდოსიმბიონტური პროტეობაქტერიის უნარმა გამოიყენოს ჟანგბადი ენერგიის შესაქმნელად, მასპინძელ ევკარიოტს საშუალება მისცა ახალ გარემოში აყვავებულიყო, ხოლო სხვა ევკარიოტები გადაშენდნენ ახალი ჟანგბადით მდიდარი გარემოს მიერ დაწესებული უარყოფითი სელექციური წნევის გამო. საბოლოოდ, პროტეობაქტერია ინტეგრირდება მასპინძელ სისტემასთან და იქცა მიტოქონდრიად. ანალოგიურად, ზოგიერთი ფოტოსინთეზური ციანობაქტერია შევიდა წინაპარ ევკარიოტებში, რათა გახდეს ენდოსიმბიონტი. დროთა განმავლობაში, ისინი ასიმილაციას უწევდნენ ევკარიოტული მასპინძლის სისტემას, რომ გახდნენ ქლოროპლასტები. ევკარიოტებმა ქლოროპლასტებით შეიძინეს ატმოსფერული ნახშირბადის დაფიქსირების უნარი და გახდნენ ავტოტროფები. ნახშირბადის დამამყარებელი ევკარიოტების ევოლუცია წინაპრების ევკარიოტებისგან იყო გარდამტეხი მომენტი დედამიწაზე ცხოვრების ისტორიაში.
აზოტი საჭიროა ცილების და ნუკლეინის მჟავების ორგანული სინთეზისთვის, თუმცა ატმოსფერული აზოტის დაფიქსირების უნარი შემოიფარგლება მხოლოდ რამდენიმე პროკარიოტით (როგორიცაა ზოგიერთი ციანობაქტერია, კლოსტრიდია, არქეა და ა.შ.). არცერთ ცნობილ ევკარიოტს არ შეუძლია დამოუკიდებლად დააფიქსიროს ატმოსფერული აზოტი. ბუნებაში ჩანს ორმხრივი ენდოსიმბიოზური ურთიერთობები აზოტის დამფიქსირებელ პროკარიოტებსა და ნახშირბადის დამფიქსირებელ ევკარიოტებს შორის, რომლებსაც ზრდისთვის აზოტი სჭირდებათ. ერთ-ერთი ასეთი მაგალითია ციანობაქტერია Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) და ერთუჯრედული მიკროალგა Braarudosphaera bigelowii შორის პარტნიორობა საზღვაო სისტემებში.
ბოლო კვლევაში, ენდოსიმბიოტიკური კავშირი ციანობაქტერიას Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) და ერთუჯრედულ მიკროალგას Braarudosphaera bigelowii შორის გამოიკვლია რბილი რენტგენის ტომოგრაფიის გამოყენებით. უჯრედის მორფოლოგიის ვიზუალიზაციამ და წყალმცენარეების დაყოფამ გამოავლინა კოორდინირებული უჯრედული ციკლი, რომელშიც ენდოსიმბიონტური ციანობაქტერიები თანაბრად იყოფა ისე, როგორც ქლოროპლასტები და მიტოქონდრია იყოფა ევკარიოტში უჯრედის გაყოფის დროს. უჯრედულ აქტივობაში ჩართული ცილების შესწავლამ აჩვენა, რომ მათი მნიშვნელოვანი ნაწილი დაშიფრულია წყალმცენარეების გენომით. ეს მოიცავდა ცილებს, რომლებიც აუცილებელია ბიოსინთეზისთვის, უჯრედების ზრდისა და გაყოფისთვის. ეს აღმოჩენები ვარაუდობენ, რომ ენდოსიმბიონტური ციანობაქტერია მჭიდროდ იყო ინტეგრირებული მასპინძლის უჯრედულ სისტემასთან და გადავიდა ენდოსიმბიონტიდან მასპინძელი უჯრედის სრულფასოვან ორგანელად. შედეგად, მასპინძელი წყალმცენარეების უჯრედმა შეიძინა უნარი დააფიქსიროს ატმოსფერული აზოტი ზრდისთვის საჭირო ცილების და ნუკლეინის მჟავების სინთეზისთვის. ახალ ორგანელას დაარქვეს ნიტროპლასტი აზოტის დამაგრების უნარის გამო.
ეს ქმნის უჯრედულ მიკროწყალმცენარეებს Braarudosphaera bigelowii პირველი აზოტის დამფიქსირებელი ევკარიოტი.ამ განვითარებას შეიძლება ჰქონდეს გავლენა სოფლის მეურნეობა და ქიმიური სასუქების ინდუსტრია გრძელვადიან პერსპექტივაში.
***
წყაროები:
- კოალი, TH et al. 2024. აზოტ-მამაგრებელი ორგანელა ზღვის წყალმცენარეებში. მეცნიერება. 11 Apr 2024. Vol 384, Issue 6692 გვ. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. ნიტროპლასტი: აზოტის ფიქსაციის ორგანელა. მეცნიერება. 11 აპრილი 2024. ტ. 384, გამოცემა 6692. გვ 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
