Archeany, czyli nowy sposób na życie

Odkrycie szczególnego statusu archeanów to modelowy przykład trudności, jakie potrafią sprawiać nowoczesne technologie. Czasem dużo łatwiej jest uzyskać jakiś wynik naukowy niż później go zinterpretować, nazwać i scalić z resztą wiedzy.

Nowa twarz starej bakterii

Pojedynczy przedstawiciele grupy, którą dziś określa się mianem archeanów (lub archeowców; formalna nazwa: Archaea, dawniej: Archaebacteria, czyli archebakterie), byli znani już od dziesięcioleci, kiedy w latach  70. zasłużyły sobie na miano „trzeciej formy życia”. Na pierwszy rzut oka nie wydają się zasługiwać na bliższe spojrzenie. Methanobacillus omelianksii (dziś znany jako Methanobacterium), pierwszy przedstawiciel tej grupy wyizolowany w warunkach laboratoryjnych – było to w latach 30. XX wieku – wydaje się być zwykłą bakterią.

Przypomnijmy może dla porządku, jak przebiega najważniejsza, fundamentalna linię podziału w świecie organizmów żywych, oddzielająca tzw. prokarioty od eukariotów. Te pierwsze, przez dziesięciolecia utożsamiane z bakteriami, to znacznie prostsze pod względem budowy, zwykle wyraźnie mniejsze, organizmy, niemal zawsze jednokomórkowe lub tworzące prościutkie formy wielokomórkowe. Eukarioty mają tymczasem bardziej złożone (i najczęściej znacznie większe) komórki, wypełnione różnego rodzaju organellami, których próżno szukać u prokariotów, a ponadto w wielu przypadkach są organizmami wielokomórkowymi. Podstawową cechą wyróżniającą komórki eukariotyczne jest obecność jądra komórkowego: całe DNA (typowo podzielone na liczne odrębne porcje – chromosomy) zamknięte jest w kulistym bąbelku, otoczonym solidną, podwójną błoną, w której zanurzona jest armia białek strzegących wejścia i kontrolujących wyjścia. DNA prokariotów to tymczasem pojedyncza kolista cząstka, unosząca się bezpośrednio w cytoplazmie. Eukarioty posiadają ponadto całą galaktykę innych otoczonych błonami organelli, zwłaszcza mitochondria (w wyjątkowych przypadkach wtórnie utracone), potężny labirynt błon i bąbelków określany jako GERL, a w wielu przypadkach również plastydy, z których najbardziej znanym jest chloroplast. Prokarioty nie mają żadnej organelli tego typu. Krótko mówiąc, eukarioty mają się do prokariotów mniej więcej tak, jak laptop do kalkulatora ręcznego.

Wróćmy do naszej skromnej „bakterii metanowej” i jej towarzyszy. Methanobacillus to niewielka jednokomórkowa pałeczka, o grubości kilkuset nanometrów i długości kilku mikrometrów, a więc wielkości typowej dla bakterii. Po zbadaniu wnętrza jej komórki znajduje się w niej pojedynczą kolistą cząstkę DNA (a nie osobne liniowe chromosomy, jak u eukariontów), nie ma w niej natomiast żadnych organelli typowych dla komórek eukariotycznych. Jedyną niezwykłą cechą widoczną na pierwszy rzut oka jest jej styl metaboliczny – metanotrofia, gdzie produktem ubocznym przemiany materii, odpowiednikiem wydychanego przez nas dwutlenku węgla, jest metan. To dość szczególny przypadek, jednak mikrobiolodzy zdążyli się już przyzwyczaić, że bakterie wypełniają wszystkie dające się wyobrazić, i parę niedających, nisze ekologiczne na naszej planecie. Szczególne przypadki to w mikrobiologii codzienność. Aby odkryć rzeczywistą tożsamość „bakterii metanowych”, trzeba było zajrzeć do ich genów.

Rewolucja genomiczna

Na przełomie lat 60. i 70. XX wieku pojawiły się możliwości techniczne porównywania różnych organizmów żywych pod względem sekwencji ich genów – coś, co dziś na stałe weszło nie tylko do katalogu metod naukowych, a stopniowo wkracza również i naszego życia codziennego. Wśród pierwszych entuzjastów tej metody był Carl Woese. Współpracujący z nim wówczas mikrobiolog Ralph Wolfe, który jako pierwszy opracował metodę hodowania w laboratorium dość grymaśnych „bakterii metanowych”, wspomina, że katalogowanie bakterii było wówczas żmudną, mało wdzięczną, momentami wręcz absurdalną procedurą. O ile w przypadku ssaków czy nawet mikroskopijnych pierwotniaków można posługiwać się całą paletą cech anatomicznych, fizjologicznych czy wręcz behawioralnych, bakterie są najczęściej ledwo widocznymi, nawet w najlepszych mikroskopach, nieruchomymi lub prawie nieruchomymi, do złudzenia do siebie podobnymi kuleczkami, pałeczkami czy świderkami. Zewnętrzne podobieństwa w ogóle nie świadczą o pokrewieństwie, a podział systematyczny bakterii zależał w dużym stopniu od widzimisię danego mikrobiologa. Wolfe jeszcze jako doktorant przysiągł swojemu promotorowi, że nigdy nie podejmie się „bug sorting”, czyli „sortowania robaczków”. Sytuacja zmieniła się, gdy dzięki entuzjazmowi Woesego i jego współpracowników udało się zgromadzić rosnącą bazę danych krótkich sekwencji genetycznych różnego rodzaju bakterii.

Gdy Wolfe po raz pierwszy dostarczył Woesemu sekwencje pochodzące z badanych przez niego „bakterii metanowych”, były one tak odmienne od wszystkich obecnych w bazie sekwencji, że wspólnie doszli do wniosku, że to musi być pomyłka, a badane przez nich RNA pochodzi z jakiegoś zanieczyszczenia. „Ralph, to nie są bakterie”, miał powiedzieć Woese, ku irytacji Wolfe’a, który odparł mu, że skoro pod każdym względem wyglądają jak bakterie, to po prostu nimi są. Powtórzyli więc badanie ze szczególną uwagę, jednak wynik był ten sam – tzw. „odległość genetyczna” między typowymi bakteriami a nowo zidentyfikowanymi metanogenami była czasem równie duża, co między bakteriami a, powiedzmy, zwierzętami.

Woese i jego współpracownik George Fox opublikowali w 1977 jeden z najczęściej cytowanych artykułów w dziedzinie mikrobiologii ewolucyjnej – wstępnie nazwali w nim nową, przedziwną linię zidentyfikowanych przez nich metanogenów jako „archebakterie”, określając łącznie wszystkie pozostałe mianem „eubakterii”, czyli „prawdziwych bakterii”. W 1990 roku, po ponad dekadzie intensywnych badań, Woese – któremu z wielkim trudem w końcu udało mu się przekonać światek mikrobiologów, że mają do czynienia z czymś zupełnie nowym –  wraz z dwoma kolegami ukuł nazwę „Archaea”, aby ostatecznie podkreślić fakt, że ta linia ogranizmów jednokomórkowych nie jest ani trochę bardziej podobna do „prawdziwych bakterii” niż do eukariotów. Stąd model „trzech domen”, w którym eukarioty (Eukaryota), archeany (Archaea) i „prawdziwe bakterie” (Eubacteria, ale zwykle po prostu „bakterie”, Bacteria) stanowią trzy główne odrębne grupy organizmów żywych.

Choć model ten szybko się upowszechnił, do dziś istnieje głośna grupa krytyków, którzy alergicznie reagują na model trzech domen. Jest to ciekawa ilustracja ogólnej zasady, którą można by przedstawić jako swoistą wersję gilotyny Hume’a (nie da się w prosty sposób przejść od zdania „jest tak-i-tak” do zdania „powinniśmy czynić tak-i-tak”). Tłumacząc to na świat biologii: nie da się bezpośrednio przejść od opisu grupy organizmów do decyzji, jak powinniśmy je klasyfikować.

Jak klasyfikować?

Co właściwie powinno decydować o tym, w jaki sposób podzielimy wszystkie znane nauce organizmy żywe?
Zwykle jako pierwszą wymienia się „poprawność naukową”, zwłaszcza, nieco precyzyjniej, zgodność z przebiegiem ewolucji. W praktyce oznacza to, że nie chcemy łączyć w jedną grupę organizmów co prawda podobnych, ale tylko odlegle spokrewnionych, jak „zwierzęta latające”: ptaki latające, nietoperze, ważki… Technicznie, chcemy, aby każda etykieta klasyfikacyjna (takson) była monofiletyczna, czyli wiązała ze sobą organizmy wszystkie wywodzące się od wspólnego przodka. Już to proste wymaganie wywołuje jednak kontrowersje. Przykładowo, zarówno ssaki, jak i ptaki, wywodzą się z gadów. Sprawia to, że takson „gady” nie jest w ścisłym sensie monofiletyczny, ponieważ wykluczone są z niego dwie szczególne podgrupy, które osiągnęły znaczący stopień odmienności – ssaki i ptaki.

To prowadzi nas do drugiej ważnej cechy klasyfikacji – ma być ona praktyczna w użyciu, również ze względów dydaktycznych. Powinna więc stopniowo wprowadzać nas w złożoność życia i pozwalać na szybką orientację w jego bogactwie i różnorodności. Ślepe opieranie się wyłącznie na różnorodności genetycznej (co stoi u podstaw wydzielania archeanów jako supergrupy – domeny) może prowadzić do prawdziwych patologii. Prokarioty nie tylko należą do najstarszych organizmów żywych na naszej planecie, ale też zajmują szersze spektrum środowisk niż wszystkie eukarioty razem wzięte. W praktyce przekłada się to na oszałamiającą różnorodność genetyczną, której niekoniecznie towarzyszy różnorodność „anatomiczna” dostrzegalna na pierwszy czy nawet drugi rzut oka. Dwa gatunki bakterii, których odmienność doceni wyłącznie mikrobiolog, mogą więc różnić się od siebie znacznie bardziej niż ameba różni się od dębu czy człowieka. Gdybyśmy więc chcieli podzielić wszystkie organizmy żywe na, powiedzmy, 20 głównych grup, kierując się wyłącznie kryterium „równego podziału” globalnej różnorodności genetycznej, prawdopodobnie uzyskalibyśmy 19 grup prokariotów, a wszystkie eukarioty zostałyby wtłoczone w jeden tylko takson. Byłoby to „sprawiedliwe” z punktu widzenia genetycznego, ale skrajnie niepraktyczne z każdego innego. Co więcej, ślepe trzymanie się obecnego stanu wiedzy na temat sekwencji genetycznych organizmów oznaczałoby konieczność ciągłego tworzenia i niszczenia nowych królestw organizmów żywych.

W hipotetycznym świecie, w którym twórcy systemów klasyfikacyjnych ślepo stosują się do zasady równego podziału różnorodności genetycznej pomiędzy królestwa, zgodne z bieżącym stanem wiedzy, na liście królestw organizmów żywych obok swojskich zwierząt, roślin i grzybów musielibyśmy więc uwzględnić również, przykładowo, thaumarcheoty, korarcheoty, nanoarcheoty i euryarcheoty, a po opublikowanym kilka lat temu artykule, w których zbadana została różnorodność archeanów żyjących na dnie Oceanu Atlantyckiego, należałoby dodać do nich również lokiarcheoty, odinarcheoty i parę innych królestw…

Czym więc w końcu są te archeany?

Kontrowersja otaczająca archeany jest do pewnego stopnia właśnie wynikiem starcia między zwolennikami klasyfikowania na sposób „formalny” i tych, którzy cenią takie, bardziej nieformalne, cechy klasyfikacji, jak intuicyjna jasność czy stabilność. Zwolennicy modelu trzech domen, do których obok Woesego należy dziś również większość świata mikrobiologów, podkreślają więc genetyczną odmienność archeanów, ale też – co trzeba uczciwie przyznać – szereg interesujących różnic na poziomie biologii komórki. Archeany, jako organizmy od wielu miliardów lat przystosowane do życia w wysokich temperaturach i, bardzo często, wysokich zakwaszeniach i przy zupełnym braku tlenu, nie posiadają więc typowej dla większości (choć nie wszystkich) bakterii ściany komórkowej, zbudowanej z tzw. peptydoglikanu, zaś ich błony komórkowe zbudowane są z lipidów o wyjątkowym, niespotykanym nigdzie indziej składzie chemicznym. Genom archeanów zorganizowany jest też w sposób nieco bardziej złożony niż genom typowych (eu)bakterii; choć nie mają jąder komórkowych jak eukarioty, posiadają białka łudząco podobne do eukariotycznych histonów, czyli „szpulek”, na które nawinięte jest DNA, dzięki czemu nie plącze się ono w ciasnym wnętrzu komórki.

Tego typu różnice, trzeba jednak przyznać, są mało spektakularne nie tylko dla przeciętnego zjadacza chleba, dla którego klasyfikacja organizmów żywych służy tylko szybkiej orientacji, jakiego zasadniczego typu istoty żywe istnieją na Ziemi, ale również dla wielu biologów, w tym mikrobiologów i biologów systematycznych. Do przeciwników systemu trzech domen należała przez długie lata wybitna mikrobiolożka Lynn Margulis, która uparcie stosowała system pięciu królestw (bakterie, protisty, rośliny, grzyby, zwierzęta), traktując archeany jako podgrupę bakterii. Zasłużony kanadyjski mikrobiolog i jeden z najbardziej wpływowych biologów systematycznych na świecie, Thomas Cavalier-Smith, jest też od lat zajadłym przeciwnikiem traktowania archeanów jako trzeciej domeny. W jego własnym preferowanym systemie klasyfikacyjnym archeany zagrzebane są głęboko jako jedna z podgrup wielkiego królestwa bakterii. Co gorsza, samo słowo „archeany” (czy nawet „archebakterie”) budzi kontrowersje, ponieważ wydaje się sugerować, że jest to bardzo stara grupa – jedna z najwcześniej powstałych ze wszystkich grup bakterii. W rzeczywistości jednak, jeśli oceniać na podstawie posiadanych danych paleontologicznych, archebakterie należą do najmłodszych spośród wszystkich grup prokariotów…

Na zadane w tytule tej sekcji pytanie trudno więc jednoznacznie odpowiedzieć. Samo wymienianie cech szczególnych archeanów może wydać się mało przekonujące i trzeba by bardzo głębokiego wejścia w meandry mikrobiologii, aby przekonująco wyjaśnić, dlaczego właściwie archeany stanowią jedną z trzech wielkich gałęzi życia. Znacznie łatwiej jest zrozumieć podział na tradycyjne pięć królestw (zgodnie z wolą Margulis). Z drugiej strony, gdy już dokona się tego trudu i przyjrzy się archeanom „z perspektywy bakterii”, to okazuje się, że są to rzeczywiście bardzo szczególne istotki, które rzucają interesujące światło na historię życia na Ziemi. Nie jest wykluczone, że, wbrew danym paleontologicznym, ale w zgodności z danymi genetycznymi, archeany rzeczywiście reprezentują jedną z najwcześniej oddzielonych przetrwałych do dziś grup organizmów żywych. Tym bardziej interesujące jest więc też ich obfite występowanie w głębokich partiach oceanów, na dnach gorących grzbietów oceanicznych, które stanowią jedno z kilku tradycyjnych miejsc, w których upatruje się zwykle powstania życia na Ziemi. Choć zasadnicza rewolucja, która przyniosła nam wiedzę o archeanach, nastąpiła pod koniec lat 70., do dziś nie jest jasne, co właściwie zostało wówczas odkryte.

Łukasz Lamża