Lífmyndun á prótein og kjarnsýra krefjast köfnunarefni þó er köfnunarefni í andrúmsloftinu ekki tiltækt heilkjörnungar fyrir lífræna myndun. Aðeins fáir dreifkjörnungar (svo sem blábakteríur, clostridia, archaea o.s.frv.) hafa getu til að festa sameinda köfnunarefni sem er mikið til í Andrúmsloftið. Einhver köfnunarefnisbindandi bakteríur lifa inni í heilkjörnungafrumum í samlífi sem endosymbionts. Til dæmis blábakteríurnar Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) er endosymbiont einfruma örþörunga Braarudosphaera bigelowii í sjávarkerfum. Talið er að slíkt náttúrufyrirbæri hafi gegnt mikilvægu hlutverki í þróun heilkjörnunga. klefi frumulíffæri hvatbera og grænukorn með samþættingu endosymbiotic baktería við heilkjörnunga frumuna. Í nýlega birtri rannsókn komust vísindamenn að því að blábakteríurnar „UCYN-A“ hafði náið samþættingu heilkjörnunga örþörunganna Braarudosphaera bigelowii og þróaðist úr endosymbiont í köfnunarefnisbindandi heilkjörnunga frumulíffæri sem heitir nitroplast. Þetta gerði örþörunga Braarudosphaera bigelowii fyrsta þekkta köfnunarefnisbindandi heilkjörnunga. Þessi uppgötvun hefur aukið virkni bindingar köfnunarefnis í andrúmsloftinu frá dreifkjörnungum í heilkjörnunga.
Samlíf, þ.e. lífverur af mismunandi tegundum sem deila búsvæði og búa saman, er algengt náttúrufyrirbæri. Samstarfsaðilarnir í sambýlissambandinu geta haft gagn af hvor öðrum (gagnkvæmni), eða annar gæti hagnast á meðan hinn er óáreittur (commensalism) eða annar hagnast á meðan hinn skaðast (sníkjudýrkun). Sambýlissambandið er kallað endosymbiosis þegar ein lífvera býr inni í hinni, til dæmis dreifkjarnafruma sem býr inni í heilkjörnungafrumu. Dreifkjarnafruman, í slíkum aðstæðum, er kölluð endosymbiont.
Endosymbiosis (þ.e. innbyrðis dreifkjörnunga af heilkjörnungafrumu forfeðra) gegndi mikilvægu hlutverki í þróun hvatbera og grænukorna, frumulíffæranna sem einkennast af flóknari heilkjörnungafrumum, sem stuðlaði að útbreiðslu heilkjörnunga lífsforma. Talið er að loftháð próteobaktería hafi farið inn í heilkjörnungafrumu forfeðranna og orðið að endosymbiont á sama tíma og umhverfið varð sífellt súrefnisríkara. Hæfni endosymbiont proteobacterium til að nota súrefni til að búa til orku gerði heilkjörnungunum kleift að dafna í nýja umhverfinu á meðan hinir heilkjörnungarnir dóu út vegna neikvæðs valþrýstings frá nýju súrefnisríku umhverfi. Að lokum sameinaðist próteinbakterían hýsilkerfinu og varð að hvatbera. Á sama hátt komu nokkrar ljóstillífandi blábakteríur inn í heilkjörnunga forfeðranna til að verða endosymbiont. Í fyllingu tímans samlagast þeir heilkjörnungahýsilkerfinu og urðu grænukorn. Heilkjörnungar með grænukorn öðluðust getu til að laga kolefni í andrúmsloftinu og urðu sjálfvirkir. Þróun kolefnisbindandi heilkjörnunga frá forfeðrum heilkjörnunga var þáttaskil í sögu lífs á jörðinni.
Köfnunarefni er nauðsynlegt fyrir lífræna nýmyndun próteina og kjarnsýra, en hæfileikinn til að binda köfnunarefni í andrúmsloftinu er aðeins takmörkuð við fáa dreifkjörnunga (eins og sumar blábakteríur, clostridia, archaea osfrv.). Engar þekktar heilkjörnungar geta sjálfstætt lagað köfnunarefni í andrúmsloftinu. Gagnkvæm endosymbiotic tengsl milli niturbindandi dreifkjörnunga og kolefnisbindandi heilkjörnunga sem þurfa köfnunarefni til að vaxa sjást í náttúrunni. Eitt slíkt dæmi er samstarf bláæðabakteríunnar Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) og einfrumu örþörunganna Braarudosphaera bigelowii í sjávarkerfum.
Í nýlegri rannsókn var innkirtlatengsl milli blábakteríunnar Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) og einfrumu örþörunganna Braarudosphaera bigelowii könnuð með mjúkri röntgenmyndatöku. Sjónræn frumugerð og skipting þörunganna leiddi í ljós samræmdan frumuhring þar sem endosymbiont blábakteríur skiptust jafnt á sama hátt og grænukorn og hvatberar í heilkjörnungum skiptast við frumuskiptingu. Rannsókn á próteinum sem taka þátt í frumuvirkni leiddi í ljós að stór hluti þeirra var kóðaður af erfðamengi þörunga. Þetta innihélt prótein sem eru nauðsynleg fyrir lífmyndun, frumuvöxt og skiptingu. Þessar niðurstöður benda til þess að endosymbiont cyanobacteria hafi verið náið samþætt við hýsilfrumukerfið og umskipti frá endosymbiont í fullgild frumulíffæri hýsilfrumunnar. Þar af leiðandi öðlaðist hýsilþörungafruman getu til að binda köfnunarefni í andrúmsloftinu til að mynda prótein og kjarnsýrur sem þarf til vaxtar. Nýja líffærið er nefnt nítróplast vegna köfnunarefnisbindandi getu þess.
Þetta gerir einfruma örþörunga Braarudosphaera bigelowii fyrsta köfnunarefnisbindandi heilkjörnunga.Þessi þróun getur haft þýðingu fyrir landbúnaður og áburðariðnaði til lengri tíma litið.
***
Tilvísanir:
- Coale, TH et al. 2024. Köfnunarefnisbindandi frumulíffæri í sjávarþörungi. Vísindi. 11. apríl 2024. 384. árgangur, 6692. bls. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplastið: Köfnunarefnisbindandi frumulíffæri. VÍSINDI. 11. apríl 2024. 384. árgangur, 6692. bls. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
