Forbløffende funn: – Dette har skjedd bare to ganger før i livets historie, sier professor

Det finnes noen få hendelser i evolusjonshistorien som er så skjellsettende, at de forandrer livet og verden for alltid. Tenk for eksempel på den gangen en organisme utviklet fotosyntese – altså evnen til å bruke sollyset til å lage sukker.

En mindre kjent, men kanskje like viktig hendelse, handler om nitrogen.

Nitrogen er nemlig en uunnværlig ingrediens i DNA-et vårt og i proteiner, som er essensielle byggesteiner i alt fra virus til mennesker.

Du kan lese mer om nitrogenets betydning i denne saken. 

I utgangspunktet skulle man kanskje tro at dette nitrogenbehovet er helt uproblematisk. For omgivelsene våre er oversvømt av nitrogen. Over tre firedeler av lufta i atmosfæren består faktisk av rent nitrogen.

Men det er en hake.

Lynnedslag

Nitrogenet i atmosfæren er nesten umulig å få tak i. Det finnes i en form som verken planter eller dyr klarer å bruke.

Det finnes prosesser – for eksempel lynnedslag – som kan omdanne nitrogen fra lufta til former som levende vesener kan ta opp. Det var slike nitrogenkilder de første skapningene på jorda brukte.

Men disse kildene lager altfor lite nitrogen til å dekke behovet til livet på jorda, slik vi kjenner det i dag.

Det er her vi kommer til den skjellsettende hendelsen.

Nitrogenfikserende bakterier

For milliarder av år siden – forskerne vet ikke nøyaktig hvor mange – oppstod en mikroorganisme med en helt spesiell egenskap:

Den kunne ta nitrogen fra lufta og omdanne det til ammoniakk – et nitrogenholdig stoff som levende vesener kan bruke.

Dette var selvfølgelig en enorm fordel for mikroorganismen, men også for livet på jorda. For når den lille cellen først hadde lagd ammoniakk, kunne også andre skapninger få tak i stoffet ved å spise bakterien.

Etter hvert ga disse første mikroorganismene opphav til et mangfold av nitrogenfikserende bakterier. De sørget igjen for at livet på jorda fikk mye, mye mer nitrogen til rådighet.

– Utviklingen av nitrogenfiksering endret utvilsomt nesten alle hjørner av biosfæren, skrev Holly R. Rucker og Betül Kaçar i en artikkel i tidsskriftet Trends in Microbiology i 2023. 

Mer enn 90 prosent av nitrogenet i alle levende skapninger i dag er skaffet til veie nettopp av slike organismer, ifølge leksikonet Britannica. 

Samarbeid med bakterier

For plantene er nitrogen altså helt avgjørende for veksten. Vi mennesker hjelper ofte plantene våre ved å gi ulike typer gjødsel, som nettopp inneholder nitrogen.

Men flere planter har også tatt grep for å sørge for sin egen tilgang.

En rekke vekster har inngått samarbeid – symbioser – med nitrogenfikserende bakterier. Planter som kløver og bønner har for eksempel utviklet egne rotknoller med gode leveforhold for nitrogenfikserende bakterier.

Men nylig oppdaget Tyler Coale fra University of California, Santa Cruz og kollegaene hans noe temmelig oppsiktsvekkende.

De fant ut av algen Braarudosphaera bigelowii – en encellet plante – ikke bare samarbeidet med en nitrogenfikserende bakterie.

Den hadde fanget bakterien inni seg.

Kamran Shalchian-Tabrizi. Foto: Universitetet i Oslo.

Nitroplasten

Det er ikke helt uvanlig å finne bakterier inni celler. Det var faktisk kjent fra før at B. bigelowii har inngått et samarbeid med den nitrogenfikserende bakterien Candidatus Atelocya–nobacterium thalassa (UCYN-A).

Men forskerne hadde tidligere ikke noe helt klart bilde av hvordan dette samarbeidet artet seg.

Det er ofte svære vanskelig å dyrke slike encellede organismer i laboratoriet og da kan det være nærmest umulig å undersøke dem grundig.

Men Coale og samarbeidspartnerne klarte å få algen til å overleve og dele seg i laboratoriet. Dermed kunne de studere organismen i alle fasene av livssyklusen.

Da oppdaget de altså at dette ikke lenger var noe samarbeid mellom to organismer. UCYN-A hadde rett og slett sluttet å oppføre seg som en selvstendig bakterie og var i stedet blitt til en organell – et bitte lite organ inni algecellen.

Forskerne ga organellen navnet nitroplast.

– Kjempeskritt

På samme måte som andre organeller var nitroplasten blitt avhengig av mange av algecellens gener og stoffer for å fungere. Og når algecellene delte seg, delte nitroplasten seg samtidig, slik at de nye cellene også fikk nitroplaster.

– Den tidligere bakterien kan anses som en organell som algecellen har fullstendig kontroll over, skriver Ramon Massana fra Institut de Ciències del Mar (CSIC) i Spania, i en kommentar om den nye studien. 

Dette er intet mindre enn en sensasjon i evolusjonshistorien.

– Livet har tatt et kjempeskritt videre, sier Kamran Shalchian-Tabrizi, professor ved Institutt for biovitenskap ved Universitetet i Oslo.

– Noe lignende har så vidt vi vet bare skjedd to ganger før.

Shalchian-Tabrizi sikter til to av de aller viktigste hendelsene i livets historie: utviklingen av kloroplaster og mitokondrier.

Moseceller med grønne kloroplaster inni. Kloroplastene fanger energien i sollys og bruker den til å lage sukker. En gang var kloroplastene egne bakterier. Men nå er de blitt til organeller inni planteceller. (Foto: Biarmicus / Shutterstock / NTB)

To enorme hendelser – og en til

For milliarder av år siden førte en lignende kidnapping til utviklingen av mitokondrier – organeller som omdanner sukker til energi inni cellene. Dette var en forutsetning for en mer avansert celletypen, som alle planter, dyr og sopper består av. 

Den andre hendelsen skjedde da en slik celle fanget en fotosyntetiserende bakterie inni seg. Den utviklet seg med tida til en kloroplast – en organell som kan drive fotosyntese. Denne kloroplasten var helt nødvendig for utviklingen av planter.

Og nå har vi altså oppdaget nitroplasten.

Hvilen rolle den kommer til å spille i livets historie, er imidlertid ikke så godt å vite.

Kan få stor betydning for livet

Coale og co tror utviklingen av nitroplasten kan ha startet for rundt 100 millioner år siden, altså mye senere enn mitokondriene og kloroplasten. Over lang nok tid vil den kanskje kunne spre seg til andre typer organismer, spekulerer de.

– Vi har sett at nettopp det kan skje med kloroplastene. Denne organellen er blitt overført til nye grupper organismegrupper via det vi kaller seriell endosymbiose, sier Shalchian-Tabrizi.

– Hva som skjer med nitroplasten over framtidige historiske tidsperioder, er umulig å forutsi, men vi kan ikke utelukke at organellen overføres til andre organismetyper. Mest sannsynlig vil det da involvere encellede organismetyper som har evnen til å spise eller omslynge alger med nitroplaster og stjele organellen.

– Akkurat som for kloroplasten vil da nitroplasten kunne få enorm betydning for utviklingen av biodiversitet på kloden, sier Shalchian-Tabrizi.

Han utelukker heller ikke at den allerede kan ha større betydning enn vi vet om.

Begrenset kunnskap om mikroorganismer

Shalchian-Tabrizi synes ikke det vil være veldig overraskende om det finnes andre organismer med nitroplaster eller tilfeller der andre alger og nitrogenfikserende bakterier samarbeider svært tett.

– Dette vitenskapelige arbeidet om nitroplasten viser at vi fremdeles har svært begrenset kunnskap om grunnleggende forhold blant mikroorganismer, sier han.

– Det er usikkert hvor mange ulike endosymbioser som har endt opp som organeller i livets historie. Tidligere var det vanlig å tenke at slike endosymbioser har vært sjeldent, men samtidig vet vi nå at evolusjonen kan gjenta seg mange ganger og gi opphav til organeller i mange ulike organisme-grupper.

Referanse:

Tyler H. Coale, m. fl., Nitrogen-fixing organelle in a marine alga, Science, april 2024. Sammendrag. 

Ramon Massana, Perspective: The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle, Science, april 2024. Sammendrag.