Her skjuler sig ældgammelt liv

»Det ser helt vildt ud,« siger Kamran Shalchian-Tabrizi fra MERG ved UiO (Microbial Evolution Research Group ved Universitetet i Oslo).

»Jeg husker, at jeg skulle sekvensere nogle af generne i en dinoflagellat – en encellet alge – i mit hovedfag. Men vi kom ikke frem til noget. Et år senere, da dinoflagellatens såkaldte kloroplastgenom blev publiceret i Nature, fandt vi jo ud af hvorfor.«

Kloroplastgenomet er et helt eget sæt med DNA, der findes i kloroplastre – algens indre solenergikraftværk. Normalt ville denne del af DNA'et sidde pænt og nydeligt på en stor cirkel. Men i dinoflagellaten er kloroplastgenerne et kaos af små DNA-moduler fordelt i en bunke med mindre cirkler.

Oveni er dinoflagellaternes kernegenom en mosaik, lavet af DNA-fragmenter fra en række forskellige organismer. I dag tror forskerne, at de ved, hvad der er sket.

De bittesmå alger har op gennem tiderne kidnappet en række mindre skabninger, som de har stjålet gener fra.

Eftertragtede kloroplastre

Alt handler om kloroplastre, fortæller Kamran Shalchian-Tabrizi.

Kloroplastre er små solenergikraftværker, der laver sukker af sollys. Inde i cellerne hos alle planter og alger i verden findes der sådan nogle kloroplastre, som laver fotosyntese. De kan ses i et almindeligt mikroskop som små, grønne knapper.

Op gennem evolutionen har sådanne kloroplastre været enormt eftertragtede: De giver jo mulighed for at skaffe energi, når der ikke er noget andet mad. Og det gør, at mange organismer har været villige til at gøre hvad som helst for at få fat i en.

Verdens allerførste kloroplast var netop et resultat af slavejagt.

Den første kloroplast

For en og en halv milliard år siden havde de enkle cyanobakterier allerede opfundet fotosyntesen for længe siden.

Men akkurat på dette tidspunkt blev en sådan cyanobakterie fanget inde i en anden primitiv celle. Derinde blev bakterien forvandlet til sit eget lille solenergiværk – en kloroplast.

Den primitive celle med kloroplasten var den allerførste alge, som blev ophavet til så godt som alle skabninger, der lever af sollys. Den dag i dag kan forskerne faktisk finde rester af den gamle cyanobakterie inde i cellerne hos alle planter og alger.

Men kidnapningens tid var langt fra ovre. Da den allerførste alge var opstået, blev det nemlig nemmere for andre primitive celler at skaffe sig kloroplastre – ved at fange en alge, der allerede havde sådan nogle.

Spor efter mange organismer

De allerførste alger havde såkaldte primære kloroplastre, et lille organ – en organel – som var lavet af en cyanobakterie, forklarer Kamran Shalchian-Tabrizi.

»Men disse alger blev igen spist af andre celler, som så inkorporerede hele algen som sine organeller. Disse nye væsener havde dermed fået såkaldte sekundære kloroplastre på indersiden. Disse kloroplastre bestod af resterne af en cyanobakterie inde i resterne af en alge.«

I dag findes der mange små organismer, som har netop sådanne sekundære kloroplastre. Og forskerne kan stadig finde spor efter både algen og bakterien inde i den sekundære kloroplaster, forklarer Kjetill S. Jakosen fra CEES ved UiO (Centre for Ecological and Evolutionary Synthesis på Universitetet i Oslo).

»Membranerne, som engang udgjorde ydersiden af cyanobakterien og algen, er nemlig delvist intakte.«

»Et af de karakteristiske kendetegn ved sekundære kloroplastre er netop, at de har flere membraner. To fra den oprindelige cyanobakterie, og en eller to fra algen,« siger han.

Et eksempel på organismer, som har sådanne sekundære kloroplastre, er haptofytterne - bittesmå skabninger, der kan lave enorme opblomstringer i havet.

Men historien stopper ikke engang her.

En alge inde i en alge inde i en alge

Der findes til og med tilfælde, hvor endnu større encellede væsener har fanget en haptofyt og indlemmet den som en kloroplast – altså en tertiær kloroplast. Denne kloroplaster er dermed lavet af resterne af en haptofyt uden på resterne af en alge uden på resterne af en cyanobakterie.

Og sådanne tertiære kloroplastre findes for eksempel hos dinoflagellaterne – de encellede organismer med den finurlige mosaik af DNA.

På denne måde kan man sige, at dinoflagellaterne faktisk er en slags russisk Babushka-dukke, med en celle inde i en celle inde i en celle. Og det er netop levninger efter denne underlige række af forhistoriske kidnapninger, der gør deres gener så specielle.

Organismerne der forsvandt

»Processen, der leder til en stabil endosymbiose – altså et liv med en indre samarbejdspartner – er et typisk herre og slave-scenario,« siger Kjetill S. Jakobsen.

Han forklarer, at værten efterhånden stjæler stadig flere livsvigtige gener fra symbionten, - den kidnappede celle – og føjer dem til sit eget DNA. Samtidig mister passageren stadig flere af de egenskaber, den har brug for for at leve et selvstændigt liv.

Med tiden bliver symbionten mere og mere afhængig af sin vært for at overleve, og til sidst ophører den med at eksistere som et eget individ. Den er blevet til en ægte kloroplast – en organel, der udfører fotosyntese inde i en anden organisme.

»Man kan ikke sige, at en kloroplast lever sit eget liv, så dette er en ekstrem evolutionær handling. Der er ingen vej tilbage,« siger Kjetill S. Jakobsen.

Arkiver over historien i dinosaurusflagellaterne

Derimod er tydelige spor efter den forhenværende organisme limet ind i værtcellens DNA. Og der har den en tendens til at blive hængende.

I en dinoflagellats DNA findes der for eksempel DNA fra alle de organismer, der har kidnappet hinanden: Altså både fra haptofytten, algen og cyanobakterien.

Desuden har forskerne også opdaget DNA fra skabninger, der ikke eksisterer længere. På et eller andet tidspunkt i historien fangede dinoflagellaten sandsynligvis en alge, som den mistede igen senere. Men DNA-resterne hænger fortsat fast i genomerne.

Hvad de gør der, er ingen helt sikre på. Måske kan de gamle gener også bruges til at holde liv i de nye passagerer? Eller måske tager det bare meget lang tid at blive fri for de gamle gener?

Uansat hvad, bliver dinoflagellaternes gener et slags historisk arkiv over hvad der skete med både den og dens passagerer op gennem millioner af år.

Dermed kan disse finurlige organismer fortælle os noget om, hvordan livet har udviklet sig. Og måske noget om, hvordan det kommer til at udvikle sig i fremtiden. Evolutionen af nye skabninger og nyt samarbejde ruller nemlig videre den dag i dag.

For bare nogle få år siden blev det for eksempel klart, at havsneglen Elysia chlorotica faktisk bruger kloroplastre til at skaffe energi, akkurat som planterne. Måske er den i færd med at gøre akkurat det haptofytterne og dinoflagellaterne har gjort før den?

Blanding mellem plante og dyr

»På mange måder kan vi sige, at sneglen har egenskaber, som er unikke for både dyr og alger. Det er jo ret vildt og bryder med vores forestillinger om, hvor forskellige dyr og planter er,« siger Kamran Shalchian-Tabrizi.

Sneglen bliver grøn som et blad og kan overleve i op til ni måneder uden mad, fordi den skaffer energi ved hjælp af fotosyntese.

Men dyret laver ikke sine egne kloroplastre.

»Sneglene spiser alger og plejer deres kloroplastre.«

»Bløddyrene har til og med gener i deres genom, som stammer fra den alge, de spiser. Klorofylet – det grønne farvestof som kloroplastrene har brug for – bliver kodet af disse gener. Altså er det sneglen selv, der producerer det klorofyl, der er behov for til at drive fotosyntesen, og ikke den kloroplaster, den har fanget.«

Dette er et af de vigtige skridt i udviklingen mod at få egne kloroplastre, der findes permanent i cellerne. Måske var det netop sådan de tidligere endosymbioser begyndte?

Sådan et samarbejde får vi nok mere at vide om i årene, der kommer.

Det er først og fremmest fremskridtene inden for DNA-sekvensering og kapaciteten til at behandle datene derfra, som har givet os viden om, hvordan celler engang smeltede sammen.

Og denne teknologi stormer fremad i dette sekund.

Det betyder, at vi ikke bare vil få mere viden om, hvordan cellerne – livets byggesten – fungerer. Vi vil også få mere at vide om, hvordan de, og dermed også vi, er opstået.

© forskning.no Oversættelse: Julie M. Ingemansson