תמונה של מיקרוסקופ אור מציגה את אצת ההפטופיטים הימיים Braarudosphaera bigelowii עם חץ שחור המצביע על אברון הניטרופלסט. קרדיט: טיילר קויל
ספרי לימוד בביולוגיה מודרניים טוענים שרק חיידקים יכולים לקחת חנקן מהאטמוספירה ולהמיר אותו לצורה שמישה לכל החיים. צמחים המקבעים חנקן, כמו קטניות, עושים זאת על ידי אחסון חיידקים סימביוטיים בגושים. אבל גילוי אחרון משפר את הכלל הזה.
בשני מאמרים אחרונים, צוות בינלאומי של מדענים תיאר את האברון הראשון הידוע שמקבע חנקן בתוך תא איקריוטי. האברון הוא הדוגמה הרביעית בהיסטוריה של האנדוסימביוזה הראשונית – התהליך שבו תא פרוקריוטי נבלע על ידי תא איקריוטי ומתפתח מעבר לסימביוזה לאברון.
"זה נדיר מאוד שאברונים נובעים מסוג זה של דברים," אמר טיילר קואל, פוסט-דוקטורט באוניברסיטת UC סנטה קרוז ומחבר ראשון באחד משני מאמרים אחרונים. "בפעם הראשונה שאנחנו חושבים שזה קרה, זה הוליד את כל החיים המורכבים. כל דבר מסובך יותר מתא חיידקי חייב את קיומו לאותו אירוע", אמר בהתייחסו למקורות המיטוכונדריה. "לפני מיליארד שנים בערך, זה קרה שוב עם הכלורופלסט, וזה נתן לנו צמחים", אמר קואל.
המקרה השלישי הידוע כולל חיידק הדומה לכלורופלסט. התגלית החדשה ביותר היא הדוגמה הראשונה לאברון מקבע חנקן, שהחוקרים מכנים אותו ניטרופלסט.
תעלומה של עשרות שנים
גילוי האברון היה כרוך במעט מזל ובעבודה של עשרות שנים. בשנת 1998, ג'ונתן זהר, פרופסור מובהק באוניברסיטת סנטה קרוז למדעי הים, מצא קצר DNA רצף של מה שנראה כמו ציאנובקטריה לא ידועה מקבע חנקן במי ים של האוקיינוס השקט. זהר ועמיתיו בילו שנים בחקר האורגניזם המסתורי, אותו כינו UCYN-A.
צוות המחקר של UC Santa Cruz, משמאל לימין: אסתר מק, ג'ונתן זהר, קנדרה טורק-קובו וטיילר קואלה. קרדיט: אוניברסיטת קליפורניה – סנטה קרוז
במקביל, קיוקו האגינו, פליאונטולוג מאוניברסיטת קוצ'י ביפן, ניסה בעמל רב להתרבות אצה ימית. התברר שזה האורגניזם המארח של UCYN-A. זה לקח לה יותר מ-300 משלחות דגימה ויותר מעשור, אבל האג'ינו הצליחה בסופו של דבר להצמיח את האצה בתרבות, ואפשרה לחוקרים אחרים להתחיל לחקור את UCYN-A ומארח האצות הימיות שלה יחד במעבדה.
במשך שנים, המדענים ראו ב-UCYN-A אנדוזימביונט שהיה קשור קשר הדוק לאצה. אבל שני המאמרים האחרונים מציעים ש-UCYN-A התפתחה יחד עם הסימביוזה המארחת בעבר וכעת היא מתאימה לקריטריונים לאברון.
מקורות אברונים
במאמר שפורסם ב תָא במרץ, Zehr ועמיתיו מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, Institut de Ciències del Mar בברצלונה ואוניברסיטת רוד איילנד מראים שיחס הגודל בין UCYN-A למארחי האצות שלהם דומה בכל מִין של אצות ההפטופיטים הימיים Braarudosphaera bigelowii.
תמונת טומוגרפיה רכה של קרני רנטגן מראה חלוקת תאי B. bigelowii, עם הניטרופלסטים (UCYN-A) בציאן. קרדיט: ולנטינה לוקונטה
החוקרים משתמשים במודל כדי להדגים שצמיחת התא המארח ו-UCYN-A נשלטים על ידי חילופי חומרים מזינים. חילוף החומרים שלהם קשור. סנכרון זה בשיעורי הצמיחה הוביל את החוקרים לקרוא ל-UCYN-A "דמוי אברון".
"זה בדיוק מה שקורה עם אברונים," אמר זהר. "אם אתה מסתכל על המיטוכונדריה והכלורופלסט, זה אותו דבר: הם מתארכים עם התא."
אבל המדענים לא קראו בביטחון ל-UCYN-A אברון עד שאישרו קווי ראיה אחרים. במאמר השער של כתב העת מַדָעZehr, Coale, Kendra Turk-Kubo ו-Wing Kwan Esther Mak מאוניברסיטת קליפורניה סנטה קרוז ומשתפי פעולה מאוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו, המעבדה הלאומית לורנס ברקלי, אוניברסיטת טייוואן אוקיינוס הלאומית ואוניברסיטת קוצ'י ביפן מראים כי UCYN- A מייבא חלבונים מתאי המארחים שלו.
"זה אחד מסימני ההיכר של משהו שעובר מאנדוסימביונט לאברון", אמר זהר. "הם מתחילים לזרוק חתיכות של DNA, והגנום שלהם הולך וקטן, והם מתחילים להיות תלויים בתא האם כדי שמוצרי הגנים האלה – או החלבון עצמו – יועברו לתוך התא".
טיילר קויל עבד על הפרוטאומיקה עבור המחקר. הוא השווה את החלבונים שנמצאו בתוך UCYN-A מבודד לאלה שנמצאו בתא המארח של האצות כולו. הוא גילה שהתא המארח מייצר חלבונים ומתייג אותם באמינו ספציפי חוּמצָה רצף, שאומר לתא לשלוח אותם לניטרופלסט. לאחר מכן הניטרופלסט מייבא את החלבונים ומשתמש בהם. Coale זיהה את התפקוד של חלק מהחלבונים, והם ממלאים פערים במסלולים מסוימים בתוך UCYN-A.
"זה דומה לפאזל הקסום הזה שבעצם משתלב ועובד", אמר זהר.
באותו מאמר, חוקרים מ-UCSF מראים ש-UCYN-A משתכפל בסנכרון עם תא האצות ועובר בתורשה כמו אברונים אחרים.
משנים נקודות מבט
קווי ראיות עצמאיים אלו מותירים ספק רב בכך ש-UCYN-A עלתה על התפקיד של סימביון. ובעוד שהמיטוכונדריה והכלורופלסטים התפתחו לפני מיליארדי שנים, נראה שהניטרופלסט התפתח לפני כ-100 מיליון שנה, מה שמספק למדענים נקודת מבט חדשה, עדכנית יותר, על אורגנלוגנזה.
האברון מספק גם תובנה לגבי מערכות אקולוגיות באוקיינוס. כל האורגניזמים זקוקים לחנקן בצורה ביולוגית שימושית, ו-UCYN-A חשוב בכל העולם עבור יכולתו לקבע חנקן מהאטמוספרה. חוקרים מצאו אותו בכל מקום מהאזורים הטרופיים ועד לאוקיינוס הארקטי, והוא מתקן כמות משמעותית של חנקן.
"זה לא סתם עוד שחקן," אמר זהר.
לתגלית יש גם פוטנציאל לשנות את החקלאות. היכולת לסנתז דשני אמוניה מחנקן אטמוספרי אפשרה לחקלאות – ולאוכלוסיית העולם – להמריא בתחילת המאה ה-20. הידוע כתהליך הבר-בוש, הוא מאפשר כ-50% מייצור המזון בעולם. זה גם יוצר כמויות אדירות של פחמן דו חמצני: כ-1.4% מהפליטות העולמיות מגיעות מהתהליך. במשך עשרות שנים, חוקרים ניסו למצוא דרך לשלב קיבוע חנקן טבעי בחקלאות.
"המערכת הזו היא נקודת מבט חדשה על קיבוע חנקן, והיא עשויה לספק רמזים כיצד ניתן להנדס אברון כזה לצמחי גידולים", אמר קואלה.
אבל הרבה שאלות על UCYN-A ומארח האצות שלו נותרו ללא מענה. החוקרים מתכננים להעמיק כיצד פועלים UCYN-A והאצה ולחקור זנים שונים.
קנדרה טורק-קובו, עוזרת פרופסור באוניברסיטת סנטה קרוז, תמשיך את המחקר במעבדה החדשה שלה. זהר מצפה שמדענים ימצאו אורגניזמים אחרים עם סיפורים אבולוציוניים הדומים ל-UCYN-A, אבל בתור הראשון מסוגו, הגילוי הזה הוא אחד לספרי הלימוד.
