Előfizetés a lapra

Kék fényre optimalizálva

alga, Antarktisz, biológia, Bonney-tó, élettudomány, jég, klorofill

2019/09/25

Amikor az élővilág sokféleségét próbáljuk feltérképezni, vagy az aktuális kihalási hullám miatt a biodiverzitás csökkenéséről beszélünk, hajlamosak vagyunk csak a többsejtű élőlényekre, leginkább a gerinces szervezetekre gondolni. Ez nem véletlen, mivel máig sötétben tapogatózunk a többi élőlény, elsősorban a prokarióta és egysejtű eukarióta élőlények diverzitása kapcsán.

Feltételezéseink szerint minimum 700 000 mikroszkópikus méretű, néhány mikrométeres mérettartományba eső, úgynevezett mikroalgafaj létezik a világban, melyek közül csak pár tízezret ismerünk és írtunk le eddig. Az egyes fajok környezeti mintákból történő DNS-alapú azonosítása mellett sokszor kihívást jelent a tiszta tenyészetek létrehozása és fenntartása ezen ismeretlen fajokból. Ugyanakkor a mikroalgák hatóanyagai (hosszú szénláncú, többszörösen telítetlen zsírsavjai, karotinoidjai, lipidjei és egyéb vegyületei) a gyógyszeripar, élelmiszeripar és az állati takarmányozás szempontjából, vagy akár a biodízel vagy biohidrogén-előállítás kapcsán is jelentős gazdasági potenciállal bírnak, ezért fontos az új fajok felfedezése és anyagcseréjük pontosabb megismerése is.

Egy rokon faj, a Chlamydomonas reinhardtii zöldalga sejtjének transzmissziós elektronmikroszkópos képe (A SZERZŐ FELVÉTELE)

Számos hazai és külföldi kutatócsoport dolgozik a tengerek, illetve különféle extrém élőhelyek rejtett mikrobiális diverzitásának feltárásán. Somogyi Boglárkával, az MTA Ökológiai Kutatóintézet Balatoni Limnológiai Intézetének munkatársával és Felföldi Tamással, az ELTE Mikrobiológiai Tanszékének adjunktusával alföldi szikes tavakban élő, a mikroalgáknál is kisebb méretű sejtekkel rendelkező, úgynevezett pikoalgafajt fedeztünk fel és írtunk le Chloroparva pannonica néven. A sekély, magas sótartalmú és különleges fényviszonyú tavakban nyáron a pikométeres mérettartományú prokarióta szervezetek (cianobaktériumok), télen pedig hasonlóan parányi méretű eukarióta zöldalgák dominálnak.

Még a hazai szikes tavaknál is különlegesebb élőhelyek az Antarktisz száraz völgyeiben (például a McMurdo Dry Valley-ben), állandóan vastag hó- és jégréteg alatt elhelyezkedő sós tavak. Ezek egyikét a britek 1901-1904 közötti antarktiszi expedíciója során fedezték fel, majd a Robert Falcon Scott vezette, tragikus végződésű déli-sarki expedíció nevezte el egy londoni geológus professzor, Thomas George Bonney után. A 7 kilométer hosszú, és 900 m széles Bonney-tó 40 méter mély, felszínét pedig 4 méteres jégpáncél borítja. A NASA anyagi támogatásával 2007 óta szisztematikusan vizsgálják a tó élővilágát egy ENDURANCE nevű önműködő víz alatti robottal. A vizsgálatok tanulságai alapján fejlesztik tovább a berendezést, amellyel a jövőben a Jupiter Europa nevű holdjának óceánját lehetne vizsgálni. A völgyben uralkodó száraz, rendkívül hideg és szeles időjárás pedig a Mars éghajlatához hasonlít. Mindezek miatt a területen számos kutatás zajlik.

A főszereplő: az antarktiszi Chlamydomonas raudensis UWO 241 sejtjei, melyek egyesével is úszhatnak, illetve többedmagukkal közös nyálkaburokban kisebb kolóniákat is létrehozhatnak

A kanadai Western Ontario-i Egyetem kutatócsoportja Norman Hüner vezetésével egy nagyon különleges anyagcseréjű zöldalgát írt le még a kilencvenes évek végén a Bonney-tóban. Ez a faj a növényi biotechnológusok egyik kedvenc modellélőlényének, a Chlamydomonas reinhardtii nevű egysejtű, kétostoros algának a közeli rokona, amely azonban az evolúció során sikeresen alkalmazkodott a rendkívüli időjárási körülményekhez. Az alga, mely a Chlamydomonas raudensis UWO 241 nevet viseli, a Bonney-tó felszínétől számított 10-17 méternyi mélységben él. Élőhelyén nem éppen kedvezőek az életfeltételek: az évi átlaghőmérséklet 5 °C, a sókoncentráció magas (0,7 mólos, ami töményebb, mint a tengervíz sókoncentrációja), kevés a foszfor, télen 24 órán át sötétség van, az egyéb időszakokban is elég alacsony a természetes megvilágítás intenzitása, és a hórétegen átszűrődő, derengő fény spektrális összetétele is speciális.

Az evolúció során ez az algafaj teljes anyagcseréjével alkalmazkodott a hideghez, olyannyira, hogy 18 °C fölött nem is lehet fenntartani a tenyészeteit, ugyanis nem maradnak életben és nem szaporodnak a sejtjei. Életmódja miatt ezért obligát és extrém pszichrofilnek (hidegkedvelőnek) nevezik, és ez anyagcseréjében is erőteljesen érzékelhető. Fotoszintézise 8 °C-on működik a legjobban, és fotoszintetikus apparátusa is számos ponton eltér a szárazföldi növényekéitől, illetve akár a kevéssé hideg élőhelyen élő alga rokonokéitól is, többek között abban is, hogy a kék fényre van optimalizálva. Ráadásul ez az algafaj olyan mértékben alkalmazkodott élőhelyének speciális fényviszonyaihoz, hogy vörös fény jelenlétében már egyáltalán nem is képes növekedni.

A Bonney-tó műholdképe

A kanadai kutatócsoport nemrég a faj klorofillszintézisében is leírt egy különlegességet: ez az alga elvesztette a rokon zöldalgafajok azon képességét, hogy sötétben is elő tudjon állítani klorofillt, helyette erre csak fény jelenlétében képes. Nem világos egyelőre, hogy a klorofill bioszintézisének utolsó előtti reakcióját katalizáló NADPH:protoklorofillid oxidoreduktáz enzim fénytől független formájának génjei miért tűntek el az alga kloroplasztiszának amúgy is nagyon kisméretű genetikai állományából. Úgy tűnik, hogy plasztiszának autonómiája erősen csökkent, mitokondriumának genetikai állománya azonban igen nagyméretű. Valószínűsíthető, hogy a hosszú és sötét antarktiszi telek túléléséhez szükség volt ezekre az evolúciós adaptációs mechanizmusokra, és arra is, hogy ilyen időszakban semmilyen fölösleges energiapazarlás (például sötétben is zajló klorofillszintézis) ne menjen végbe, hiszen sötétben fotoszintézis sem zajlik. Emellett a Bonney-tó vastartalma is alacsony, és a vas az algák számára a sós vízből még kevésbé vehető fel, márpedig a fénytől független klorofillszintézis enzimében található vas-kén klaszterek felépítéséhez szükség lenne erre az elemre. A tóban meglepően magas a vízben oldott oxigén koncentrációja, ami szintén gátolja a fénytől független enzim működését. Magasabbrendű növényekben pedig az enzim hidegérzékenységét is leírták már. A fentiek fényében további vizsgálatokat igényel annak kiderítése, hogy a Bonney-tóban élő többi egysejtű zöldalga vagy egyéb algafaj is hasonlóan alkalmazkodott-e a speciális élőhelyhez.

Az ENDURANCE nevű víz alatti robot

Felmerülhet a kérdés, hogy miért fontos megismernünk az ilyen különleges élőhelyeken élő fajok anyagcseréjét. Ezek a fajok példát mutathatnak arra, hogy milyen élőlények és mely tulajdonságaik megváltozásával képesek túlélni az ilyen extrém környezeti tényezőket. Azt sem tudhatjuk, hogy ezek a fajok nem hoztak-e létre olyan különleges enzimeket, melyek az élet valamilyen másik területén a jövőben az emberiség hasznára lehetnek. Jó példa erre, hogy a molekuláris biológiai vizsgálatok számára áttörést jelentő polimeráz-láncreakcióhoz is szükség volt egy magas hőmérsékleten is működőképes DNS-polimeráz enzimre, amit a Yellowstone Nemzeti Park egyik gejzírjéből izolált hőkedvelő (azaz termofil) baktériumban, a Thermus aquaticus-ban találtak meg.

SOLYMOSI KATALIN

 

2019/27