협력을 통한 녹색 성장

삶의 기계:시아노 박테리아에서 엽록체까지

 

우리는 광합성 과정을 통해 에너지를 이용하기 위해 식물과 조류에 의존한다. 박테리아 내의 광합성은 지구의 역사 초기에 진화했다. 약 36억년 전, 시아노 박테리아는 오늘날 우리가 볼 수 있는 광합성의 주요 형태를 채택했는데, 이산화 탄소와 물이 포획된 햇빛을 이용하여 에너지가 풍부한 당과 산소로 변환된다. 이 중요한 생물학적 업적은 지구의 지구 화학을 변화시켰고, 대기를 산소로 풍부하게 하고, 생물권을 오늘날 우리가 알고 있는 것처럼 형성시켰습니다. 동시에, 광합성 유기체는 다양화 되었다. 박테리아 내에서 광합성 작용이 발견될 뿐만 아니라, 그것은 단세포 조류와 바다의 거대한 해조류에서 육지에서 번성하는 식물에 이르기까지 광범위한 진핵 생물에 의해 사용된다. 

 

병합:두개가 하나가 되었을 때

 

현미경 학자들은 엽록체의 구조와 착색 특성이 일부 자유롭게 사는 박테리아의 구조와 유사하다는 것을 오랫동안 인식해 왔다. 1910년 러시아 생물학자인 메레스코프스키는 엽록체 뿐만 아니라 실제로는 자유롭게 사는 박테리아의 잔존물이라고 가정했다. 가장 중요한 것은, 엽록체가 자체 게놈을 가지고 있다는 것이다. 그리고 이것들은 시아노 박테리아의 게놈과 밀접한 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 오늘날, 엽록체는 두개의 세포를 하나의 혈통으로 통합하여 진화했다는 것이 널리 받아들여지고 있다.

 

영구적인 주택 게스트:통합 및 간소화

 

초기의 복잡한 사건 이후로, 숙주 세포와 엽록체는 영구적인 거주를 위한 무대를 설정하면서 서로 협력하는 법을 배워야 했다. 예를 들어, 엽록체는 광합성을 통해 숙주에 설탕과 기타 합성물을 공급하고, 숙주는 필수 대사물과 엽록체에 대한 공동 인자를 공급한다. 또한 호스트는 엽록체를 물리적으로 제어하고 복제를 조정하며 환경적 스트레스로부터 보호함으로써 각 딸 세포가 기능적인 엽록체를 상속하도록 보장한다. 이러한 생리학적 통합은 숙주 세포의 게놈과 엽록체에 대한 변화에 의해 뒷받침되어 왔다. 가장 극적으로, 엽록체 유전자들은 거대한 스트림 처리를 겪어 왔다. 자유롭게 사는 시아노 박테리아는 3,000개 이상의 유전자를 포함하고 있지만 엽록체 게놈은 일반적으로 250개 미만의 유전자를 보유하고 있다. 클로로로프라스트 게놈에서 추출된 많은 유전자들이 숙주의 핵으로 옮겨졌습니다. 놀랍게도 숙주 세포는 이러한 유전자들의 발현 생성물을 다시 소개할 수 있었고, 이제 세포질로 변환되어 엽록체로 다시 변환되었다. 핵산으로 인코딩된 엽록체 단백질은 복잡한 단백질 가져오기 기계를 통해 단백질을 '집'으로 인도하는 표적 배열을 얻는다. 이러한 핵으로 인코딩되고 염소로 시작된 단백질은 숙주가 핵 유전자 발현을 바꿈으로써 엽록체의 생리학을 직접 통제할 수 있게 해 줍니다. 게다가, 호스트는 그것의 유전자 중 일부를 염소 자리 목표 단백질을 암호화하기 위해 적응시켰다. 이를 통해 호스트는 엽록체의 생물학적 특성을 효과적으로 '맞춤화' 할 수 있게 되었다.

 

풍부한 진화의 태피스트리

 

시아노 박테리아의 공생적 통합은 엄청난 양의 엽록체를 생성해 냈다. 하나의 1차적인 공생은 세 그룹을 낳았다. 녹색 조류, 적색 조류, 식용 해초 놀이를 포함한다. 하지만, 조류의 대다수는 게놈 체조의 다른 형태에서 온다. 2차적인 자궁 공생 관계입니다. 여기서, 새로운 호스트가 이미 주요 엽록체를 포함하고 있는 기존의 붉은 색 또는 녹색의 alga를 삼켜 사실상 '메타-alga'라는 파트너십을 형성했다. '메타 조류'는 해초, 규조류, 헵타의 주요 성분을 형성하는 헵타와 같은 환경적으로 중요한 선형을 포함하며, 쌍극( 다른 역할 중에서도 산호의 광합성 성분)을 포함한다. 아마 메타-algae'내에서 가장 이례적인 것은 아피콤플렉스그룹의 일원인 말라리아 병균인 플라스모듐이다. 이 진핵 생물 집단은 조류에서 유래했지만 두번째로 광합성 능력을 잃고 대신 기생을 통해 살아남는다. 훨씬 더 특이한 엽록체 또한 다른 곳에서도 발견된다. 일부 쌍절곤은 제안된 '3차 자궁 공생' 에서 2차 클로로로플라스트(디아트롬과 헵타 아이스타이트)를 함께 섭취한 알가를 통해 파생된 것으로 보이는 엽록체를 가지고 있다. 이러한 엽록체는 또한 2차 엽록체를 보유한 디노플래그래그래이트가 후속적으로 발생하는 '직렬의 공생'이벤트를 통해서도 발생한 것으로 생각되며, 이는 원래 엽록체를 새로운 형태의 새로운 엽록소 생성물과 교체한다. 규조류와 같은 다른 염화물이 복잡한 3차 및 일련의 결합 현상을 통해 실제로 발생했는지 여부는 현재 논의되고 있다.

 

이상하고 놀라운 최근의 상징들:거리의 원시인들

 

1차적인 엽록체와 그들의 2차적인 결합 생성물들은 진핵 생물에 심오한 영향을 끼쳐 왔다. 하지만, 이러한 전통적인 엽록체 외에도, 많은 유기체들이 내분비증이 진화의 지속적인 원동력이라는 것을 보여 주며, 우리에게 엽록체가 어떻게 처음 진화했는지에 대한 통찰력을 준다. 파울리넬라 크로마토포라는 엽록체를 포함하는 담수 아메바이다. 놀랍게도, 이러한 엽록체는 다른 모든 엽록체와 관련이 없으며, 대신 다른 시아노박테리아 심비온을 포함한 별도의 일차적인 내분비증에서 생성된 것으로 보인다. 특히, 폴리넬라의 게놈 합리화, 핵으로의 유전자 전이, 핵으로 암호화된 단백질의 클로로로플라스트로의 수입 등에 대한 예가 기록되어 있어 엽록체를 영구적인 세포로 변환하는 것의 중요성을 강조하고 있다. 아마도 가장 이상하고 멋진 엽록체 혈통은 푸른 바다 민달팽이 엘리시아 클로로로티카에서 발견된 약탈된 엽록체일 것이다. 어린 엘리시아는 알가 바우체리아 리토레아를 먹고 엽록체를 채취한다. 이것들은 다시 먹이를 줄 필요가 없는 달팽이의 전체 수명 동안 유지됩니다. 이러한 엽록체가 숙주 안에서 기능하는지 아니면 단지 음식 자원으로 저장되는지는 확실치 않지만, 최근의 형광 표시 연구는 엘리시아 염색체에 조류 유전자가 존재한다는 것을 보여 주며 유전자 전이가 다시 일어났음을 시사한다. 

 

결론

 

진화에 대한 전통적인 견해는 오로지 경쟁과 유전자의 수직적인 전달에 의해 추진되는 것이다. 매혹적인 공생의 세계는 일에 스패너를 던져 주고, 복잡한 협력 관계에 빛을 던져 주고, 유기체 사이의 경계를 모호하게 합니다. 10억년 전에 광합성을 한 시아노 박테리아 같은 원핵 생물을 잡은 것은 진핵 생물이 태양의 에너지에서 번성할 수 있는 길을 열어 주었고, 오늘날 우리가 보는 것처럼 삶을 변화시켰다.