Hvordan kan mennesker overleve længere i rummet? Fotosyntetisk hud

Hvordan kan mennesker overleve længere i rummet? Fotosyntetisk hud

Det følgende er et uddrag fra De næste 500 år: ingeniørliv for at nå nye verdener af Christopher Mason.

Køb bogen

De næste 500 år: ingeniørliv for at nå nye verdener



Købe

Hybride gener mellem arter

Flydende i farvandet omkring Boston og New York er en mærkelig, lille grønfarvet hybrid havsnegl: Elysia chlorotica . Denne unikke art har evnen til at blive plantelignende ved at stjæle fuldt funktionelle, fotosyntetiserende kloroplaster fra de alger, den spiser - en proces kaldet 'kleptoplastik', som bogstaveligt betyder 'tyveri' af plasmider (kloroplaster) eller organeller. Mens det er almindeligt at absorbere DNA og flytte mobile genetiske plasmider i bakterier, er det sjældent at flytte hele systemer i større organismer.

Nogle gange kaldet 'soldrevne havsnegle', bruger den elysiske art den grønne kloroplast som camouflage mod rovdyr. Alger har normalt en hård, tyk plantecellevæg, der forhindrer enhver brud eller invaderende arter - så hvordan får Elysians kloroplasterne ind i deres krop?

Med sugerør, selvfølgelig! Elysianere har indbyggede, molekylære sugerør, der gør dem i stand til at trænge igennem algernes vægge og suge kloroplastens godhed ud og blive lysegrønne. Hvis sneglene ikke spiser nok af deres 'grøntsager' (kloroplaster), bliver de brune med røde pigmentpletter.

Overraskende nok kan kloroplasterne overleve i måneder eller endda år i det store forgrenede fordøjelsessystem af den (nu grønne) søsnegl. Ligesom fagocytterne i det menneskelige immunsystem, kan de elysiske fagocytter let opsluge algerne og derefter integrere kloroplasterne i deres egne biologiske systemer. Selv når de er indlejret i deres kroppe, fungerer kloroplasterne stadig, fanger sollys, skaber sukker og udånder ilt. Selvom man først troede, at de uhyggelige grønne havsnegle havde brug for kloroplasterne for at overleve, viste det sig, at de klarede sig fint uden lyset. En forsker ved navn Sven Gould viste, at selv uden lys var sneglenes overlevelse og vægt omtrent den samme. Så dette er til en vis grad et rekreativt træk ved sneglene, som om deres foretrukne måde at tilbringe deres dag på er cellulære tyveri af grønne, indre udsmykninger.

Men disse små grønne tyve rejser spørgsmålet - hvordan overlever kloroplasterne og fungerer i deres kroppe? I normale planter kræver kloroplaster, at 90 procent af deres essentielle proteiner kommer fra planteværtens kerne. De er dybest set pjattede værelseskammerater. Det er klart, at disse havsnegle også kan imødekomme behovene hos deres besøgende kloroplaster, men hvordan? Da han ledte efter mulige gener, der kunne understøtte chloroplast-overlevelse og fotosyntese, lagde James Manharte og andre forskere mærke til, at et nøglealgen, psbO, var i havsneglens DNA. psbO er et kritisk gen, fordi det koder for et manganstabiliserende protein, som er en del af chloroplastens fotosystem II-kompleks.

Vigtigst var det, at DNA-sekvensen af ​​sea-slug-genet og alge-genet var næsten identiske. Det ser ud som om, at sneglen for længe siden havde lånt genet fra algerne og aldrig returneret det. Dette åbnede op for den spændende mulighed for horisontal genoverførsel (HGT), hvor et gen fra en organisme 'vandret' flyttes fra en art til en anden. Dette er i modsætning til 'vertikal' genoverførsel, hvor DNA bevæger sig mellem en generation og den næste.

Men hvordan kunne disse forskere være sikre på, at det var HGT? Indledende beviser viste, at genet allerede var til stede i æg og kønsceller Elysia chlorotica . Generne så dog ikke ud til at være aktive, da det efterfølgende arbejde undersøgte deres RNA, med yderligere analyser i 2017, der indikerede, at der faktisk var få beviser for disse gener i æggets (kimlinje) DNA. Således mens mekanismen for hvordan kloroplaster fanges af Elysia chlorotica kan overleve så længe er stadig noget af et mysterium, det er klart muligt, og det kunne være blevet hjulpet af HGT.

Et andet eksempel på HGT kommer fra tardigrader, som er de berømte 'vandbjørne', der kan overleve i rummets vakuum (også omtalt i kapitel 4). Dusinvis af tardigraders gener er sandsynligvis afledt af HGT og kan også bidrage til organismens biologi. Denne proces med 'flydende gener' mellem arter er en nøgledrivkraft for evolution, fordi millioner af års selektionspres i én kontekst pludselig kan placeres i en helt ny kontekst for en ny genetisk berigelse af egenskaber og funktioner.

Chlorohumans på størrelse med to tennisbaner

Kunne mennesker efterligne vores tyvevenner, Elysia chlorotica , og fotosyntetisere i stedet for altid at skulle spise med munden? For at få kloroplaster til at virke i mennesker, er vi nødt til at gøre nogle store antagelser. Den første antagelse er, at menneskelige hudceller ville være i stand til at understøtte kloroplasterne. Denne støtte ville kræve, at vores immunsystem ikke afstøder dem, og at melanin (pigmentet, der giver huden dens farve) ikke ville forstyrre kloroplasternes funktioner. Ud over dette ville kloroplasterne skulle overleve og være funktionelle, men de Elysia chlorotica systemet viser, at det er muligt.

Den næste antagelse, vi skal gøre, vedrører chloroplast-fotonfangsteffektiviteten i dens nye, menneskelige vært. Ingen kemisk reaktion er nogensinde 100 procent effektiv, mest på grund af termodynamikkens anden lov, biofysiske grænser for effektivitet og andre fejl. Så hvor mange procent af solens energi skal vi antage, at det nye 'grønne menneske' kan fange? Skøn tyder på, at plantens effektivitet til at fange foton kun er omkring 5 procent. Så vi vil antage, at de nye 'kloroskin'-celler ville virke på samme måde.

Relateret artikel

Gør dig klar til at leve af landet ... på Mars

Det næste spørgsmål handler om, hvor meget energi vi kunne få fra vores kloroskind. I gennemsnit har hvert menneske omkring 1,7 kvadratmeter hud, men selvom det er helt nøgen, vil kun halvdelen af ​​huden sandsynligvis blive udsat for solen (f.eks. når du ligger på maven). På en lys dag er sollys energiniveauer omkring 300 watt pr. kvadratmeter, hvilket er nok til at drive en normal pære i omkring tre timer. For at være konservativ skal du endelig antage, at fotosyntesebiokemien inde i kloroplasten kun er 75 procent effektiv. Givet det input ville kloroskindet kun indsamle omkring 34 kilojoule energi i timen. Et menneske af gennemsnitsstørrelse har brug for omkring 10 millioner joule om dagen for at overleve.

For at et menneske kan fungere på normale energiniveauer, ville det således være nødvendigt med 290 timers middagssollys for at indsamle nok energi til at komme igennem en dag. Men for at nå den nødvendige energi, kunne mere hud gøre tricket. Hvis en human epidermis blev udvidet 300 gange (1,7 mto× 300), hvilket er omtrent på størrelse med to tennisbaner, vil et kloromenneske, der ligger på maven, kun behøve at sidde i solen i cirka en time. Derfor kunne et kloromenneske gå på frokostpause, udfolde deres nyfundne hud i en stor tom mark et sted, få et måltid, mens de måske tager en lur, og så lukke deres hud og hovedet ind igen, mæt og mæt.

Mobile gener og semigener

I betragtning af at kloroplastiske kleptomane findes i dyreriget, burde det ikke komme som nogen overraskelse, at der også er andre små, mobile molekyler, der bevæger sig mellem arter. I 2010 opdagede Alain Robichon høje niveauer af carotenoider i bladlus, små insekter, der kan findes i blade rundt om i verden. Dette i sig selv er ikke for mærkeligt, i betragtning af at dyr har brug for carotenoider til en række cellulære funktioner, herunder syn, farve og vitaminbehandling. Det ejendommelige kommer fra tidligere forskning udført af Nancy Moran og Tyler Jarvik, som viste, at carotenoider ikke var til stede i bladlusernes kost. De orange og røde organiske pigmenter, som giver de karakteristiske efterårsfarver til græskar og tomater, mentes kun at være lavet af planter, alger, bakterier og svampe – men her er et insekt, der tilsyneladende kunne lave dem alene.

Robichon og hans team satte sig for at opdage, hvad disse små insekter muligvis kunne gøre med så høje niveauer af, tilsyneladende, syntetiseret eller stjålet carotenoid. De bemærkede først, at celler med høje niveauer af carotenoider også havde forhøjede niveauer af adenosintrifosfat (ATP) - i det væsentlige cellernes benzin. De bemærkede derefter, at niveauerne af ATP ville ændre sig afhængigt af insektets eksponering for lys. Placer insektet i lys, ATP går op; læg det i mørke, ATP falder. For yderligere at teste deres reaktion på lys opdelte holdet bladlusene i to hold: dem med høje niveauer af carotenoider og dem med lavere niveauer. Som forventet var gruppen med højere carotenoider i stand til at absorbere mere lys. Holdet viste yderligere, at carotenoiderne i bladlusene var tæt på overfladen (0-40 nm), præcis hvad man ville forvente, hvis carotenoiderne blev brugt til at fange sollys.

Doner til Science Friday

Invester i videnskabsjournalistik af høj kvalitet ved at give en donation til Science Friday.

Så, i 2012, afsluttede Moran og Jarvik en fylogenetisk analyse, der identificerede gener i insekterne, som var næsten identiske med dem i carotenoidvejen i svampe. De så på 34 bladlusarter rundt om i verden og bemærkede, at alle bladlus havde mindst én kopi af dette gen (lycopencyclase/phytoensyntase), og nogle bladlusarter havde endda syv. I modsætning hertil har alle svampegenomer kun en enkelt kopi. De nærmeste levende slægtninge til bladlus, kaldet adelgider, viste også tegn på at have denne vej. Givet tid nok kan generne fra et helt livsrige flytte ind i et andet og ydermere give helt nye funktioner.

Det er vigtigt, at disse ikke er de eneste eksempler på gener, der bevæger sig fra en organisme til en anden. HGT er blevet vist i bakterier til svampe ( Saccharomyces cerevisiae ), bakterier til planter ( Agrobacterium ), bakterier til insekter ( Wolbachia , hos biller og væggelus), organel til organel (i parasitter af Rafflesiaceae ), plante til plante (hornurt til bregner), svampe til insekter (som ovenfor med ærtebladlus), menneske til parasit ( Plasmodium vivax ), virus til plante (tobaksmosaikvirus) og muligvis planter til dyr (Elysia-arter, ovenfor). Den mest skandaløse og omfattende HGT, der nogensinde er blevet observeret, er et spring fra bakterier til dyr i små mider, der lever i hele verdenshavene, bdelloide hjuldyr. Det anslås, at 8 procent af deres gener stammer fra bakterier.

Relateret artikel

At overleve på Mars, BYO Bakterier

Men det mest slående eksempel på gener, der bevæger sig, er, når de gør det i massevis. Endosymbiose-teorien om mitokondrier og kloroplaster hævder, at disse 'minibakterier' på et tidspunkt blev indtaget eller fusioneret med eukaryote celler. I stedet for at dø eller gå fra hinanden, besluttede de at gifte sig - og har været sammen i et kærligt cellulært ægteskab lige siden. Dette gjorde det muligt for ikke blot at flytte ét gen, men hele netværk, membraner og nye evner. For eksempel er ATP i menneskelige celler, som menneskets biologi afhænger af for næring og eksistens, ikke engang lavet af den menneskelige komponent af en celle; det er skabt i mitokondrierne.

Navnlig er overførslen af ​​gener fra mitokondrierne til det menneskelige genom og omvendt en proces, der stadig er i gang. Nukleære mitokondrielle DNA-segmenter (NUMT'er) er et resultat af dette engagement og eksisterer, hvor mitokondrielle gener er migreret, ligesom nomader, fra mitokondrierne til den menneskelige kerne. DNA'et i vores celler virker uanset hvor det kommer fra, hvilket betyder, at vores gennetværk ikke vælger deres plads i vores celler med hensyn til deres historie; snarere bestemmes deres plads ud fra, hvad der er behov for. Det samme princip, der gælder for liv på Jorden, kan også let anvendes uden for Jorden. I betragtning af disse udbredte og gennemgående eksempler på udveksling af DNA mellem arter, er det ikke uventet, eller endda unaturligt, at begynde at tænke på at gøre det i menneskelige celler. Fordi vores egen menneskelige afstamning kun giver evolutionære lektioner fra de sidste par millioner år, ville vi være bedre tjent med at tage lektionerne fra milliarder af års evolution for os at overleve i fjerne verdener.


Uddrag fra De næste 500 år: ingeniørliv for at nå nye verdener , af Christopher E. Mason, udgivet af The MIT Press.