Elämän aamu: [HT] Arkkieliöt

Elämän kolme domeenia. (Kuva Wikimedia)

Ennen 1900-lukua useimmat biologit luokittelivat eliöt joko kasveihin tai eläimiin. Mutta 1950- ja 60-luvulla alettiin ymmärtää, että tämä jako ei riittävästi ottanut huomioon sieniä, alkueläimiä (protisteja) eikä bakteereja. 70-luvulla viiden 'kunnan' järjestelmä sai yleisen hyväksynnän. Samalla tehtiin ylimmällä tasolla jako kahteen ryhmään: prokaryootit (bakteerit) ja eukaryootit (kasvit, eläimet, sienet ja alkueliöt).

Tiedeyhteisöä hätkähdytti kuitenkin 1970-luvun lopulla uusi teoria: tohtori Carl Woese Illinoisin yliopistosta kolleegoineen oli tutkinut prokaryoottien keskinäistä sukulaisuutta DNA-vertailujen avulla ja tullut siihen tulokseen, että prokaryootit jakaantuvat kahteen hyvin erilaiseen ryhmään. Tietyt heidän tutkimansa bakteereiksi aiemmin nimitetyt eliöt, jotka elivät hyvin kuumissa ympäristöissä erottuivat selvästi muista. Woese ehdotti eliöiden jakoa kolmeen domeeniin: Eukaryota, Eubacteria ja Archaebacteria mutta muutti Archaebacteria-nimityksen harhaanjohtavana myöhemmin muotoon Archaea. Woesen jako on saanut laajan hyväksynnän, vaikka kritiikkiäkin on esitetty. Suomenkielellä jako menee siis: aitotumaiset, bakteerit ja arkkieliöt. (Arkkieliöille on ehdotettu uutta suomalaista nimeä 'arkeonit').

Suolaisuutta hyvin sietävät halobakteerit ovat nimestään
huolimatta arkkieliöitä. (Kuva Wikimedia)

Monet arkkieliöt elävät ääriolosuhteissa. Niitä löytyy merenpohjan kuumien lähteiden läheltä yli 100 asteen lämpötiloista. Jotkut elävät maanpäällisissä kuumissa lähteissä tai hyvin emäksisissä, happamissa tai suolaisissa ympäristöissä. Niitä on myös eläinten ruoansulatuselimistössä ja merenpohjan hapettomissa kerrostumissa.

Arkkieliöitä on kuitenkin runsaasti myös ihan tavallisissa elinympäristöissä, esim. meren planktonin seassa. Niiden on arvioitu muodostavan jopa 20% maapallon biomassasta. Siihen nähden on yllättävää, että juuri mitkään eläimet eivät käytä niitä ravinnokseen. Vasta vuonna 2012 löydettiin syvältä merenpohjasta todella kaikkiruokainen mato, joka käyttää ravinnokseen myös arkkieliöitä.

Arkkieliöt ja fossiilit

Arkkieliöt ovat pieniä, joten niiden fossiilien tutkimus on vaikeaa. Ne voivat myös olla muodoltaan hyvin samanlaisia kuin bakteerit, joten muodosta ei voi välttämättä päätellä kumpi on kyseessä. On kuitenkin eräs keino, joka antaa johtolankoja. Arkkien solukalvojen lipidit ovat erilaisia kuin muilla eliöillä ja se jättää kemialisia jälkiä kerrostumiin. Tämä erilainen koostumus auttaa arkkieliöitä myös selviämäään korkeissa lämpötiloissa. Terminologia on sen verran vaikeaa, että otan tähän eroon liittyen suoran lainauksen Wikipediasta:

Archaeal lipid tails are chemically different from other organisms. Archaeal lipids are based upon the isoprenoid sidechain and are long chains with multiple side-branches and sometimes even cyclopropane or cyclohexane rings. This is in contrast to the fatty acids found in other organisms' membranes, which have straight chains with no branches or rings. Although isoprenoids play an important role in the biochemistry of many organisms, only the archaea use them to make phospholipids. These branched chains may help prevent archaeal membranes from leaking at high temperatures.

Noita arkkieliöiden solukalvojen erityisten lipidien jättämiä kemialisia jälkiä on löydetty Grönlannista, Isuan alueelta maapallon vanhimmista kerrostumista, joiden iäksi on arvioitu 3.8 miljardia vuotta. Näiden kemialisten jälkien tulkinnasta ei tosin olla yksimielisiä tiedeyhteisössä.

Arkkieliöillä voi myös olla osuutensa stromatoliittien synnyssä syanobakteerien lisäksi. Jotkut tutkimukset viittaavat siihen, että kaikki kolme eliöiden domeenia, arkit, bakteerit ja aitotumaiset olivat olemassa jo arkeeisella ajalla, ja näinollen ns. mikrobimatot saattoivat sisältää jopa kaikkia näitä. Virtual Fossil Museum-sivuilla kerrotaan asiasta näin:

As previously noted, stromatolites are most often described as biogenically-produced structures formed by colonies of photosynthesizing cyanobacteria. However, this is an enormous oversimplification given that the weight of scientific evidence suggests that all three domains of life (the Archaeans, Eubacteria, and Eukaryotes) appeared in the Archaean Era, and thus the so-called microbial mats would have contained representatives among all three domains. Just how and when the base of the tree of life split into the three main branches remains one of the most important questions in all of biology and science, and is the source of constant scientific dispute. Which of the prokaryotes came first, the Archaeans or the Eubacteria remains unresolved, and a consensus has emerged that these primitive microorganisms laterally exchanged genes further confounding attempts to validate what begat what during to course of early evolution on earth. Lateral gene transfer belies the concept of the single common ancestor (see Woese, 1998). While formation by colonies of cyanobacteria is probably the primary mechanism for formation of surviving stromatolites in the deep time of the Archaean and half way through the Proterozoic, it is unlikely to have been the only mechanism.

Kuten yllä myös mainitaan, ei olla yksimielisiä kumpi prokaryoottien tyyppi ilmaantui ensin, arkit vai bakteerit. Niiden kehityksen kannalta mielenkiintoinen ja kannatusta saanut teoria on, että alkeelliset mikro-organismit olisivat vaihtaneet perimäainesta suoraan tai bakteriofagien välityksellä, niin että evoluutio ei olekaan sillä tasolla edistynyt pelkästään sukulinjoissa. Tästä käytetään nimitystä horisontaalinen geeninsiirto (engl. myös lateral gene transfer).

__________________