Yaklaşık 2,5 milyar yıl önce, tek hücreli organizmalarda klorofil adı verilen bir pigment ortaya çıktı ve onların ışık biçimindeki enerjiyi yakalamalarını ve onu şekere dönüştürmelerini sağladı. Fotosentez adı verilen bu biyokimyasal hile, biyosferi dönüştürdü. Fotosentez daha sonra bitkilerin dünyanın her yerinde gelişmesine izin verdi ve bizim gibi heterotrofların - kendi yiyeceklerini üretmeyen organizmaların - hayatta kalmak için tükettiği tüm yiyeceklerin temelidir.
Klorofil pigmenti kısa (mavi) ve uzun (kırmızı) dalga boylarını çok iyi yakalasa da, görünür ışığın orta dalga boylarını o kadar etkili bir şekilde emmez. Güney Carolina Üniversitesi'nde evrimsel bir biyolog olan Jeff Dudycha, bu, ışığı yakalamak için çok sayıda kullanılmayan potansiyel yaratıyor” diyor. (Kızılötesi ışık fotosentez için yeterli enerjiye sahip değildir, ultraviyole ışık ise bitkilere zarar verebilir.)
Ancak, kriptofitler olarak bilinen belirsiz ve ekolojik olarak başarılı bir alg grubu, klorofilin yapamadığı yerlerde ışığı yakalayan pigmentler geliştirdi, Dudycha ve meslektaşları bir dizi raporda bildirdiler. son kağıtlar . Daha fazla dalga boyundaki ışıktan ekstra enerji emilimi, bu alglerin okyanuslardan akarsulara, göletlere ve çamur birikintilerine kadar çeşitli ortamlarda gelişmesine izin verdi.
Güney Carolina Üniversitesi'nde okyanus bilimci olan ve çalışmaların ortak yazarı Tammi Richardson, bunların her yerde olduğunu söylüyor. Kriptofitler bir değil, fikobilinler adı verilen ve onların çeşitlenmelerine ve birçok farklı ekolojik niş içinde yaşamalarına izin veren bir dizi ışık emici pigment geliştirmiştir. Bu fikobilinler, proteinlere bağlanır ve ışığı emen bir fikobiliprotein oluşturur.
Optik mikroskop altında kriptofitler.( CC BY 3.0 altında Wikicommons aracılığıyla CSIRO )
Fikobiliprotein pigmentlerinin kökeni, kriptofit alglerinin kökenlerinden ayrılamaz. Kriptofitler, iki organizma arasındaki birleşmenin sonucudur: başka bir bilinmeyen ökaryot tarafından yutulmuş kırmızı bir alg (kapalı çekirdek içeren hücrelere sahip bir organizma). Araştırmacılar, iki ökaryot arasındaki bu tür evrimsel birleşmeyi, ikincil endosimbiyoz . İlk endosimbiyoz, bir prokaryotun (çekirdeği olmayan tek hücreli bir organizma) bir bakteriyi yutması ve yaklaşık 1,7 milyar yıl önce ilk ökaryotik hücreyi üretmesiyle meydana geldi. İkincil ve hatta üçüncül birleşmeler, yaşam tarihinde birkaç kez meydana geldi ve bir organizma diğerini emip içerdiğinde yeni yaşam türleri yarattı.
Kanada, Nova Scotia'daki Dalhousie Üniversitesi'nden evrimsel bir genom uzmanı olan John Archibald, bu birleşmelerin, proteinleri ve farklı bölmelerdeki şeyleri ilginç şekillerde karıştırıp eşleştirebileceğiniz deneyler gibi olduğunu söylüyor. Sonuçta elde ettiğiniz şey, iki orijinal ortağın hiçbirinin sahip olmadığı yeteneklere sahip bir tür melez organizmadır.
Kırmızı alg ve onu yutan bilinmeyen ökaryot birlikte, fikobiliproteinler halinde birleştirilebilecek gerekli parçaları sağladı. Bu ışık yakalayan proteinler, biri konak ökaryotun nükleer genomunda kodlanmış, diğeri ise eski kırmızı alglerin plastid genomunda kodlanmış olan iki protein alt biriminden yapılmıştır. (Kırmızı yosunun plastidi -zarla bağlı bir organeli- alg bir siyanobakteri alıp onu bir plastide dönüştürdüğünde, daha önceki bir birleşmeden gelir.)
Ve böylece, bir organizmanın diğerini emmesi ve ardından tamamen yeni bir şeye dönüşmesiyle, bu eşsiz algler oluştu. Archibald, kriptofitlerin yeni bir fırsattan yararlanmak için sahip oldukları proteinleri kurcaladığını söylüyor. Sonuç, fotosentez için daha fazla ışığı absorbe edecek yeni pigmentlerin oluşumuydu.
Taramalı elektron mikroskobu altında kriptofitler.( CC BY 3.0 altında Wikicommons aracılığıyla CSIRO )
Dudycha'nın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Matt Greenwold, fikobiliproteinlerin kökenlerini inceliyor. Molekülün bir kısmı, atalara ait kırmızı alglerde bulunan fikoeritrin adı verilen başka bir pigmentin genetik materyalinden elde edilir. Ancak, konakçı organizmanın bir geni tarafından kodlanan fikobiliproteini yapan diğer protein alt biriminin kökeni bilinmemektedir. Greenwold, diğer organizmalarda bilinen herhangi bir genin dizisiyle eşleşmediğini söylüyor. Bilinmeyen konak hücrenin genomuna ait olabilir veya başka bir yerden nakledilmiş olabilir.
Gizemli proteinin kırmızı alg genomundan gelmiş olması da mümkündür. Archibald, endosimbiyotik bir birleşmede bir organizmadan gelen genlerin konakçının çekirdeğine taşınmasının nadir olmadığını söylüyor.
Her kriptofitin, her alg türüne özgü yalnızca bir tür fikobiliproteine sahip olduğu bilinmesine rağmen, Richardson ve onun yüksek lisans öğrencisi Kristin Heidenreich'in son çalışması, bu pigmentlerin absorpsiyon spektrumunun, alglerin büyüdüğü ortama bağlı olarak değişebileceğini öne sürüyor. Bu beni mahvetti, diyor Richardson.
Kriptofit alglerinin bu başarıya nasıl ulaştığı hala belli değil. Richardson, fikobiliproteinin farklı dalga boylarını emecek şekilde şekil değiştirdiğini öne sürüyor. Alternatif olarak, kriptofitler kromoforları - fikobiliprotein kompleksindeki ışık emici zincirleri - değiştiriyor olabilir, böylece kendilerine sunulan ışığın rengini ne olursa olsun emebilirler.
Ökaryotik hücreler, ışık emici bir organel olan kloroplast haline gelen siyanobakterileri ilk kez absorbe ettiğinde, fotosentez Dünya'daki yaşamın güçlü bir itici gücü haline geldi. Ancak, kriptofit üretenler gibi ikincil birleşmeler, ışık spektrumunun kullanılmayan kısımlarını yakalamak için mevcut pigmentleri daha da genişlettiğinden, fotosentezin evrimi henüz yapılmamış olabilir. Bitkiler ışıktan daha fazla enerji elde etmeye devam edebilirlerse, bunun gezegenin geleceğini nasıl etkileyeceğini söylemek mümkün değil.