Náttúrufræðingurinn - 2002, Page 67

Náttúrufræðingurinn
ALDUR í MILLJÖRÐUM, MILLJÓNUM OG ÞÚSUNDUM ÁRA
(109, 106, 103)
| í
4,55 x 109
Myndun jarðar
4,4 x 109
Vatn þéttist í
höfunum
FORKAMBRISKUR TIMI
- I
3,8 x 109
Elstu
efnafræðileg
merki um líf
3,5 x 109
Elstu
steingervingar
(blábakteríur)
2,7 x 109 —
Elstu
efnafræðileg
merki um
kjörnunga
I— 2,6 x 109
Bakteríur
nema land
1,8 x 109
Elstu steingervingar
af fjölfmmungum
f
; 'v
\
ARCHAEA EUKARYOTES
7. mynd. Ættartré h'fheimsins í upphaflegri útgáfu Woeses. Allar skýringar á myndinni
eru ópýddar.
KJÖRNUNGAR
8. mynd. Endurskoðuð mynd af ættartré lífheimsins. Líklega hafa hinar elstu örverur
ekki myndað aðgreindar tegundir, heldur skipst á genum af algeru lauslæti. Samkvæmt
því væru meginstofnar lífheimsins sprottnir af allsherjarsafni dreifkjörnunga. Eftir áð
þrír meginstofnar eða fylki lífheimsins skildust að hafa lítt skyldar tegundir eða stofnar
enn runnið satnan, við það að bakteríur runnu inn í frumur annarra lífvera. Tvö mik-
ilvægustu dæmin um slíkan samruna eru sýnd á myndinni, þegar bakteríur urðu að
grænukornum og hvatberum.
Þessi flokkun er góð til hversdags-
brúks og verður sjálfsagt lengi notuð.
Hins vegar fellur hún afleitlega að
hugmyndum okkar um þróunar-
skyldleika lífveranna. Bandarískur
líffræðingur, Carl Woese, uppgötvaði
kringum 1970 að með aðferðum sam-
eindaerfðafræðinnar er hægt að
skipta dreifkjörnungum í tvær meg-
indeildir, verulega ólíkar að gerð
erfðaefnis og efnaskiptum. Annars
vegar eru hinar „venjulegu" bakterí-
ur eða gerlar, Bacteria, hins vegar líf-
verur sem margar lifa við sérkenni-
legar aðstæður, svo sem í heitum
hverum eða í mikilli seltu. Þessar ör-
verur nefndi Woese Archaea, eigin-
lega „hinar fomu". Þær hafa á ís-
lensku verið nefndar fornbakteríur
eða fyrnur.
Woese skipti lífheiminum í þrjár
megindeildir eða fylki, bakteríur,
fyrnur og kjörnunga. Til kjörnunga
teljast fjögur af fimm ríkjum hins
hefðbundna flokkunarkerfis: dýr og
plöntur, svifþörungar, sveppir og
slímsveppir og ýmsar gerðir fmm-
dýra. A 7. mynd er upphaflegt ættar-
tré Woeses sýnt. Þar er gert ráð fyrir
einum stofni sem allar lífvemr séu
komnar af. Lengd einstakra lína á
myndinni gefur til kynna hve mikill
munur er á erfðaefni (DNA) þeirra líf-
vemstofna sem línurnar tengja. Því
lengri sem þessar línur era, þeim
mun lengri tími má ætla að liðið hafi
frá því að stofnarnir greindust að.
Takið eftir því að samkvæmt ættar-
trénu standa fyrnur í þróun nær okk-
66
Tímarit Hins íslenska náttúrufræðifélags
\
%
<106
dýrin
lacara)
500 x106
Plöntur
þróast á
landi
Tí O.
16. A
\ \ \
360 x106
Ferfætt
hryggdýr
nema land
320 x106
Skriðdýr
koma fram
^ o: v
\
O' OOO o o
%
•i> •pp ýs 4*
t
65 x 106
Risaeðlur deyja út,
spendýr verða
ríkjandi
5 x 106----------
535 x106
Kambríska
byltingin
450 x106
Skordýr og aðrir
hryggleysingjar
nema land
Forfeður manna
og simpansa
225 x 106 greinast aö
Spendýr og risaeðlur
koma fram
150 x103
Menn með
nútímasniði koma
fram í Afríku
ur og öðmm kjörnungum en hinum
eiginlegu bakteríum. Hér er átt við
það að greining á erfðaefni bendir til
þess að styttra sé síðan leiðir skildi í
sögu lífsins með fyrnum og kjörn-
ungum en síðan bæði þessi fylki,
fyrnur og kjörnungar, greindust frá
bakteríum.
í plöntum og dýrum tryggir
kynæxlun arfgenga fjölbreytni, auk
þess sem stökkbreytingar leggja þró-
uninni til hráefni. En plöntur og dýr
koma fram fremur seint í sögu lífsins.
Sú saga snýst lengst af um örverur,
einkum dreifkjörnunga. Bakteríur og
fyrnur geta flutt gen milli einstak-
linga, bæði innan tegundar og milli
þeirra. I mörgum þeirra em til dæm-
is gen í litlum slaufum, plasmíðum,
sem geta borist á milli einstaklinga.
Eins taka veirur stundum þátt í flutn-
ingi erfðaefnis, DNA, úr einni örvem í
aðra.
Woese hefur endurskoðað ættartré
líflieimsins og gerir nú ráð fyrir því
að í upphaflegum stofni trésins, áður
en hann skiptist í megingreinarnar
þrjár, hafi erfðaefni færst óhindrað á
milli einstaklinga, þannig að á þess-
um tíma hafi lífvemrnar ekki skipst í
tegundir. Þetta er sýnt á 8. mynd,
endurskoðaðri útgáfu Woeses af lífs-
trénu. Neðst em í stað eins stofns
margar línur sem skerast, í bláum lit
á myndinni. Ofar má sjá tvær bláar
línur. Önnur tengir blábakteríur við
plöntur, hin liggur frá purpurabakt-
eríum til sameiginlegs stofns kjörn-
unga. Hér skulu þessi tengsl skýrð.
Ljóstillífun
í frumhafinu, sem umlukti fyrstu
frumurnar, er talið að hafi verið
ýmis lífræn efni sem frumurnar
notuðu jafnt sem hráefni í líkama
sína og sem orkugjafa. Gufuhvolf
þessa tíma hefur verið frábrugðið
því lofti sem við öndum að okkur. 1
því var til dæmis ekkert óbundið
súrefni. Eftir því sem lífverunum
fjölgaði gekk á fæðuna í sjónum. Þá
öðluðust sumar örverurnar hæfni
til að binda orku sólarljóssins og
virkja hana við starfsemi sem nefnd
er ljóstillífun, til að breyta koltví-
oxíði og vatni í lífræna fæðu, sykur,
og úr honum önnur lífræn efni sem
frumurnar þurftu, svo sem fitu,
prótín og kjarnsýrur. Þessar frumur
urðu frumbjarga, það er sjálfum sér
nægar um orku og lífræn fæðuefni.
Við ljóstillífunina gekk af óbundið
súrefni sem safnaðist fyrir í gufu-
hvolfinu.
í frumum plantna og annarra
grænna kjörnunga eru afmarkaðir
frumupartar, grænukorn, þar sem
ljóstillífun fer fram. Grænukornin
eru furðulík ákveðnum frumbjarga
bakteríum, blábakteríunum. I þeim
er til dæmis DNA í hringlaga litn-
ingum sem eru eins að gerð og með
mjög áþekk gen og litningar í blá-
bakteríum. Þróunarfræðingar telja
að grænukornin hafi upphaflega
verið blábakteríur sem hafi runnið
inn í frumur plantna, báðum til
hagsbóta.
Ttrangt til tekið er rangt að nota hugtakið lífefni um þœr sameindir sem einkenna lífverur og
lífsstarfsemi til að lýsa þróun efnisins áður en líf var komið fram.
6. mynd. Tafla er sýnir nokkra áfanga i
fjögurra milljarða ára sögu lífs á jörðinni.
Fornlífsöld tekur yfir tímabilin kambríum
til perm; trías, júra og krít eru tímábil
miðlífsaldar og paleósen til pleistðsen eru
á nýlífsöld. Siðasti hluti mjlífsaldar, nú-
tíminn eða hólósen, er ekki á töflunni.
Loftháð öndun
Margar þær lífvemr sem nú em
uppi vinna orku úr lífrænum fæðu-
efnum, svo sem sykri, með því að
sundra fæðunni í hægum bmna (í
súrefni). Þessi starfsemi, loftháð
öndun, gat ekki hafist fyrr en fram
voru komnar frumbjarga lífverur
sem losuðu súrefni út í gufuhvolfið
við ljóstillífun. Öndunin fer í fmm-
um kjörnunga fram í afmörkuðum
fmmuhlutum, hvatbemm eða fest-
arkornum („mítókondríum"). Líf-
fræðingar telja að hvatberarnir hafi,
eins og grænukornin, upphaflega
verið bakteríur sem hafi þróað með
sér loftháða öndun og þar með náð
mun meiri orku úr fæðunni en áður
var hægt. Eins og grænukornin em
hvatberarnir með DNA í hringlaga
litningum og minna á ákveðnar
bakteríur, í þessu tilviki purpura-
bakteríur.
Fyrstu lífverurnar
Nú á tímum einkennist lífið af þrem-
ur gerðum stórsameinda, DNA (de-
oxíríbósakjarnsýru), RNA (ríbósa-
kjarnsým) og prótíni. Verkaskipting
þeirra á milli er í stómm dráttum sú
að DNA er erfðaefnið, sem ræður röð
byggingareininga (kirna eða núkleó-
tíða) í öllum kjarnsýmm (DNA og
RNA) sem í frumunni myndast.
Þessum erfðaboðum kemur RNA til
skila og stýrir röð amínósýmeininga
í þeim prótínum sem í fmmunni
myndast. Loks stjórna prótínin efna-
skiptunum og þar með lífsstarfsem-
inni.
En lífið spratt ekki upp fullskapað.
Þegar þróun lífsins hófst hefur verið
að baki löng próun efnisins. Fyrsti
áfangi þessarar þróunar hefur vænt-
anlega verið að tilskilin lífefnihrá-
efni, nauðsynleg lifandi verum -
hafa komið saman. Stjarnfræðingar
hafa greint ýmis lífefni, svo sem hrá-
67