Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Fotosyntetizující živočichové

Publikováno: Vesmír 95, 210, 2016/4
Obor: Zoologie

Někteří živočichové ve svých tělech hostí autotrofní organismy, jiní jim kradou plastidy nebo si od nich půjčují příslušné geny. Zašel některý živočich ještě dál? A jak do tohoto tématu mohou promluvit biotechnologové?

Fotosyntéza je skvělá strategie pro získávání energie, je-li k disposici dostatek světla. Není překvapivé, že se během evoluce různé mechanismy zachycení a zpracování energie fotonů vyvinuly opakovaně a nezávisle na sobě. Fotosyntéza navíc umožňuje jeden ze dvou typů autotrofie, kdy je organismus nezávislý na organických sloučeninách, neboť si je dokáže sám vyrobit (druhým typem je chemolitotrofie, využívající energii anorganických sloučenin).

Za mimořádných podmínek dostatku organických sloučenin (např. u parazitických rostlin nebo řas) může původně fotosyntetizující organismus tuto schopnost ztratit. Je ale možné, aby skupina heterotrofních organismů naopak získala schopnost fotosyntetizovat? U jednobuněčných organismů to není nic vzácného. Některé tuto schopnost získaly v dávné minulosti pohlcením fotosyntetizujícího prokaryotního organismu (primární endosymbióza, díky níž „zezelenali“ i dávní jednobuněční předci vyšších rostlin), další heterotrofové pohltili takto vzniklého eukaryotního autotrofa (sekundární a terciární endosymbióza, které daly vzniknout například rozsivkám nebo obrněnkám).

Je to však možné u složitých mnohobuněčných heterotrofů, jakými jsou živočichové? A jak by takoví fotosyntetizující živočichové mohli vypadat?

Pokud by měli využívat původního vynálezu sinic rozvinutého dále rostlinami, měli by být zelení. Pokud by vynalezli nějaký svůj vlastní způsob fotosyntézy, určitě by měli být barevní – pro zachycení sluneční energie je třeba mít příslušný pigment. Dále by měli být jako autotrofové schopni zabudovávat oxid uhličitý do organických sloučenin. Existuje nějaký živočich, který by splnil obě tato kritéria?

Zelení nájemníci

Někteří živočichové mají ve svých tělech zelené barvivo chlorofyl, schopné zachycovat sluneční záření. V takových případech se však jedná o pohlcené a nestrávené symbiotické řasy nebo sinice, které slouží jako doplňkový zdroj energie. Naprostá většina podobných případů (které bychom asi mohli přirovnat k symbióze houby se sinicí nebo řasou v lišejnících) je ze skupiny bezobratlých – jde např. o živočišné houby (v symbióze s řadou sinic, obrněnkami rodu Symbiodinium u mořských hub, řasami rodu Chlorella u sladkovodních), žahavce (obrněnky rodu Symbiodinium u korálů a sasanek nebo Chlorella u sladkovodních nezmarů), ploštěnce (zelené řasy rodu Tetraselmis, rozsivky rodu Licmophora, Chlorella u sladkovodních zástupců), mlže (např. obrněnky rodu Symbiodinium u zévy obrovské) a sumky (sinice – rod Prochloron). V roce 2012 se na seznam „zelených“ živočichů zařadil první obratlovec – americký axolotl Ambystoma maculatum.

Ve všech těchto případech můžeme najít uvnitř těl živočichů kompletní autotrofní buňky, které se zároveň vyskytují volně v přírodě. Zdá se, že endosymbióza se ustanovuje v každém jedinci de novo pohlcením volně žijícího autotrofního organismu.

Pro zmíněného axolotla jsou typická zelená vajíčka a vyvíjející se embrya. Jednobuněčná endosymbiotická řasa Oophila amblystomatis evidentně fotosyntetizuje a pomáhá vyživovat vyvíjející se embryo, v průběhu ontogeneze však pravděpodobně vymizí a v dospělosti se axolotl živí pouze heterotrofně. A jak se řasový symbiont do vyvíjejícího se embrya dostane? Zdá se, že ve vejcovodech samice, kde byla Oophila amblystomatis jednoznačně prokázána.1)

Extrémním případem využití původně rostlinné fotosyntézy je Elysia chlorotica, brčálově zelený nahožábrý plž, který „krade“ plastidy z pohlcené řasy Vaucheria litorea. Tomuto chování se říká kleptoplastidie, je známé od osmdesátých let a týká se tzv. trávicích buněk, v nichž mohou pohlcené chloroplasty uvolněné ze strávené řasy přežívat až devět měsíců (což je často déle, než je délka života samotné řasy).2)

Samozřejmě se nabízí otázka, jak mohou chloroplasty tak dlouho přežít, když většina genů nezbytných pro jejich fungování byla z jejich chromozomu během dlouhé společné evoluce přenesena do jaderného genomu příslušné řasy. Odpovědí je objev těchto genů v genomu elysie – ne všech, ale hned několika, a to pro klíčové molekuly zapojené do fotosyntézy včetně enzymů syntetizujících chlorofyl. Jde zatím o jeden z prvních případů tzv. horizontálního genového přenosu mezi dvěma mnohobuněčnými organismy.

Vlastní barviva

Přestože výše popsané případy mohou být překvapivé, není to žádný nový objev, který by živočichové učinili, ale recyklování již jednou objeveného.

Jedním z možných příkladů skutečné inovace může být zelená mšice Acyrthosiphon pisum, která dokáže syntetizovat karotenoidy, a to pomocí enzymů, které si sama kóduje ve své genetické informaci.3) I v tomto případě však zásluhy musíme alespoň částečně přiznat jinému „vynálezci“, a sice houbám, od nichž si mšice příslušné geny zkopírovala. Je ale pravda, že mšice dokáže vyrobit barvivo schopné pohltit sluneční záření sama, bez účasti symbionta.

Příslušný karoten je lokalizován do průsvitné kutikuly na povrchu těla, kde se odehrává proces podobný fotosyntéze bez chlorofylu. Živočišná buňka samozřejmě nemá chloroplast. Při fotosyntéze v rostlinné buňce vše probíhá na membráně tylakoidu v chloroplastu, kde fotosyntetické barvivo pohltí světlo a příslušný elektron se přenese na molekulu NADP, která jej předá transportérům čerpajícím protony do nitra tylakoidu. Protonový gradient je využit pro syntézu ATP (univerzálního zdroje energie v buňce). Jediným vhodným příjemcem elektronů schopných konat práci v živočišné buňce je mitochondrie, kde naštěstí pro mšici řada procesů probíhá obdobně jako v chloroplastu. Jeden z elektronů karotenu převezme příslušný přenašeč (NAD), který jej pak dopraví do mitochondrie. Tam elektron vstoupí do elektrontransportního řetězce, který pohání vznik protonového gradientu, následně využitého pro syntézu ATP.

Využíváním tohoto energetického triku se mšice nestává autotrofním organismem. Je stále závislá na organických látkách (nedokáže zabudovávat CO2), přilepšuje si však dalším „udržitelným“ zdrojem při výrobě ATP. U mšice je objev využití slunečního světla jako zdroje energie poněkud paradoxní, neboť přisátá na živné rostlině přijímá vysokoenergetickou potravu ve formě poměrně koncentrovaného roztoku cukrů.

Zatím asi jediným příkladem živočicha, který využití světelné energie řeší originálním způsobem, je sršeň východní (Vespa orientalis). Zdá se, že tento blanokřídlý hmyz, nápadně aktivní během denní periody s nejvyšší intenzitou světla, dokáže syntetizovat pigment fungující podobně jako karoten v mšici.4) Žluté barvivo xantopterin je uloženo v kutikule tak, aby bylo optimálně vystaveno světlu. Autoři uvádějí, že systém má 0,0335% účinnost, což se zdá hrozně málo, je však třeba si uvědomit, že účinnost, s jakou rostliny zabudovávají energii slunečního světla do biomasy, je „pouhých“ 0,1–2 %. Okolo sršní „fotosyntézy“ je zatím víc otázek než odpovědí, faktem ale je, že v rukou fyzikálních chemiků čistý xantopterin funguje docela spolehlivě, a byl dokonce použit pro výrobu solárního článku.

Prostor pro biotechnology

Téma využívání světla živočichy jako zdroje energie je mnohem širší, většina dat ale nebyla reprodukována a zřejmě patří do vědecké mytologie. Příkladem mohou být představy o melaninu (tedy našem vlastním kožním barvivu) jako anténě zachycující sluneční záření se schopností pohánět syntézu ATP, což mělo v dnešní době úbytku ozonu ospravedlnit poměrně iracionální mnohahodinové vystavování těl slunečnímu záření se zdůvodněním, že to příslušného jedince „nabíjí“.

„Přiživování“ živočichů na sluneční energii je však lákavá představa pro biotechnology, kteří by tak mohli zvýšit efektivitu živočišné produkce. Že nejde o úplnou sci-fi, ukazují experimenty provedené na oblíbeném modelu vývojové biologie – rybce Danio trio. Do oplozeného vajíčka byly injikovány sinice rodu Synechococcus, které překvapivě nebyly okamžitě zlikvidovány, ale přežily dva týdny po vylíhnutí rybičky, kdy zvýšená pigmentace zabránila pronikání světla k sinici.5)

Fotosyntéza u živočichů má ale řadu omezení, jinak by byla využita častěji. Vyžaduje velký tělní povrch exponovaný slunci, což je typická vlastnost rostlin s jejich větvením a plochými listy. Živočichové mají naopak vesměs vůči objemu relativně malý povrch a navíc se řada z nich skrývá před predátory v neosvětlených skrýších. Hrozilo by jim také nadměrné vystavení UV záření a přehřátí, popřípadě tvorba radikálů při fotochemických reakcích. Pokud by živočich využíval symbiotické fotosyntetické mikroorganismy, musel by zajistit, aby mu přenechávaly část vyrobených organických sloučenin. A pokud by využíval pouze chloroplasty, musel by zajistit jejich efektivní přenos z generace na generaci (ideálně ve vajíčku) a zabudovat do svého genomu geny nezbytné pro syntézu fotosyntetických barviv a dlouhodobé fungování chloroplastu.

Pakliže by se všechna zmíněná omezení podařilo vyřešit (evolucí nebo genovým a tkáňovým inženýrstvím), nejspíše by se takový fotosyntetizující živočich velice podobal rostlinám, které měly na příslušnou optimalizaci stovky milionů let experimentálního času.

Článek vychází s podporou firmy Eppendorf Czech & Slovakia, s.r.o.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201604_210-211.pdf (331 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky