Idzie zima. Bakterie już to wiedzą i natychmiast zaczęły reagować

Sinice, znane też jako cyjanobakterie, są bardzo prostymi organizmami. Ale to nie przeszkadza im przewidywać przyszłości. Konkretnie - zmian pór roku.

Nowe badanie, opublikowane przez zespół naukowców z Vanderbilt University kierowany przez Louisę Jabbur i Carla Johnsona wykazał, że mikroorganizmy są w stanie przewidzieć nadchodzące zmiany sezonów na podstawie ilości światła, na które są wystawione. Zjawisko to, znane jako fotoperiodyzm, dotychczas było udokumentowane jedynie u bardziej złożonych organizmów, takich jak rośliny i zwierzęta. Odkrycie sugeruje, że zdolność do przygotowywania się na nadchodzące zmiany środowiskowe mogła ewoluować znacznie wcześniej, niż wcześniej sądzono.

W eksperymencie, przeprowadzonym na gatunku Synechococcus elongatus, badacze wystawili mikroorganizmy na sztucznie kontrolowane cykle światła, symulujące skracające się dni, typowe dla okresu zimowego. Bakterie poddane krótszym dniom wykazywały dwukrotnie wyższą odporność na niskie temperatury w porównaniu do tych, które były wystawione na symulowane dłuższe dni.

„Odkrycie, że tak prosty organizm jak sinica potrafi reagować na zmiany długości dnia, sugeruje, że fotoperiodyzm mógł wyewoluować znacznie wcześniej, niż dotychczas zakładaliśmy” powiedziała Jabbur, obecnie pracująca w John Innes Centre w Norwich, w rozmowie z magazynem “New Scientist”.

Zespół badawczy odkrył również, że fotoperiodyzm u sinic wiąże się z zmianami w ekspresji genów. Geny odpowiedzialne za przetrwanie w ekstremalnych warunkach, takich jak zimno, były aktywowane tylko wtedy, gdy bakterie były wystawione na skracające się dni. Według Johnsona, tego typu reakcje mogą mieć kluczowe znaczenie w zrozumieniu ewolucji rytmów okołodobowych, które odpowiadają za regulację cyklu dnia i nocy u bardziej złożonych organizmów. „Zawsze zakładaliśmy, że rytmy dobowe ewoluowały wcześniej niż zdolność do mierzenia długości dnia. Jednak odkrycie, że fotoperiodyzm istnieje u tak starych i prostych organizmów, sugeruje, że mogło być odwrotnie” mówi badacz.

Sinice (cyjanobakterie) to grupa fotosyntetycznych bakterii, które należą do jednych z najstarszych form życia na Ziemi, istniejących od ponad 2 miliardów lat. Produkują energię za pomocą fotosyntezy, podobnie jak rośliny, i odgrywają kluczową rolę w produkcji tlenu. Występują praktycznie we wszystkich środowiskach na Ziemi – od oceanów po gorące źródła. W przeszłości były kluczowe dla rozwoju atmosfery tlenowej na Ziemi, a dziś uczestniczą w globalnych cyklach biogeochemicznych, wpływając na klimat i ekosystemy.

Ich zdolność do przewidywania zmian pór roku opiera się na przekazywaniu informacji o długości dnia kolejnym pokoleniom – a te rozmnażają się w ciągu zaledwie kilku godzin. Choć mechanizm ten nie został jeszcze w pełni zrozumiany, badania sugerują, że fotoperiodyzm u tych mikroorganizmów mógł powstać w wyniku ewolucji istniejących wcześniej mechanizmów odpowiedzialnych za radzenie sobie ze stresem wywołanym przez ekstremalne warunki środowiskowe, takie jak silne światło czy bardzo niskie temperatury.

Odkrycia te mają również istotne konsekwencje dla badań nad ewolucją życia na Ziemi. Możliwe, że zdolność do reagowania na zmiany sezonowe wyewoluowała znacznie wcześniej, niż przypuszczano, co pozwala organizmom lepiej radzić sobie z cyklicznymi zmianami środowiskowymi. Fotoperiodyzm u cyjanobakterii, jak sugerują badania, jest bezpośrednio powiązany z ich zegarem biologicznym, który ewoluował, aby umożliwić przetrwanie w zmiennych warunkach środowiskowych.