Przez długi czas społeczność naukowa nie mogła uwierzyć w wyniki badań opublikowanych przez Carla Woese.
Kiedy pisałam doktorat z mikrobiologii na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign, Carl Woese był już na emeryturze, ale nadal codziennie przychodził do starego Morrill Hall, w którym mieściło się tylko jedno laboratorium. Wszystkie pozostałe pracownie osiem lat wcześniej zostały przeniesione do nowego budynku. Carla zirytował fakt, że musi przerywać badania naukowe tylko po to, żeby przeprowadzić się kilkaset metrów dalej. Dał więc wyraz swojemu niezadowoleniu na zebraniu rady wydziału, a uniwersytet postanowił, że zrobi dla niego wyjątek.
Podczas gdy inni profesorowie spędzili kilka miesięcy na pakowaniu drogocennego sprzętu do tekturowych pudeł, pilnowaniu tragarzy i bieganiu z obłędem w oczach z góry na dół po piętrach starego i nowego budynku, Carl siedział w maleńkim, pozbawionym okien biurze, jak zawsze pogrążony w fotelu, trzymając dłonie splecione w charakterystycznym geście za głową i spokojnie kierował pracą badawczą swojego zespołu.
Carl Woese. Fot. Don Hamerman
Później widywałam go często, jak powolnym krokiem przemierzał uniwersyteckie korytarze. Ubrany w dżinsy i flanelową koszulę, drobny, siwy mężczyzna o delikatnych rysach i zaczerwienionych od starych odmrożeń policzkach. Otaczała go aura nabożnego podziwu, której zdawał się nie dostrzegać. Zawsze kłaniał się pierwszy, niezależnie od tego, czy na swojej drodze spotkał profesora, doktoranta czy kogoś z administracji budynku. Gdy za jego plecami szeptano: „Widziałeś? to jest właśnie Carl Woese”, uśmiechał się w nieśmiały, ujmujący sposób i przyspieszał kroku, żeby czym prędzej zniknąć za najbliższym rogiem.
Niespełna dwadzieścia lat wcześniej zamiast ogólnego szacunku Carla otaczała atmosfera podejrzeń i ostracyzm.
Przez długi czas społeczność naukowa nie mogła uwierzyć w wyniki opublikowanych przez niego badań. Poddawano je ostrej i nieustannej krytyce. Carl Woese wywołał naukową rewolucję i zapłacił za to wysoką cenę.
Systematyka, czyli jak opisać świat
Od niepamiętnych czasów ludzie starają się zrozumieć świat, porządkując otaczające ich obiekty według łączących je zależności, podobieństw i w końcu, w przypadku istot żywych, według stopnia pokrewieństwa. Systematyka jest najstarszą dziedziną nauk biologicznych. Zajmuje się klasyfikowaniem, katalogowaniem, oraz opisywaniem organizmów. Najdawniejsze próby naukowego systematyzowania roślin i zwierząt znane są ze starożytności; wtedy były oparte na podobieństwie ich budowy zewnętrznej. Obecnie wiadomo, że wspólne cechy wyglądu wcale nie muszą świadczyć o rzeczywistym pokrewieństwie. Każdy zna przykład wieloryba mylonego z rybą albo nietoperza, któremu dużo bliżej do ludzi niż ptaków.
Współcześnie pokrewieństwo ustalane jest poprzez analizę rozwoju rodowego, czyli filogenezy, którą ocenia się, badając morfologię, anatomię, cytologię, embriologię, biochemię i genetykę organizmów. Na tej podstawie jeszcze w latach siedemdziesiątych cały świat ożywiony dzielono na dwie domeny (bądź nadkrólestwa): prokarionty, czyli jednokomórkowe organizmy nieposiadające wyodrębnionego jądra (do tej grupy zaliczano bakterie), i eukarionty – organizmy jądrzaste, czyli zwierzęta, rośliny, grzyby oraz pierwotniaki. Równolegle funkcjonował tzw. podział systematyczny Roberta Whittakera, który wyróżnił pięć królestw: bakterie, pierwotniaki, grzyby, rośliny i zwierzęta.
Podstawową jednostką systematyki jest takson. Taksony pokrewne grupuje się w taksony wyższego poziomu: gatunki łączą się w rodzaj, rodzaje w rodzinę, rodziny w rząd, a rzędy w gromadę itd. Badając cechy określonego organizmu, można go przyporządkować do konkretnej grupy. Na przykład gatunek Pies domowy należy do: rodzaj – Canis, rząd – Drapieżne, rodzina – Ssaki, królestw – Zwierzęta i nadkrólestwo – Eukariota.
Podobnie jak drzewo genealogiczne w rodzinie, zależności pomiędzy gatunkami można przedstawić graficznie, w formie drzewa filogenetycznego. Pień symbolizuje wspólnego przodka taksonów znajdujących się wyżej, a długość gałęzi, a czasem również kąt pomiędzy nimi, określają tempo zachodzących przemian ewolucyjnych, które odzwierciedlają stopień pokrewieństwa. Naukowcy od dawna tworzyli drzewa filogenetyczne najróżniejszych grup organizmów, prawidłom systematyki nieustannie wymykały się jednak bakterie.
Tradycyjnie przyjęto, że określone grupy bakterii nazywa się od kształtu, jaki mają ich komórki, albo rodzaju skupisk, które tworzą. Wyróżniano więc: ziarniaki, pałeczki, maczugowce, krętki i dwoinki, gronkowce czy pakietowce. W drugiej połowie XX wieku podejmowano rozliczne próby klasyfikacji bakterii na podstawie różnic w ich metabolizmie, budowie białek oraz zmian w sekwencji nukleotydowej DNA.
Mimo to większość metod, które sprawdzały się w przypadku wyższych organizmów, nie sprawdzała się w przypadku bakterii: nie dawały pewności, czy dane bakterie należą do jednego gatunku i są dosyć zróżnicowanymi odmianami, czy też należą do dwóch oddzielnych taksonów. Główną przyczyną trudności było powszechne wśród mikroorganizmów zjawisko poziomego transferu genów, o którym pisałam już wcześniej. Dzięki transferowi nawet blisko spokrewnione odmiany mogą mieć inny metabolizm albo zdecydowanie różniące się organelle. I na odwrót – odległe grupy taksonomiczne mają podobne struktury komórkowe i są zdolne do przeprowadzania identycznych procesów biochemicznych.
„Te stworzenia nie są bakteriami!”
W 1970 roku Carl Woese podjął się próby właściwej klasyfikacji mikroorganizmów. Miał pomysł: jako kryterium podziału wybrał sekwencje nukleotydową rybosomalnego RNA i na podstawie różnic w nim występujących zaczął budować drzewo filogenetyczne bakterii. Większość mutacji, które powstają w rybosomalnym RNA, kończy się śmiercią komórki. Oznacza to, że jest to element pełniący niezwykle istotną funkcję dla przetrwania organizmu; w żargonie biologicznym nazywamy podobne struktury konserwowanymi, czyli takimi, które bardzo wolno zmieniają się w czasie ewolucji. Ponieważ jednak szacowano, że bakterie powstały kilka miliardów lat temu, Woese uznał, że rybosomalne RNA powinno zgromadzić wystarczająco dużo różnic, według których można by określać pokrewieństwo.
Profesorowie na moim wydziale opowiadali, że w tamtym czasie Carl biegał od laboratorium do laboratorium mikrobiologicznego i zanudzał kolegów prośbami o bakteryjne próbki. Kiedy w końcu zgromadził ich wystarczająco dużo, zabrał się do izolacji i żmudnej analizy RNA. Badania zabrały mu kilka lat, ale w końcu był w stanie przedstawić pierwsze drzewo filogenetyczne bakterii. I wtedy zdarzyło się coś nieoczekiwanego.
Jeden z kolegów Carla, Ralph Wolfe, zaproponował, żeby sprawdzić, w którym miejscu na drzewie filogenetycznym będą lokować się beztlenowe bakterie produkujące metan. Te jednokomórkowe organizmy, żyjące w osadach dennych zbiorników wodnych i pod powierzchnią trzęsawisk, były niezwykle zróżnicowane pod względem koloru i kształtów, miały jednak bardzo podobny metabolizm. Woese odebrał próbki od Wolfe’a i zabrał się do pracy.
Początkowo sądził, że popełnił błąd. Powtórzył więc doświadczenie, a potem zrobił to jeszcze raz, zanim zyskał pewność, że wyniki, na które patrzy, nie są artefaktem. W końcu pokazał je Wolfe’owi.
Potrząsając głową, powiedział: „Ralph, te stworzenia nie są bakteriami”.
Badanym przez Woese organizmom brakowało długiego kawałka sekwencji nukleotydowej RNA, która została uznana za charakterystyczną dla bakterii. Wolfe wzruszył ramionami: „Carl, uspokój się”, odpowiedział. „Oczywiście, że to są bakterie: wyglądają jak bakterie i jak bakterie się zachowują. Czym innym miałby być?”
Ale w tamtym momencie Woese wiedział już bardzo dobrze, że ani morfologia, ani metabolizm bakterii nie są wystarczającym kryterium do oceny stopnia ich pokrewieństwa. Właściwą odpowiedź na pytanie o ich pochodzenie dawało tylko badanie RNA. A analiza sekwencji nukleotydowej RNA matanogenów niezbicie wskazywała na to, że nie należą do żadnej z dwóch znanych domen życia. Stanowiły trzecią, zupełnie oddzielną gałąź.
W ten sposób w 1977 roku Carl Woese odkrył nieznaną formę życia. Szok, jaki wywołał, publikując wyniki swojej pracy w „Journal of Molecular Evolution”, wstrząsnął całą akademicka społecznością. Musiało minąć aż dziesięć lat, zanim wspólnota naukowa zaakceptowała jego badania.
Trzy domeny życia, rys. Nova
Fani ekstremalnych warunków
Obecnie archeony, obok bakterii właściwych i eukariontów, zostały uznane za jedną z trzech podstawowych domen życia. Wiadomo, że zamieszkują wszystkie znane środowiska, choć większość z nich preferuje warunki ekstremalne. Znajdowano je w gorących źródłach, we wnętrzu silnie zakwaszonych lub silnie alkalicznych zbiorników wodnych, na bogatych w metan bagnach czy pustyniach solnych. Szczególnie znane są z występowania w gejzerach i w kominach hydrotermalnych na dnie oceanów.
Niektóre gatunki mogą rozmnażać się jedynie w temperaturze 121 stopni Celsjusza, śmiertelnej dla wszystkich innych żywych stworzeń na naszej planecie. Inne są spotykane w środowiskach zimnych, a kilka wykryto w przewodach pokarmowych zwierząt. Charakteryzuje je ogromne zróżnicowanie kolorów i kształtów: odkryto archeony okrągłe, podłużne, a nawet kwadratowe; tak duże, że nieomalże widoczne gołym okiem i te o najmniejszych występujących na Ziemi komórkach.
Kwadratowe komórki Halquadratum walsbyi, autor: Rotational
Ze względu na sposób odżywiania archeony zajmują szerokie spektrum: od tzw. organotrofów, czyli organizmów cudzożywnych, rozkładających materię organiczną, po chemolitoautotrofy, organizmy samożywne, ale w przeciwieństwie do roślin nieczerpiących energii ze słońca, tylko z rozkładu związków nieorganicznych. Co ciekawe, do tej pory nie wykryto patogennych archeonów, stanowiących zagrożenie dla ludzi lub jakichkolwiek innych organizmów wyższych.
Struktura organelli komórkowych, jak również obecność niektórych białek sugerują, że są bliżej spokrewnione z eukariontami (czyli również z człowiekiem) niż z bakteriami.
Posiadają zbliżoną do eukariotycznej polimerazę DNA i RNA oraz białka histonowe, służące do kondensacji DNA, których brak w komórkach bakteryjnych. Te fakty mogą sugerować, że domena organizmów jądrzastych wyewoluowała z archeonów. Hipoteza ta jest obecnie szeroko dyskutowana w świecie naukowym.
***
W 1992 Carl Woese otrzymał medal Leeuwenhoeka – najwyższe odznaczenie dla mikrobiologa. W 2000 został laureatem National Medal of Science. W 2003 wręczono mu nagrodę Crafoorda przyznawaną przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk. W ostatnich latach był traktowany jako poważny kandydat do Nagrody Nobla. Niestety jej nie doczekał. Zmarł w 2012 roku na raka prostaty.
