Egy amerikai egyetemista cianobaktériumokat juttatott halikrákba. A halacskák kikeltek, és a bennük lévő baktériumok még két hét után is éltek. Vajon érdemes élelmiszer-ipari célból „fényevő” állatok létrehozásán fáradozni?
A táplálék napfényből való előállítása először, a korábban kékmoszatokként emlegetett, cianobaktériumoknál fejlődött ki, majd később a növényeknél, amikor a „ravaszabb” sejtek „elrabolták” az egész technológiát, „rabszolgáikká téve” a cianobaktériumokat. Christina Agapakis amerikai egyetemista nemrégiben elképesztő kísérletet hajtott végre: fotoszintetizáló baktériumokat injektált zebradánió-ikrákba.
Általában a nagyobb sejtekbe kerülő baktériumok vagy elpusztítják a sejteket, vagy ők maguk pusztulnak el. Néha azonban másként alakulnak a dolgok, és a következmények talán bolygónk egész jövőjét változtatják meg. A kutatók többsége le merte volna fogadni, hogy cianobaktérium-hal „hibrid” nem hozható létre, ám a diáklány által használt Synechococcus nevű cianobaktériumok a halak kikelése után még két hét múlva is életben voltak. Ekkortájt kezdődik a zebradániókban a pigmentek kialakulása. Talán e baktériumok egy átlátszó halváltozatban tovább is életben maradtak volna.
A Synechococcus nem a megszokott módon szaporodik és fejlődik a halikrában.Mi több, cukorral sem látja el a halacskákat, így aztán a halembriók nem jutnak energiához a napfényből. Ez nem változott a cukor kiválasztására génmódosított cianobaktériumokkal elvégzett kísérletben sem. Azonban maga a tény, hogy mind a baktériumok, mind a halak életben maradtak, kínzó kérdéseket vet föl. Vajon egy szép napon fényenergiát hasznosító halak hozhatók létre? A fotoszintetizáló állatok pedig részt vehetnek a világ élelmezési problémáinak megoldásában? Ezt a kérdéskört járta körbe a New Scientist egyik decemberi száma.
Nem érdemes megmosolyogni ezeket a kérdéseket, bármilyen meglepőek is. Számos állat ugyanis táplálékának legalább egy részét fotoszintézisből nyeri. Közéjük tartoznak pl. a trópusi korallok, több szivacs, tengeri zsákállatok vagy tengerirózsák. Téves lenne persze azt hinni, hogy ezek az állatok hasonlítanak a növényekre, vagy növényi életmódot folytatnak. Számos szabadon mozgó fotoszintetizáló állat él, pl. apró laposférgek, vagy a tengerek felszínén lebegő medúzafajok. Legkülönösebbek persze a fényt hasznosító tengeri meztelencsigák. A tudósok eddig úgy tudták, gerinces állat nem található a „napelemes” állatok között, ám mára ez a nézet megdőlt. Az ismeretes, hogy algák élnek néhány kétéltű petéjét körülvevő zselés burokban, és ebből mindkét fél profitál.
Az alga adja az oxigént, cserébe az embrió salakanyagát kapja. Nemrégiben azonban kiderült, hogy az egyik foltos szalamandrafaj ennél is tovább megy! Kanadai kutatók felfedezték, hogy a nőstények algasejteket tárolnak petevezetékükben, amiket később átadnak a petéknek. Ezek az algák nem csupán a peték külső felszínén találhatóak, de a fejlődő szalamandraembrió sejtjeiben is!
A sejteken belül az energia előállításában és raktározásában szerepet játszó ún. mitokondriumok az algák köré gyűlnek, mintha az általuk előállított cukrot és oxigént habzsolnák. Még nem biztos, hogy az embriók valóban kapnak tápanyagot az algáktól, az pedig szinte kizárt, hogy az élete java részében mohák és kövek alatt rejtőző kifejlett állatok energiához jutnának általuk, főként, hogy a zömében fekete bőrükön amúgy sem jutna be túl sok fény az algákhoz.
A kérdés tehát nem az, hogy tudnak-e fotoszintetizálni az állatok, hanem az, hogy miért olyan kevés él ezzel a lehetőséggel? Vajon kinek van igaza, aki szerint a fotoszintézis hátrányait nem ellensúlyozzák az előnyei, vagy akik ezzel nem értenek egyet. Talán könnyebb eldönteni, ha megnézzük, mi is kell a fotoszintézishez.
Az egyik legfontosabb tényező a napfény. A fotoszintetizáló állatok sok időt töltenek fényben, és testük sok esetben átlátszó, hogy minél több fény hatolhasson át rajtuk. A test alakja sem elhanyagolható. Sok fotoszintetizáló állat elágazó testű, mint a növények, mások laposak, mint a növények levelei. Emiatt testük felszíne a térfogatukhoz képest viszonylag nagy, így maximális a fény- és ezáltal az energiabefogása. A fényigény megmagyarázhatja, miért nem alakult ki a fotoszintézis az állatvilágban. Ha pl. a felnőtt szalamandra némi energiát nyerhetne a folyamatból, a napon való sütkérezés talán mérgező bőre ellenére is kockázatos lenne számára. Igaz ugyan, hogy a hüllők, madarak és emlősök sok időt töltenek a napon, ám elszarusodott bőrük, tollazatuk vagy szőrzetük megakadályozza, hogy a napfény eljusson élő sejtjeikhez.
Pedig kevés fény is elegendő lehet. Az egyik tengeri meztelencsigafaj annak ellenére élvezi a fotoszintézis előnyeit, hogy fél életét a homokba fúródva tölti, ráadásul fotoszintetizáló sejtjeit bőrlebenykék takarják. Egyes szivacsok kovaváza optikai szálként vezeti a fényt az állat belsejében lévő sejtekhez. A legkülönösebb napcsapdázó pedig a vastag héjú és kis testfelületű óriáskagyló, melynek fiatal egyedei akár 10 hónapig is képesek kizárólag napfényen élni. Márpedig, ha e kagylók képesek megélni a napfény energiájából, akkor erre a halak egy része is képes lehetne!
A fotoszintézishez azonban még szükség van a fényt tápanyaggá alakító szerkezetre is. Növényekben ezt a valamikor 2,5 milliárd évvel ezelőtt bekebelezett cianobaktériumokból kialakult zöld színtestek, kloroplasztiszok jelentik. És bár az állatok ősei sosem rendelkeztek ilyenekkel, van olyan, amelyik szerzett magának! Egyes tengeri meztelen csigák kivonják a kloroplasztiszokat a táplálékukként szolgáló algákból, és elraktározzák őket bélcsatornájukban. Az egész testet behálózó bélcsatorna óriási felszíne megfelelő méretű a fény befogásához.
Ennek azonban ára van! Ahogy a cianobaktériumok kloroplasztiszokká alakultak, génjeik zöme, különösen a működésért felelős fontosabb gének, a gazdaállat genomjába, örökítőanyagába kerültek át. Miután e meztelencsigák nem rendelkeznek ezekkel a génekkel, néhány naponta vagy hetente le kell cserélniük e kloroplasztiszokat. A smaragdzöld Elysia chlorotica kivételt képez. Miután elérte felnőtt formáját és elrabolta a kloroplasztiszokat az algáktól, élete hátralévő 10 hónapjában már nem kell újra táplálkoznia. Azt még nem tudják a kutatók, hogy e csigák megszerzik-e a kloroplasztiszok működéséhez szükséges géneket is.
A kloroplasztisz fenntartásához nagyjából 200 extragénre lenne szükség, állítja az amerikai Mary Rumpho, ráadásul egy állati genomba való bejuttatása ma még óriási kihívás lenne a géntechnológusok számára. A kutatónő szerint irreális lenne azt hinni, hogy e sejtszervecslék aktivitásának fenntartásához szükséges összes gén bejuttatható egy idegen genomba, ezek mind kifejezésre juttathatók, a termelt fehérjék a kloroplasztiszokhoz irányíthatók, és természetesen e gének aktivitása is probléma nélkül szabályozható. Egy teljes növényi sejt állati sejtbe való bejuttatása kevesebb genetikai bűvészkedést igényelne, mint csupán a kloroplasztisz beillesztése. Erre az egyik jelölt a sok tengeri állatot napenergiával ellátó Symbiodinium nevű alga lehetne, a másik pedig az Agapakis által is használt cianobaktérium.
Hiába tolerálnák azonban az állati sejtek akármelyiküket, ez még nem elég. Angela Douglas a Bermuda Institute of Ocean Science kutatója szerint, a korallpolipok például valahogy ráveszik a Symbiodiniumot arra, hogy az általa gyártott cukrokat tegyék a polipok számára is elérhetővé. A polipon kívül, ezt a cukrot az alga megtartja magának.
Egy egysejtű amőba faj endoszimbiontaként (sejtjein belül élő partnerként) a génjeik elvesztése révén kloroplasztiszokká alakuló cianobaktériumokat szerzett be. Azonban nincs olyan soksejtű állati szervezet, mely képes lenne továbbadni a benne élő endoszimbiontákat utódainak.
Miután a fotoszintézishez sokat kell a napon tartózkodni, káros hatásai, az ultraibolya sugarak és a hőhatás elleni védőmechanizmusra is szükség van. Talán épp a felmelegedés elkerülése az oka, hogy az összes ismert fotoszintetizáló állat vízben él. A fotoszintézis gépezetének nagy az „előállítási és fenntartási költsége”, mi több, nem árt, ha ezen a gépezeten túl az állat rendelkezik a normális táplálkozáshoz nélkülözhetetlen testrészekkel is. A fotoszintetizáló tengerirózsák pl. gyakran rendelkeznek a prédák megragadására alkalmas hosszú, csípős, és a napfény hasznosítására alkalmas rövid, algákkal teli csápokkal is. Zsákmányszerző csápjaikat csak éjjel használják.
Bár látszólag lényeges akadályok nem állnak az állatok fotoszintézisének útjába, a legtöbbjük számára nehéz lenne „beszerezni” a szükséges „gépezetet”. Mi több, alapvető életmódbeli és anatómiai változásokra is szükségük lenne, és miután az átmeneti állapotokban valószínűleg csökkennének életben maradási esélyeik, nehéz elképzelni, hogy valaha is kifejlődnének.
A génsebészet talán elérhetné, amire az evolúció nem volt képes, ám vajon az előnyök fedeznék-e a gerincesek, különösen az aktív életmód miatt energiazabáló állatok igényeit? Tegyük fel, a Symbiodinium a korallpolipokéhoz hasonló módon bejuttatható egy hal bőrsejtjeibe. Stuart Sundin kaliforniai kutató számításai szerint a korallpolip fotoszintetizáló felszínének miden négyzetmétere 3–80 gramm szenet köt meg naponta. Ez energiára átszámítva 126–3360 kJ. Egy tipikus 20 grammos hal felülete, az úszókét is beleértve, kb. 0,0044 négyzetméter, egy 500 grammos halé pedig 0,045 négyzetméter.
Az angol Ingrid Lupatsch szerint, egy halastóba telepítésre érett 20 grammos pontynak naponta kb. 3 kJ energiára van szüksége, hogy megőrizze testsúlyát, egy 500 grammos halnak pedig kb. 40 kJ-ra. A számítások elvégzése után elméletben azt kapjuk, hogy a fotoszintézis az életben maradáshoz szükséges energiamennyiség többszörösével láthatná el a halat! Hasonló gyors számítások alapján akár az energiazabáló emlősök esetében is arra a juthatunk, hogy ők is jelentős mennyiségű energiához juthatnának a napfényből! Emiatt elég kecsegtetőnek látszik ez a fotoszintézisüzlet, ám ne feledkezzünk meg a sok ellenérvről!
Először is, a génmanipulált halak valószínűleg hatékonyságban meg sem közelítenék az evolúció révén évmilliók alatt kifejlődött korallok fotoszintézisének hatékonyságát. A hatékony napfénykötéshez számos változáson is át kéne még essenek: pl. átlátszó bőrre és pikkelyekre lenne szükségük, melyek ugyanakkor védelmet biztosítanak az UV-sugarak ellen. A korallokhoz hasonlóan valószínűleg csak trópusokon élhetnének, ahol sok a napfény, tiszta a víz és állandó a hőmérséklet. Ráadásul a legtöbb fotoszintetizáló állat gyors szénhidrátkötést kap a szimbiontáitól. Fehérjéket, vitaminokat és ásványi anyagokat továbbra is étkezéssel szereznek.
A halak számára a sok szénhidrát egészségtelen, ráadásul a haltenyésztésben a szénhidrátok olcsón beszerezhetőek. Elméletileg modern nitrogénkötő cianobaktériumokkal is fel lehetne „szerelni” a halakat (ilyen nitrogénkötésre is van példa a szivacsok és korallok körében), így annyi fehérjét állíthatnának elő, amennyire csak szükségük van. Ezt azonban az évtizedes próbálkozások ellenére sem sikerült még megvalósítani pl. a növények esetében sem. Bizonyos halak, pl. a ponty és a tilápia táplálékuk egy részét a halastavakban tenyésző növények fogyasztásából is nyerhetik. Mi értelme lenne akkor algákat juttatni a testükbe?
Végül is létrehozhatók „napelemes” halak, azonban az ilyen állatok semmilyen egyértelmű előnyt nem jelentenének élelmiszer-ipari szempontból. Akkor viszont ki áldozna időt és pénzt megalkotásukra? Főként, hogy még az ilyen állatok biztonságosságáról is meg kellene győznie a jogszabályalkotókat és a fogyasztókat. Azonban, ha a genetika ilyen ütemben fejlődik tovább, akkor biztosak lehetünk benne, hogy lesz olyan, aki ott folytatja majd a kutatásokat, ahol Agapakis abbahagyta. Talán egy napon az akváriumi díszhalak etetéséhez már nem kell más, mint felkapcsolni a víz fölé helyezett lámpát. Forrás: Nol.hu