Kui Fu-Shuang Li, Massachusettsi osariigis Cambridge'i Whiteheadi instituudi biokeemik ja teadlane, vajas oma uurimistööks õietolmu, ta teadis täpselt, kuhu minna. Igal kevadel vabastavad Concordis Waldeni tiigis rõngastavad männipuud kuldse õietolmu pilved, mis katavad vett ja kogunevad galaktiliste keeristesse vastu kallast. Henry David Thoreau, kes elas 1840. aastatel kaks aastat tiigi ääres, lõpetab oma kuulsa jutustuse sellest kogemusest, kirjeldades nii palju õietolmu: "oleks võinud koguda tünnitäie."
Mustas kapuutsis ja dressipükstes tiigi ääres kükitanud Li sukeldus katseklaasi ja tõmbas sealt välja paarsada milliliitrit vett, mis oli täis õietolmu ja mida iganes muud seal kasvamas. See polnud kaugeltki tünnitäis kraami, kuid see oli enam kui piisav Li jõupingutusteks õietolmu väliskesta molekulaarstruktuuri uurimiseks. Sporopolleniiniks kutsutud materjal, mis moodustab kesta, on nii sitke, et seda on mõnikord nimetatud ka taimemaailma teemandiks.
Rohkem kui sajandi jooksul on teadlased püüdnud mõista sporopolleniini võrratu tugevuse keemilist alust. Sporopolleniin kaitseb õietolmu ja eoste DNA-d valguse, kuumuse, külma ja kuivamise eest. Ilma selleta ei saaks taimed maismaal elada. Kuid sporopolleniini sitkus muutis selle uurimise keeruliseks isegi aastakümneid pärast seda, kui tselluloosi, ligniini ja teiste taimsete põhiliste polümeeride molekulaarstruktuurid olid hämmingus. "Loodus arendas sporopolleniini, et seista vastu igale rünnakule," ütles Li. "Sealhulgas teadlaste poolt."
Hiljuti võidi aga sporopollenini kaitsevõime ületada. 2018. aastal Li ja teised Whiteheadi teadlased eesotsas taimebioloogiga Jing-Ke Weng, avaldas sporopolleniini esimese täieliku struktuuri. Meeskonna hilisem töö, millest osa pole veel avaldatud, on lisanud üksikasju selle kohta, kuidas erinevad taimerühmad seda struktuuri oma vajaduste paremaks rahuldamiseks viimistlesid. Nende kavandatud struktuur ja selle pakutav täiustatud vaade sporopolleniinile ei ole vastuoluline, kuid see on selgitanud molekuli olulist rolli taimede maa vallutamisel.
Inertne mõistatus
Kõik seemnetaimed toodavad õietolmu; teised maismaataimed, näiteks sammal, toodavad eoseid. Kandes poolt taimedel paljunemiseks vajalikust geneetilisest informatsioonist, liiguvad õietolm ja eosed tuule või abistava looma abil läbi keskkonna, et jõuda mõne oma liigi taimeni ja selle munarakku viljastada. Kuid sellel teel peavad õietolm ja eosed võitlema ohtudega, mis ulatuvad dehüdratsioonist päikese ultraviolettkiirteni ja näljaste putukateni. Alates sellest, kui taimi osteti esimest korda maismaalt umbes 470 miljonit aastat tagasi, on õietolmu ja eoste geneetilise teabe ohutu hoidmine nende teekonnal viljastamiseni olnud eluliselt tähtis.
Peamine strateegia, mida taimed selle DNA kaitsmiseks kasutavad, on selle ümbritsemine spetsiaalse sporopolleniini kestaga, mis on elementidele mitteläbilaskev ja üks kõige karmimaid materjale, mida mis tahes elusolend toodab. See on leitud poole miljardi aasta vanustest kivimitest tervena. A 2016 paber leidis, et sporopolleniini tugevuse tõttu säilitasid eosed oma stabiilsuse teemant-alasi rõhul 10 gigapaskalit ehk 725 tonni ruuttolli kohta.
Teadlased on sporopolleniini tundnud ja selle üle imestanud vähemalt 1814. aastast. Nad täheldasid, et isegi pärast seda, kui ülejäänud õietolmu tera või eos oli keemiliselt lahustatud, jäi alati mõni kummaline aine alles. Suurema osa järgmisest sajandist töötasid seda eoste ja õietolmu uurijad eraldi, viidates sellele ainult sporoniinile või õietolmule. Mõlema kogukonna rahustamiseks nimetati see 1931. aastal sporopolleniiniks.
Aastakümneteks pärast seda lõppesid teadmised molekuli kohta suures osas nimega. Teadlased tõdesid, et sporopolleniin võib olla võtmetähtsusega mõistmaks, kuidas taimed vallutasid peaaegu kõik elupaigad Maal, ja nad unistasid materjali kasutamisest kõige jaoks, alates laevakerede katmisest kuni habraste valkude kaitsmiseni suukaudsetes vaktsiinides. Kuid sporopolleniini struktuuri ja keemilise koostise väljaselgitamine oli iga edasise töö eeltingimus ning sporopolleniin nurjas kõik jõupingutused.
Keemikud määravad tavaliselt keeruka molekuli struktuuri, jagades selle koostisosadeks, leides nende struktuuri ja ühendades need seejärel kokku. Kuid sporopolleniin oli tavaliste keemiliste mõjurite jaoks liiga inertne seda seedida. Alates 1960. aastatest saavutasid uued biokeemilised meetodid ja massispektromeetria mõningaid edusamme struktuuri ja keemilise koostise osas ning bioloogid järeldasid hiljem isegi mõningaid üksikasju teadmistest sporopolleniini sünteesivate geenide ja ensümaatiliste protsesside kohta.
Ükski neist meetoditest ei suuda aga molekulist täielikku pilti anda. Sporopolleniinil näis olevat kaks paralleelset karkassi, mis on valmistatud molekulidest, mida nimetatakse polüketiidideks, erinevalt DNA kaksikheeliksi suhkrust. Need selgrood näisid olevat ühendatud erinevat tüüpi sidemetega. Kuid see visand oli puudulik ja mõned biokeemiliste ja geneetiliste meetodite leiud olid üksteisega vastuolus.
"Ainus asi, millega kõik nõustusid, oli süsiniku, vesiniku ja hapniku koostise empiiriline valem," ütles Joseph Banoub, keemia ja biokeemia professor Newfoundlandi Memorialiülikoolis Kanadas.
Pitch Pine Perfect
Li alustas sporopolleniiniga tegelemist varsti pärast seda, kui ta liitus Wengi laboriga Whiteheadi instituudis 2014. aastal järeldoktorina. Cambridge'i naabruses Kendall Square'is, kus biomeditsiinilised uuringud on peamine kinnisidee, on labor üks väheseid kohti, kus inimesed taimi uurivad, uurimistöö keskendub iseloomustamata botaaniliste molekulide galaktikale.
Sporopolleniin oli Li jaoks vastupandamatu väljakutse. Selle funktsioon oli hästi teada ja selle valmistamise geenid leidusid igas seemneid ja eoseid tootvas taimes, mis viitas sellele, et sporopolleniin oli põhiline kohanemine, mis võimaldas taimedel elada maismaal juba ookeanist põgenemise alguses. (Mõned vetikaliigid toodavad ka sporopolleniinitaolist ainet, mis viitab sellele, et maismaataimed kohandasid oma evolutsiooni käigus selle molekuli biosünteesi.) Kuid selle võime taga olev keemia jäi häguseks.
Oleks olnud poeetiline, kui Li varases töös sporopolleniini kohta oleks kasutatud Waldeni tiigi vetest kogutud õietolmu. Kuid mugavus trumpas romantika üle: õietolm, mida tema meeskond algselt uuris, telliti Amazonist. (Terviselisandina müüakse laialdaselt pigimänni õietolmu, mis toodab palju kraami.) Ülejäänu pärines Cape Codist.
Li ja tema kaastöötajad katsetasid mitu kuud katse-eksituse meetodil ühendeid, mis võivad lagundada teisi tugevaid biopolümeere. Lõpuks töötasid nad välja uue mitmeastmelise protsessi, mis võis võtta õietolmu proove, suruda need kuulfreesmasinasse ja purustada keemiliselt sisalduvad sporopolleniini molekulid. Pool igast molekulist lagunes kuueks erinevaks tükiks, mida saab seejärel massispektromeetria abil iseloomustada.
Teine pool molekulist, mida nad nimetasid R-rühmaks ("tõrksa" jaoks), lagunes alles siis, kui seda segati teise lahustava ainega. Nad said sel viisil R-st osalise ülevaate, kuid protsess halvendas molekuli teisi omadusi, nii et Li rühm kasutas selle iseloomustamiseks eksootilisemat tehnoloogiat, tahkis-tuumamagnetresonantsspektroskoopiat.
Lilled muutsid
Selle töö vili, paber avaldatakse Loodustaimed 2018. aasta detsembris pakkus välja sporopolleniini seni kõige täiuslikuma molekulaarstruktuuri.
Vestluses kasutas Li oma käsi, et kirjeldada struktuuri keerulist kuju. Pöidla ja nimetissõrmega näitas ta, kuidas aromaatsed molekulid vahelduvate L-kujulistena selgroo küljest rippuvad. Ta demonstreeris, kuidas selgroog on seotud ristsidemetega, suunates ühe lamestatud käe teise nurga all, justkui osaledes mingis kummalises palvevormis. Need põhiüksused ühenduvad kokku, moodustades tervikliku eksiini kesta, mis võtab erinevates taimedes radikaalselt erineva kuju, kuigi molekulaarsed põhiüksused on põhimõtteliselt sarnased.
Struktuur kinnitas ideed, et sporopolleniini vastupidavus tuleneb selgroode vahelistest mitmekesistest põimitud sidemetest. Need ester- ja eetrisidemed on vastupidavad vastavalt aluselistele ja happelistele tingimustele; koos peavad nad vastu mõlemale. Struktuur, mille Li rühm pakkus, sisaldas ka mitmeid aromaatseid molekule, mis teadaolevalt on vastupidavad ultraviolettvalgusele, mis tingis sporopolleniini võime kaitsta DNA-d elementide eest.
"Ilma nende metaboolsete uuendusteta poleks taimed saanud veest maale rännata," kirjutas Weng e-kirjas. Quanta.
Hiljuti kasutasid Li ja tema kolleegid oma meetodit rohkem kui 100 mitmekesise maismaa taimeliigi sporopolleniini iseloomustamiseks, mis on kogutud USA kirdeosa botaanikaaedadest. Li sõnul, kes valmistub uuringu tulemusi avaldamiseks esitama, varieerub sporopolleniini struktuur taimetüüpide lõikes kummalise mustriga.
Nad leidsid, et põldseemnetaimedel, maismaataimede rühmal, kuhu kuuluvad tsükaadid ja okaspuud, nagu mänd, ning nn madalamatel maataimedel, nagu samblad ja sõnajalad, kipuvad olema pikad ja sarnased sporopolleniinid. See on mõistlik, sest need taimed levitavad oma õietolmu taht-tahtmata tuulega; nad vajavad selle kaitsmiseks pika ahelaga sporopolleniini.
Kuid katteseemnetaimede ehk õistaimede puhul on olukord keerulisem. Nende õied varjavad õietolmu päikese ja kuivamise eest ning putukad liigutavad õietolmu tõhusalt õielt õiele, minimeerides kokkupuudet muude riskidega. Järelikult ei vaja katteseemnetaimed, et nende sporopolleniin oleks nii ühtlaselt vastupidav.
Ja pika ahelaga sporopolleniini valmistamine on energiamahukas protsess, ütles Li, nii et "kui lilled arenesid, ei tahtnud nad enam männilaadset sporopolleniini toota." Li ja Wengi sõnul näivad, et kahe peamise katteseemnetaimede, üheiduleheliste ja kaheiduleheliste kategooriate toodetud sporopolleniinide vahel on välja kujunenud märkimisväärsed erinevused, mis erinevad oma embrüote, veresoonte, varte, juurte ja lillede struktuuris.
Muidugi pole erinevused absoluutsed. Mõned õistaimed toodavad männilaadse struktuuriga sporopolleniini, ütles Li. "Võib-olla, kui meil oleks veel 6 miljonit aastat, võivad nad kaotada oma funktsioonid," või võib-olla on mängus muud ökoloogilised kontrollid ja tasakaalud, mis säilitavad teatud taimerühmade sporopolleniini struktuuri.
"Evolutsioon ei ole joon," ütles Li. "Nagu vaalad. Ühel hetkel elasid nad maal; nüüd elavad nad ookeanis. Ometi on vaaladel siiski mõned maismaaloomade omadused. Võib-olla säilitavad mõned õietolmud oma ajaloo vananenud jälgi.
Salapärane polümeer
Teised taimeuurijad nõustuvad, et Li ja Wengi struktuurne töö sporopolleniiniga on parandanud meie teadmisi selle molekuli kohta. Kuid mitte kõik ei ole veendunud, et nende ettepanek on õige või et see lõpetab sajandi kestnud sporopolleniini struktuuri otsingud.
"See oli palju selgem kui varem," ütles Zhong-Nan Yang, bioloog, kes uurib sporopolleniini Shanghai Normaalülikoolis. "Aga seda tuleb kontrollida." Ta ütles, et Li ja tema kolleegid peavad ikkagi tuvastama geenid, mis vastutavad männi sporopolleniini teatud omaduste loomiseks vajalike ensüümide eest.
A 2020 uuring mille eesmärk oli sporopolleniini molekulaarstruktuuri "demüstifitseerimine ja lahtiharutamine", esitas otsesema väljakutse. Kasutades metoodikat ja töötades pigem sambla kui männi sporopolleniini kallal, jõudis Banoubi Memorial University rühm struktuurini, mis erines mitmel olulisel viisil Li ja Wengi pakutust. Kõige tähtsam on see, et Banoub ütles: "Oleme tõestanud, et sporopolleniinis pole aromaatseid ühendeid." Tema arvates võib erinevust seletada erinevustega männi ja sambla sporopolleniini vahel.
"Minu isiklik seisukoht on, et need pole õiged," ütles Li, kuid ta eelistab mitte kommenteerida enne, kui mõned tema labori asjakohased tulemused on avaldamiseks valmis.
"See on ikka üsna salapärane polümeer," kommenteeris Kanada riikliku teadusnõukogu taimebioloog Teagen Quilichini. uuris sporopolleniini, meilis. "Vaatamata sellele, mida mõned aruanded näitavad.
Karm, kuid siiski söödav?
Vaatamata vaidlustele nende sporopolleniini struktuuri üle, on Li ja teised Wengi laboris liikunud teise evolutsioonilise küsimuse juurde: kas loodus on aru saanud, kuidas see kokku pandud peaaegu hävimatu materjal lahti võtta?
Waldeni tiigi ümber matkates, otsides muid õietolmuga kaetud sisselaskeavasid, võrdles Li sporopolleniini ligniiniga, puitu ja koort tugevdava taimepolümeeriga. Pärast puittaimede esimest evolutsiooni umbes 360 miljonit aastat tagasi näitavad geoloogilised andmed kivistunud ligniini rohkust kihtides kümnete miljonite aastate jooksul. Siis äkki umbes 300 miljonit aastat tagasi kaob ligniin. Selle kadumine tähistab hetke, mil seene, mida nimetatakse valgemädanikuks, arendas välja ensüüme, mis on võimelised ligniini lagundama, ja sõi suure osa sellest enne kivistumist.
Sporopolleniinil, arvas Li, peab olema ka seen või mõni muu mikroob, mis suudab seda lagundada. Muidu oleksime asjadesse uppunud. Li ümbrikutagused arvutused näitavad, et igal aastal toodetakse metsades 100 miljonit tonni sporopolleniini. See ei võta isegi arvesse kõrreliste toodetud sporopolleniini. Kui midagi ei söö, siis kuhu see kõik kaob?
Seetõttu otsustas Li oma viimase õietolmuproovi allikana loobuda Amazon Prime'ist, et veeta päev Waldeni tiigis. Tema töörühma tähelepanekud näitavad, et mõned Petri tassides kasvatatud mikroorganismid võivad ellu jääda, kui neid toidetakse ainult sporopolleniini ja lämmastikuga. Waldeni proovid, mis on looduslikult täis järve mikroobide kooslusi, peaksid aitama Lil kindlaks teha, kas seente ja muude mikroobide populatsioonid looduses võivad vabastada toitained sporopolleniini näiliselt purunematutes molekulides.
Kui me tiigi ääres merevetikaid ja granoolabatoone näksisime, oli kogu olukorda seente vaatenurgast lihtne näha. Loodus vihkab toidu raiskamist – isegi seda, mida on nii raske närida.
