В мировом океане и почве исследователи обнаруживают уникальные переходные формы жизни, которые позволяют восполнить пробелы в истории эволюции от простейших микроорганизмов к сложным клеткам современности.
На представленных кадрах запечатлено движение микроорганизма Lokiarchaeum ossiferum под линзой микроскопа. Биологи классифицируют его как промежуточное звено, связывающее древнейшие одноклеточные формы, возникшие более четырех миллиардов лет назад, с высокоорганизованными клетками нашего времени.
Серия недавних научных работ проливает свет на монументальный этап в летописи жизни: трансформацию примитивных организмов в сложные структуры, произошедшую около двух миллиардов лет назад. Сегодня ученые находят редких представителей микромира, которые служат живым доказательством этого эволюционного скачка.
Пропасть между архитектурой сложных клеток (включая ткани человеческого организма) и элементарными микробами, такими как кишечная палочка, колоссальна. Эукариоты обладают разветвленной системой внутренних отсеков: ядром для защиты генома и митохондриями — специализированными органеллами, вырабатывающими энергию. Кроме того, они пронизаны сложной сетью белковых нитей — цитоскелетом, который обеспечивает динамичную смену формы и способность к активному передвижению.
У прокариот, типичным представителем которых является кишечная палочка, подобные структуры — скелет, ядро или митохондрии — полностью отсутствуют.
Эти фундаментальные различия определяют одну из самых глубоких границ в биологической классификации. Организмы со сложным строением клеток относятся к эукариотам — домену, объединяющему животных, растения, грибы и одноклеточные формы. Простые микробы классифицируются как прокариоты.
Первые прокариоты населили Землю более четырех миллиардов лет назад. Эукариоты сформировались значительно позже — в период между 2,5 и 2 миллиардами лет назад. Десятилетиями ученые пытались разгадать, каким образом сложные структуры могли развиться из столь простых предшественников.
В 1990-х годах критически важная зацепка была получена при детальном анализе митохондрий. Исследователи обнаружили внутри этих «энергетических станций» обособленный набор генов, который радикально отличался от ядерной ДНК. Генетический профиль митохондрий выявил их близкое родство с аэробными бактериями, использующими кислород для синтеза энергии.
Это открытие легло в основу теории, согласно которой предки эукариот поглотили кислородпотребляющие бактерии, превратив их в эндосимбионтов. Однако оставался нерешенным вопрос: кем именно был тот загадочный организм, который стал «хозяином» для будущих митохондрий?
Ответ начал вырисовываться в 2015 году. Анализ ДНК из глубоководных отложений Северного Ледовитого океана позволил реконструировать геномы неизвестных ранее микробов. Один из них оказался уникальным гибридом: прокариотом, обладающим множеством генов, которые прежде считались эксклюзивной чертой эукариот.
Среди выявленных фрагментов кода были гены, ответственные за формирование цитоскелета и внутриклеточных компартментов, где происходит утилизация отработанных белков.
Ученые инициировали масштабный поиск сородичей этого микроорганизма. Группу назвали «асгардархеями» (Asgard) в честь обители богов из скандинавского эпоса. Первое время находки ограничивались лишь глубоководными регионами.
Бретт Бейкер из Техасского университета значительно ускорил процесс идентификации. Вместе с коллегами он обследовал акватории от побережья Калифорнии до прибрежных зон Китая, применяя передовые методы биоинформатики для поиска следов ДНК в сложной среде.
Результаты превзошли ожидания: ученые сообщили об обнаружении 404 новых видов асгардархей. Параллельно выяснилось, что в существующих базах данных хранилось еще 30 геномов, которые ранее были проигнорированы. Всего одно исследование позволило практически удвоить известное биоразнообразие этой группы.
«Понимание разнообразия асгардархей расширяется взрывными темпами, и мы всё еще далеки от предела», — отмечает эволюционный биолог Джон Арчибальд, не принимавший участия в работе.
Выяснилось, что эти микробы обитают не только в безднах океана, но и в прибрежных водах, вечной мерзлоте тундры и лагунах. Они присутствуют повсеместно, хоть и в небольших концентрациях.
«Буквально у себя на заднем дворе, проанализировав состав почвы, вы наверняка обнаружите следы асгардархей», — утверждает доктор Бейкер.
Несмотря на прогресс в генетическом анализе, изучение живых культур остается вызовом. Криста Шлепер из Венского университета потратила восемь лет, чтобы подобрать условия для выращивания асгардархей, найденных в анаэробных илах Словении.
Кульминацией работы стали уникальные видеокадры. Используя ускоренную съемку, биологи впервые увидели, как эти микробы перемещаются по поверхности предметного стекла.
«В тот момент лабораторию захлестнул настоящий восторг», — делится воспоминаниями Филипп Радлер, коллега доктора Шлепер.
Способ передвижения асгардархей дает ключ к пониманию генезиса эукариот. Они перемещаются, активно реконструируя свой белковый скелет и выпуская длинные отростки-щупальца для фиксации на субстрате. Такое поведение свойственно эукариотам, но не типично для обычных прокариот. Это доказывает, что аппарат для сложного движения сформировался у предковых форм еще до окончательного становления эукариотической клетки.
Параллельно ученые восстанавливают хронологию обретения митохондрий.
Вероятные предки митохондрий были аэробами и нуждались в кислороде. Асгардархеи из бескислородных глубин вряд ли могли вступить с ними в контакт. Однако работа доктора Бейкера указывает на возможное место встречи.
Среди вновь открытых видов многие процветают в насыщенных кислородом прибрежных водах. Генетический анализ показал, что их метаболизм адаптирован к аэробным условиям.
«По сути, они дышат тем же кислородом и перерабатывают тот же органический углерод, что и мы с вами», — поясняет Бейкер.
Доктор Арчибальд подчеркивает, что долгое время теории эволюции эукариот строились на догадках. Теперь же ученые оперируют данными о реальных организмах, заполняющих «белые пятна» истории.
«Мы наконец-то вышли из теоретического тупика», — констатирует он.
Согласно гипотезе команды Бейкера, первые шаги к сложности были предприняты еще в бескислородную эпоху Земли, когда древние асгардархеи уже обладали зачатками цитоскелета для передвижения по дну.
Около 2,5 миллиарда лет назад облик планеты начал меняться: фотосинтезирующие бактерии стали насыщать атмосферу и прибрежные воды побочным продуктом своей жизнедеятельности — кислородом.
Для многих форм жизни кислород стал смертельным ядом, но предки асгардархей сумели адаптироваться к новым условиям, а затем передали эти механизмы защиты и метаболизма своим потомкам — эукариотам.
Доктор Бейкер полагает, что именно в этих богатых кислородом прибрежных мелководьях и произошел роковой симбиоз с бактериями-предками митохондрий. Подтверждением служат находки в осадках у берегов Китая, где асгардархеи и близкие родственники митохондрий обитают в непосредственной близости.
После слияния энергетическая эффективность клеток возросла многократно. Новый приток ресурсов позволил эукариотам увеличиться в размерах и освоить роль активных хищников, что навсегда изменило вектор развития биосферы.
Кэтрин Эпплер из Института Пастера отмечает, что для проверки этих теорий не обязательно путешествовать в прошлое на два миллиарда лет. Сегодняшние прибрежные экосистемы могут быть ареной аналогичных процессов, где современные асгардархеи продолжают вступать в сложные союзы с бактериями.
«Мысли о том, какие биологические трансформации происходят в донных осадках прямо сейчас, порой не дают мне уснуть», — признается исследовательница.
