Вся современная многоклеточная жизнь — вся жизнь, которую мы регулярно видим, — состоит из клеток, способных к компартментализации. Недавние открытия проливают свет на то, как появились первые эукариоты. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Эукариоты изобрели организацию, если использовать буквальное определение слова «организовать»: быть снабженными органами.
Введение
Три миллиарда лет назад жизнь на Земле была простой. Правили одноклеточные организмы, и в них было мало что особенного. Это были те клетки, которые мы сейчас называем прокариотическими, включая современные бактерии и археи, по сути, мешки с разрозненными молекулярными частицами. Они кружились в мелких, первичных варварских образованиях или вблизи глубоководных океанических жерл, где извлекали энергию из окружающей среды и размножались, разделяя одну клетку на две дочерние. И вот однажды эта кучка простых клеток создала нечто более сложное: предка всех ныне живущих растений, животных и грибов – тип клеток, известный нам как эукариоты.
Появление эукариот преобразило планету. Сегодня вся сложная многоклеточная жизнь — фактически, вся жизнь, которую мы регулярно видим, — состоит из эукариотических клеток. Никто точно не знает, как возник первый эукариот, но биологи считают, что для его окончательного появления потребовалось не менее миллиарда лет взаимодействия между бактериальными и архейными клетками.
«Эукариоты — это своего рода банановая химера бактерий и архей», — сказала Ли Энн Ридман, палеонтолог, изучающая раннюю жизнь в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. «Мы всё ещё пытаемся понять, как именно это произошло и кто был в этом замешан».
Эукариоты изобрели организацию, если использовать буквальное определение слова «организовать»: быть снабженными органами. Внутри эукариотической клетки находятся автономные, связанные с мембраной пучки, которые выполняют особые функции, называемые органеллами. Все эукариотические клетки — животные, растения, грибы или протисты — имеют ядро, которое заключает в себе и защищает ДНК. Почти у всех из них есть митохондрии, которые вырабатывают энергию для биохимических реакций. (Любые эукариотические линии, в которых отсутствуют митохондрии, раньше имели их, а затем потеряли в какой-то момент эволюционной истории.) И на протяжении эволюционного древа разные эукариоты развили или приобрели дополнительные органеллы, которые собирают белки, хранят воду, превращают солнечный свет в энергию, переваривают биомолекулы, избавляются от отходов и многое другое. Если прокариоты — это неплотно сваленная стопка бумаг на полу, то эукариоты — это сложная система хранения документов, которая связывает страницы в пачки и маркирует их.
«У них есть эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, пероксисомы, лизосомы, вакуоли — все эти механизмы отсутствуют у бактерий или клеток архей», — говорит Тейс Эттема, микробиолог-эволюционист из Университета Вагенингена в Нидерландах.
Как всё это произошло, до конца не ясно, но сегодня большинство экспертов сходятся во мнении, что 2 или 3 миллиарда лет назад архейская клетка поглотила бактериальную клетку, которая каким-то образом избежала переваривания и адаптировалась к жизни внутри хозяина. Эта бактерия эволюционировала, превратившись в органеллу, которую мы сейчас знаем как митохондрию.
С тех пор эукариоты претерпевали множество изменений. Сначала они эволюционировали в небольшую группу уникальных одноклеточных существ, таких как предки современных дипломонад, плавающих с помощью двух хвостовых пучков, и паразитических микроспоридий, которые выбрасывают спиральные трубки для заражения клеток жертвы.
Это одни из древнейших известных окаменелостей эукариотических клеток, возраст которых оценивается от 1,4 до 1,65 миллиарда лет. Слева: Разнообразные окаменелости из группы Лимбунья в Северной Территории, Австралия. Вверху справа: Tappania plana из Монтаны. Тонкая мембрана и ножкообразные выросты указывают на сложность эукариот. Внизу справа: Valeria lophostriata из Северной Территории, Австралия.
В какой-то момент, в результате митохондриального захвата, эукариот поглотил цианобактерию, способную к фотосинтезу — процессу использования солнечного света для извлечения углерода из воздуха и превращения его в энергию. Эта ветвь эукариот, недавно оснащённая зелёными органеллами, называемыми хлоропластами, эволюционировала в растения и другие фотосинтезирующие организмы.
Затем, в течение последнего миллиарда лет, некоторые отдельные эукариоты начали работать сообща. Коллективы стали колониями, которые затем ещё больше упорядочились, когда целые клетки начали специализироваться, выполняя уникальные функции в составе сложного многоклеточного организма. Многоклеточность открыла ещё более высокий уровень сложности, что привело к появлению грибов, деревьев, бегемотов и людей.
С тех пор эукариоты распространились по всему миру, вырвавшись из первичных водоёмов и заселив ледники, пустыни и всё, что между ними. Эукариоты добились огромного успеха, потому что мы крупные, подвижные и прожорливые. «Ниша макроскопической жизни была доступна для занятия», — сказала Эттема. Эукариоты появились, чтобы найти вакантную нишу, и эволюционировали, чтобы заполнить и расширить её.
Первый Хозяин
На протяжении многих десятилетий биологи считали эукариот одним из трёх основных доменов жизни на Земле. Жизнь состоит из трёх различных типов клеток: бактерий и архей, которые являются прокариотическими клетками с некоторыми ключевыми различиями, например, в клеточных мембранах и репродуктивных стратегиях, а также эукариот, которые представляют собой совершенно иной тип клеток. Эксперты считали, что бактерии, археи и эукариоты эволюционировали независимо друг от друга от более древнего предка.
Однако недавние исследования изменили эту точку зрения. В последние несколько десятилетий преобладала двухдоменная модель генеалогического древа, согласно которой эукариоты возникли внутри архей, а не вместе с ними. Эта теория подкрепляется недавними попытками установить личность нашего последнего прокариотического предка — древней клетки, которая впервые заключила в себе бактерию, что привело к появлению эукариотических клеток. Открытие архей Асгарда, наших ближайших ныне живущих прокариотических родственников, за последнее десятилетие дало ценные подсказки.
В 2015 году Эттема отправился на поиски таинственной первой клетки-хозяина в поле сульфидных труб на дне Атлантического океана. Подводные источники – хорошие кандидаты на роль рассадника этой изначальной клетки, поскольку они выбрасывают горячую воду, богатую химической энергией, которую некоторые прокариоты могут использовать для производства энергии. Его команда собрала микробную массу на участке, известном как Замок Локи. Вернувшись в лабораторию, они использовали метод метагеномики, чтобы распутать клубок микробной ДНК и реконструировать геномы отдельных клеток.
Эттема и его команда были удивлены, обнаружив гены, подозрительно похожие на эукариотические, среди ожидаемых следов архей и бактерий. При дальнейшем исследовании они обнаружили то, что вполне может оказаться недостающим звеном в нашем понимании эволюции эукариот: прокариота с характерной для эукариот сложностью генома. Они назвали этот микроб Lokiarchaea в честь его родного источника.
Эттема подозревал, что клетка этого семейства, позже названного «асгардами», может быть убедительным кандидатом на роль первого голодного хозяина, поглотившего бактерию, ставшую митохондрией. Если это так, предположил он, то древний асгардский архей мог эволюционировать в эукариотическую ветвь, в то время как остальные представители его семейства развивались в прокариотическую ветвь.
«Все археи Асгарда, которые мы видим сегодня, — это… неудавшиеся эукариоты», — сказал он.
Эти глубоководные сульфидные «трубы», называемые «Замком Локи», являются домом для микроба Lokiarchaea — археи Асгарда с характерными чертами эукариот в геноме. Считается, что асгарды — ближайшие прокариотические родственники эукариот.
С тех пор исследователи находили ДНК Асгарда по всему миру, в том числе в Северной Каролине и Йеллоустонском национальном парке. Но только двум лабораториям удалось успешно культивировать клетки Асгарда. Эти клетки демонстрируют некоторые черты, характерные для эукариот, например, цитоскелет, построенный на основе белка актина. Остальные клетки всё ещё изучаются, и их клеточная структура неизвестна.
Сегодня большинство исследователей сходятся во мнении, что асгарды — ближайшие известные прокариотические родственники эукариот. Современные асгарды не являются нашими предками, но, вероятно, где-то в глубине веков у нас был общий предок. «Можно утверждать, что эукариоты — это асгарды так же, как птицы — динозавры», — сказал Итай Будин, биохимик из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Они своего рода наши кузены».
Как стать организованным
Процесс, посредством которого архейская клетка превратила свободноживущую бактерию в свой собственный клеточный механизм, называемый эндосимбиозом, остаётся во многом неизученным эволюционной историей. Большинство биологов считают, что один прокариот «поглотил» другой в процессе, называемом фагоцитозом. Однако фагоцитоз требует огромных энергетических затрат. Более того, он настолько энергозатратен, что некоторые считают его невозможным без наличия у первой клетки-хозяина митохондрий, генерирующих энергию, что кладёт начало непростому микробному спору о курице и яйце.
Современные Асгарды дают нам подсказку, которая может помочь нам разобраться в этой загадке: их цитоскелет предполагает, что они могли использовать крошечные, похожие на щупальца, выросты, называемые пузырьками, для захвата прокариотической пищи, без необходимости в митохондриях. Возможно, так же поступали и первые эукариотические предки.
Это не единственная неясная часть процесса. Исследователи также спорят о том, была ли митохондриальная бактерия, вероятно, из разнообразного и древнего класса альфапротеобактерий, первым эндосимбионтом. Хотя эукариотический геном представляет собой Франкенштейновскую мешанину генов, происходящих от архей и бактерий, «многие из этих генов не восходят к альфапротеобактериям или каким-либо другим бактериям, находящимся на соседнем древе», — говорит биолог-эволюционист Тони Габальдон, чья лаборатория сотрудничает с Институтом исследований биомедицины в Барселоне и Барселонским суперкомпьютерным центром. «Возможно, были и другие симбионты, другие органеллы, оставившие какие-то гены. Мы очень мало знаем о том, как это произошло».
Распутать нити, ведущие к происхождению эукариот, может оказаться невозможным после миллиардов лет генетических рассуждений. В ближайшие десятилетия сочетание метагеномики с другими методами, такими как анализ окаменелостей микробов и индуцированный эндосимбиоз, может дать новые ключи к разгадке нашего происхождения.
«Самое интересное в эукариотах — это то, что мы до сих пор не понимаем, как они появились», — сказал Гэблдон. «Они поразительно разнообразны, распространены повсюду и приспособились к самым разным образам жизни. Нам ещё многое предстоит узнать».
Исправление : 28 октября 2024 г.
Предложение, описывающее рацион архейского хозяина, было удалено.
Источник: www.quantamagazine.org
