клетки, археи, эукариоты,  организм

Филогения живых организмов

Изучение этого вопроса сопряжено с большими трудностями, как и вообще все, что касается архей. Как уже говорилось, археи не культивируются в лабораторных условиях. Для того чтобы узнать о них больше, используется так называемый метагеномный анализ. Из среды обитания, скажем из придонных отложений, извлекают обрывки ДНК, и после тщательного изучения и сопоставления данных моделируют то, как это выглядело, когда было целым. Так ученые узнают о существовании новых видов микроорганизмов и ищут среди них тех, что могли бы быть близки ми родственниками эукариот. В чем-то это сродни палеонтологии, когда, найдя одну косточку тут, другую там, со временем проводят реконструкцию облика ранее неизвестного науке животного. Только восстанавливают из фрагментов не скелет, а геном.

 

На сегодняшний день установлено, что так называемый ядерно-цитоплазматический компонент эукариотической клетки находится в близком родстве с археями, ее же митохондрии и пластиды являются потомками захваченных «хозяйской» клеткой бактерий (альфапротеобактерий и цианобактерий соответственно). Что до характера родства эукариот и архей, тот тут возможны вопросы. Эукариоты либо являются потомками архей, либо происходят от общего с ними предка. Во втором случае система классификации остается по-прежнему трехдоменной. Если же верно первое, то ее надо снова менять на двухдоменную, только на этот раз живые организмы делятся на два больших домена: бактерии и археи, а последние включают в себя эукариот.

 

 

Чтобы прояснить ситуацию, нужно было найти «недостающее звено», архею, максимально близкую генетически к эукариотам. В идеале — более близкую, чем к другим археям. И такое открытие было сделано.

 

В 2015 г. исследователи из Уппсальского университета (Швеция) и Бергенского университета (Норвегия) изучили ДНК из пробы грунта, поднятой с глубины 3 283 м в Северном Ледовитом океане, недалеко от гидротермальной зоны Loki’s Castle («Замок Локи»), расположенной на склоне срединно-океанического хребта. Им удалось собрать из кусочков почти полный геном ранее не известного науке организма, относящегося к глубоководной группе архей. После публикации исследования группа получила название локиархеи (Lokiarchaeota). Кроме восстановленного почти полностью генома, удалось частично восстановить геномы еще двух организмов этой группы, получивших названия Loki2 и Loki3.

 

Когда, исходя из новых генетических данных, стали строить эволюционное древо, выяснилось, что эукариоты не просто принадлежат к древу архей, а находятся не у его корня, а довольно высоко в ветвящейся кроне. Дальнейший метагеномный анализ глубоководных остатков показал, что локиархени входят в большой надтип, включающий минимум четыре веточки. Всю эту большую ветвь назвали асгарархеями.

 

Они действительно генетически ближе к эукариотам, чем к другим ветвям архей. В их геноме даже были закодированы белки, которые до сих пор считались уникальными для эукариот. Особенный интерес представляют гены, связанные с подвижностью клетки и ее мембраны, с возможностью формирования разнообразных мембранных структур и активного захвата объектов из внешней среды. Их изучение может пролить свет на увлекательную историю приобретения эукариотами пластид и митохондрий.

 

Но геном — это только геном. Безусловно, он дает ученым некоторую информацию о том, как выглядит весь организм, но на нынешнем уровне развития генетики далеко не полную. Несколько лет заветной мечтой микробиологов оставалось получить в свое распоряжение живые асгардархеи. И вот, наконец, эта мечта сбылась.

 

В августе 2019 г. была опубликована научная работа об исследовании донного грунта, который японский батискаф «Синкай-6500» извлек с глубины 2,5 км. Пробы поместили в биореактор, а спустя какое-то время взяли из него вторичные пробы, предположительно обогащенные живыми клетками, и перенесли их на питательные среды. В ходе изучения того, что получилось, обнаружили микроорганизм, получивший название Prometheoarchaeum syntrophicum. Тщательнейший молекулярно-генетический анализ показал, что он относится к группе локиархей.

батискаф, глубина, исследование, грунт, микроорганизм
«Синкай-6500»

Прометеоархеум имеет простую сферическую форму. Диаметр описанных клеток — от 300 до 750 нанометров, а в среднем 550 нанометров, что приблизительно соответствует нижней границе характерного для прокариот размера. Обычно клетки прометеоархеума образуют цепочки, окруженные полисахаридными чехлами. Электронная микроскопия показала, что в клетках прометеоархеума нет никаких внутренних включений, напоминающих эукариотные органеллы. «Начинка» клетки у них совершенно прокариотная. Зато в клетке есть хорошо отрегулированная система перестройки мембран, и это очень важный момент.

колонии, клетки, исследование, микроскоп, микроорганизм
Прометеоархеум под электронным микроскопом. Единичная клетка крупным планом (a), колония клеток, покрытых полисахаридным чехлом (b), делящаяся клетка с поясом мембранных пузырьков по «экватору» и шлейфом таких же пузырьков на «полюсе» (с), срез через клетку, на котором видно, что она внутри абсолютно однородна (d), клетки с крупными мембранными пузырьками вокруг них (e), срез через клетки, от которых эти пузырьки отпочковываются (f), клетки с ветвящимися (g) и прямыми (h) длинными выростами, срез через клетку с такими выростами (i). На всех срезах видно, что никакой внутренней структуры, напоминающей эукариотную, у прометеоархеума нет.

Давно существовала теория, что предшественники эукариот «научились» создавать сначала выросты клетки и только — потом впячивания. Это разные процессы, обслуживаемые разными белками, причем те сопутствующие белки цитоскелета, которые нужны для впячиваний, появились позже, чем те, которые нужны для выростов.

 

 

Теория подтвердилась. Оказалось, что клетки прометеоархеума регулярно образуют длинные выросты, иногда прямые, но часто сложным образом ветвящиеся, а на впячивания они не способны. Между тем без этого невозможен фагоцитоз, и, скорее всего, потомки локиархей приобрели органеллы другим способом. Это и раньше подозревали. Фагоцитоз энергоемок и на промежуточном этапе, до возникновения полноценных энергетических батарей митахондрий, мог привести не к выигрышу, а к проигрышу.

 

Для того чтобы понять, как все-таки произошел переход к эукариотической клетке, следует присмотреться к метаболизму новооткрытой археи и к характерным для нее условиям жизни. Прометеоархеум — анаэроб, ему не требуется кислород. Питательными веществами ему служат аминокислоты — аланин, серин, цистеин, аспартат, триптофан, тирозин, гистидин, треонин, лизин.

 

Молекулы аминокислот в клетке прометеоархеума подвергаются бескислородному окислению, среди конечных продуктов которого после длинной цепочки реакций оказываются водород (H2) и муравьиная кислота, она же формиат. Есть также метаболические цепочки, выдающие на выходе уклекислоту. А живут прометеоархеумы в тесном соседстве с двумя другими группами микробов: метаногенными археями и сульфатредуцирующими бактериями. Метаногены и сульфатредукторы получают от прометеоархеума конечные продукты обмена веществ: формиат, углекислоту и водород. Прометеоархеуму отработанный водород больше не нужен, зато он необходим метаногенам и сульфатредукторам. Взамен и метаногены, и сульфатредукторы поставляют прометеоархеуму аминокислоты, а также витамины и другие полезные вещества, которые сам он синтезировать не умеет. Такая химическая взаимозависимость микробов называется синтрофией. Она не требует дополнительных затрат. До поры до времени одноклеточные просто живут рядом и пользуются услугами друг друга. Притом синтрофия никак не зависит от родства: известны случаи синтрофных отношений между бактериями и археями, т. е. того, что в принципе и нужно для происхождения эукариот.

бактерии, эукариоты, вещество, микробы
Происхождение эукариот

Если клетка археи образует для увеличения поверхности мощные выросты, симбиотическая бактерия может оказаться между ними и продолжать прежний образ жизни. Затем выросты ветвятся, сливаются и бактерия оказывается заперта в полости, где ее неплохо кормят. Со временем система замкнутых полостей стала эндоплазматической сетью эукариотической клетки. А митохондрии пробуравили мембрану, ограничивающую эти полости, и выбрались прямо в цитоплазму. Так возникла удивительная химера, объединяющая в себе признаки совершенно разных организмов: археи и бактерии. И она стала стартовой площадкой для следующего глобального рывка эволюции.

 

Статья была опубликована в журнале журнале "Наука и техника"

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!