Симбиоз — двигатель прогресса: как появились эукариоты, предки всех многоклеточных
Новое исследование проливает свет на одно из главных событий в биологической эволюции, — появление эукариотов, — огромных, в сравнении с бактериями, и разделенных на отсеки клеток, в которых слаженно работают тысячи митохондрий и других органелл. А главное — у эукариотов есть ядро с предлинной молекулой ДНК в нем, упакованной в хромосомы. У нас все сложно, потому что мы — эукариоты.
С выходом на сцену эукариотов эволюция пошла гораздо веселей, — эти сложные клетки научились соединяться в многоклеточные организмы, появились грибы, животные и растения, жизнь приобрела знакомые нам формы. А до этого миллиарды лет Земля была планетой прокариотов, — то есть, бактерий, а также похожих на них внешне архей, — тоже крошечных одноклеточных с маленькой кольцевой ДНК, но с другим метаболизмом. Если общая длина двух цепочек нашей ДНК — пара метров, то у прокариотов — всего пара миллиметров.
Так как же мы, эукариоты, появились? Еще в 1960-х биолог Линн Маргулис (которая и назвала нас «эукариотами») показала, что это произошло благодаря симбиозу, взаимовыгодному сотрудничеству разных микроорганизмов. Симбиоз — это вообще универсальный метод эволюции для создания нового уровня сложности, эволюционных прорывов («ароморфозов», — скажут те, кто любил в школе биологию). Один прокариот стал жить внутри другого (этот вид симбиозов называется эндосимбиозом), постепенно теряя самостоятельность и становясь чем-то вроде органа в большем организме.
А сейчас новое исследование генетиков, перенастроивших «молекулярные часы» с учетом разной скорости накопления мутаций в разных группах живых существ, показало, когда и как именно этот симбиоз происходил.
Оказалось, все началось на миллиард лет раньше, чем считалось до сих пор, — почти три миллиарда лет назад, когда внутри протеобактерии удачно поселилась асгардархея, — это недавно открытая группа особо продвинутых архей, проживающих на дне океана. В отличие от прочих архей и бактерий, они обладают даже цитоскелетом (клеточный скелет — это такие распорки внутри клекти из белка актина, похожего на прочную арматуру — он помогает огромные клеткам эукариотов удерживать форму). Асгардархея стала клеточным ядром; кроме того, от нее эукариотам достался цитоскелет и некоторые другие особенности. А от протеобактерии нам достались мембраны. Гены ядра появляются примерно 2,9 миллиарда лет назад, — но это только начало процесса «эукариотизации» — полноценные эукариоты формировались постепенно, на это ушло около миллиарда лет.
Гены, связанные с митохондриями появились гораздо позже, примерно 2,2 миллиарда лет назад. Митохондрии дали эукариотам способность использовать кислород для метаболизма и выйти на новый энергетический уровень. Это стало результатом второго великого симбиоза, когда внутри нашего «уже-почти-эукариота» удачно поселился еще один микроб — альфа-протеобактерия, ставшая матерью всех митохондрий. Митохондрии даже сохранили собственную кольцевую микро-ДНК, хотя часть своих генов отдали ядру. А будущим растениям предстоял еще третий эндосимбиоз, с предком хлоропластов, — но он в этой работе не исследуется.
Познакомьтесь с новой органеллой!
Интересно, что в другом недавнем исследовании обнаружили еще один тип микробов-эндосимбионтов, «решивших» окончательно стать частью другой клетки и превратиться в органеллы. В клетках одноклеточной морской водоросли Braarudosphaera bigelowii нашли новый вид органелл. Это нитропласты, похожие на хлоропласты и митохондрии тем, что когда-то они были бактериями. Нитропласты фиксируют азот из атмосферы, превращая его в аммиак, который растения могут использовать для производства белков и других важных молекул.
Водорослям нитропласты нужны для того, чтобы водоросли могли усваивать из воздуха азот. Азот — важная часть нуклеиновых кислот, поэтому нужен всем живым организмам. Но несмотря на то, что в воздухе азота сколько угодно, использовать его не получается, — молекула газообразного азота N2 очень прочная, вовлечь ее в биохимические реакции крайне трудно. Это умеют делать лишь некоторые микроорганизмы, одним из которых и была цианобактерия, которую приручила одноклеточная морская водоросль Braarudosphaera bigelowii.
Остальным многоклеточным существам приходится потреблять уже готовые органические соединения с азотом, синтезированные азотфиксирующими микроорганизмами. Некоторые растения, особенно бобовые, наладили симбиоз с азотфиксирующими бактериями, поселив их в корневых клубеньках. Но наша водоросль и ее маленькие друзья-нитроплаты продвинулись гораздо дальше по пути симбиогенеза (это слово, знакомое после трудов Линн Маргулис всем биологам мира, придумал еще в 1905 году ботаник Константин Мережковский, брат писателя Дмитрия Мережковского, — идея зрела давно).
Освоившись внутри водоросли, цианобактерия превратилась в ее эндосимбионта, полезного жильца. А потом, постепенно, стала уже не отдельным микроорганизмом, а органеллой. В отличие от хлоропластов и митохондрий, ставших органеллами пару миллиардов лет назад, нитропласты появились совсем недавно, — сто миллионов лет назад, в результате партнерства морских водорослей и азотфиксирующих цианобактерий. С помощью симбиоза с такими бактериями азот обычно добывают растения. Известна и еще одна водоросль, в которой живет цианобактерия-эндосимбионт.
Но клетки Braarudosphaera bigelowii не просто впустили в себя пожить азотфиксирующие бактерии — в результате совместной эволюции бактерии уже не могут жить вне водоросли, они потеряли ряд генов и биохимических способностей, используют белки клетки-хозяина и размножаются по ее графику. Но как и у хлоропластов с митохондриями, кое-какой собственный геном остался и у нитропласта. В то же время, ни один ген бывшей цианобактерии не встроился в геном хозяина — исследователи считают, что просто не успел, мало времени прошло. То есть бывшая цианобактерия еще не до конца превратилась в полноценную органеллу, а только превращается.
Это открытие, хоть и фундаментальное, создает новые возможности для биоинженерии, — представьте, например, гигантские и суперплодородные растения с нитропластами в клетках.
А в целом понимание важности симбиозов, пронизывающих всю биосферу, и их роли в прогрессивной эволюции — это одно из самых главных дополнений, внесенных в теорию эволюции после Дарвина. Вступайте в симбиозы!