Мы были неизбежны: как древние археи подготовились к созданию человека за миллиарды лет

Два миллиарда лет назад на Земле произошло событие, предопределившее всю дальнейшую историю биосферы. Две независимые клетки — архея и бактерия — объединились, чтобы создать качественно новый организм. Этот союз, известный как эукариогенез, дал начало всем сложным формам жизни: от микроскопических водорослей до человека. Долгое время в науке доминировала теория, согласно которой этот союз был вынужденным ради спасения. Считалось, что наш предок-архея был анаэробом, для которого кислород являлся смертельным ядом, и он поглотил аэробную бактерию (будущую митохондрию) только для того, чтобы та обезвреживала токсичный газ внутри клетки.

Новое масштабное исследование геномов архей группы Асгард, опубликованное международной группой биологов, получило данные, свидетельствующие о том, что предки сложных клеток освоили кислородное дыхание самостоятельно, задолго до того, как вступили в симбиоз с бактериями. Это открытие полностью меняет наше понимание эволюции: способность извлекать энергию из кислорода не была импортирована извне, а развилась внутри самой линии архей.

Проблема «темной материи» микробиологии

Понимание происхождения эукариот долгое время упиралось в нехватку данных. В 2015 году ученые обнаружили в донных отложениях Атлантики следы ДНК неизвестных ранее архей, которых назвали Asgardarchaeota (в честь обители скандинавских богов). Генетический анализ показал, что именно эта группа является ближайшим родственником всех ядерных организмов. Однако выделить живые клетки или собрать полные геномы этих существ оказалось крайне сложно — они растут медленно и обитают в труднодоступных местах.

Авторы нового исследования решили проблему дефицита информации, проанализировав огромный массив генетических данных из двух географически удаленных точек: мелководного Бохайского залива в Китае и глубоководного гидротермального бассейна Гуаймас в Калифорнийском заливе. Используя методы метагеномики (сборка геномов из смеси ДНК всех организмов в пробе), исследователи реконструировали 404 новых генома архей Асгард. Это увеличило известное разнообразие группы почти на 50%.

Среди полученных данных особый интерес вызвали геномы класса Heimdallarchaeia (Хеймдалльархеи). Именно эта подгруппа генетически ближе всего стоит к современным эукариотам. Анализ их ДНК позволил ученым заглянуть в метаболическое прошлое нашего общего предка.

Архитектура клеточного дыхания

Главным результатом работы стало обнаружение у Heimdallarchaeia полного набора генов, необходимых для аэробного дыхания.

Процесс дыхания на молекулярном уровне представляет собой перенос электронов по цепочке белковых комплексов, встроенных в мембрану. Этот поток электронов создает разность потенциалов, которая используется для синтеза молекул АТФ — универсального источника энергии. Основным элементом этой системы у аэробных организмов выступает терминальный акцептор электронов — вещество, которое забирает электрон в конце цепочки. При кислородном дыхании таким акцептором служит кислород.

В геномах Хеймдалльархей были найдены гены, кодирующие ключевые компоненты этой цепи, которые ранее считались уникальными для бактерий или эукариот:

1. Цитохром-c-оксидаза (комплекс IV): это фермент, который завершает процесс дыхания, передавая электроны непосредственно на кислород. Его наличие однозначно указывает на способность организма использовать кислород для получения энергии.
2. Комплекс III: фермент, передающий электроны внутри цепи. Ранее предполагалось, что археи Асгард лишены этого компонента, но новые данные опровергли это мнение.
3. Система синтеза гема: для работы цитохромов необходим гем (железосодержащее соединение). Исследование показало, что эти археи обладают собственными биохимическими путями для его производства.

Так что, предок эукариот не нуждался в бактерии-симбионте для того, чтобы научиться дышать кислородом. У него уже были все необходимые инструменты.

Эволюция от водорода к кислороду

Исследователи не ограничились фиксацией факта наличия генов. Они провели детальный филогенетический анализ фермента, известного как Комплекс I (NADH-дегидрогеназы), который запускает процесс переноса электронов.

У глубоководных представителей архей Асгард, живущих в бескислородных условиях, этот комплекс представлен в форме гидрогеназ — ферментов, использующих водород. Однако у Хеймдалльархей, обитающих в более мелководных зонах, структура этого комплекса усложняется. К нему добавляются новые белковые субъединицы, которые делают его похожим на Комплекс I современных митохондрий.

Это наблюдение позволяет выстроить четкую эволюционную последовательность. Древние археи использовали водородный метаболизм. По мере того как атмосфера Земли насыщалась кислородом (в преддверии Великого кислородного события), их ферментные системы видоизменялись. Модули, работавшие с водородом, адаптировались для работы с переносчиками электронов (хинонами), характерными для кислородного дыхания. Это была плавная внутренняя эволюция, а не резкое заимствование чужеродных генов.

Адаптация к агрессивной среде

Кислород — химически активный и потенциально опасный элемент. В процессе дыхания образуются активные формы кислорода (радикалы), способные повредить ДНК и белки клетки. Если бы древняя архея была строгим анаэробом, контакт с кислородом стал бы для нее фатальным.

Однако в геномах Heimdallarchaeia были найдены гены ферментов антиоксидантной защиты: каталаз, супероксиддисмутаз и пероксидаз. Кроме того, обнаружены гены протоглобинов — белков, способных связывать кислород. Это говорит о том, что эти микроорганизмы не просто пассивно переносили присутствие кислорода, но и умели контролировать его уровень внутри клетки и защищаться от окислительного стресса.

Экологические данные подтверждают выводы генетиков. Хеймдалльархеи были обнаружены не только в глубинах океана, но и в прибрежных морских осадках, где концентрация кислорода может быть значительной из-за деятельности фотосинтезирующих цианобактерий. Это означает, что предки эукариот и предки митохондрий обитали в одной экологической нише и, вероятно, конкурировали за ресурсы задолго до слияния.

Смена научной парадигмы: от выживания к эффективности

Результаты исследования заставляют пересмотреть причины возникновения эукариотической клетки. Старая модель кислородного спасения теряет актуальность. Если архея-хозяин уже умела дышать кислородом и защищаться от его токсичности, зачем ей понадобился симбионт?

Все дело в энергетической эффективности.

У прокариот (бактерий и архей) дыхательная цепь расположена на внешней мембране клетки. Это накладывает физическое ограничение: клетка не может значительно увеличить свой объем, так как площадь поверхности (мембраны) растет медленнее, чем объем цитоплазмы. Клетке просто не хватит энергии для обслуживания большого тела.

Симбиоз с митохондрией решил эту проблему не путем добавления новой функции (дыхания), а путем ее перераспределения. Поглотив бактерию и превратив ее в энергетическую станцию, клетка-хозяин получила возможность генерировать энергию внутри своего объема, а не только на поверхности. Это сняло энергетические ограничения и открыло путь к усложнению структуры: появлению ядра, развитой системы внутренних мембран и цитоскелета.

Заключение

Так что эукариогенез был закономерным этапом эволюции метаболически развитых организмов. Архейный предок человека был сложным, адаптированным организмом, который уже обладал основными биохимическими инновациями.

Слияние с митохондрией стало лишь последним шагом, который позволил масштабировать эти инновации. Понимание этого факта делает историю происхождения сложной жизни более логичной: эволюция действовала последовательно, подготавливая биохимическую базу для появления эукариот на протяжении сотен миллионов лет. А значит, мы потомки не случайной ошибки, а успешного альянса двух высокоорганизованных предков.

Источник:biorxiv