Ученые впервые наблюдали процесс, давший начало сложной жизни на Земле: как контакт двух простых клеток изменил ход эволюции

Один из самых сложных вопросов в современной биологии — это механизм появления эукариотической клетки. Вся жизнь на Земле делится на простые микроорганизмы (бактерии и археи) и эукариоты — организмы, клетки которых содержат оформленное ядро и внутренние структуры, такие как митохондрии. Растения, животные, грибы и человек состоят именно из эукариотических клеток. Наука установила, что переход от простых форм к сложным произошел около двух миллиардов лет назад, когда одна клетка (древняя архея) объединилась с другой (бактерией). Бактерия оказалась внутри археи и со временем превратилась в митохондрию — структуру, которая вырабатывает энергию для клетки.

Однако детали этого процесса долгое время оставались неясными. Главная проблема заключалась в том, что у архей нет биологического механизма для захвата и поглощения крупных объектов из внешней среды. Они не способны менять форму своей оболочки так, чтобы полностью обволакивать другие клетки. Возникает закономерный вопрос: если архея не могла поглотить бактерию, как именно произошло их объединение? Ответ на этот вопрос исследователи нашли при изучении современных экосистем, условия в которых близки к условиям на древней Земле.

Среда обитания и микробные маты

Для поиска ответов биологи отправились в залив Шарк-Бэй в Западной Австралии. Вода в этом заливе отличается крайне высокой соленостью, что препятствует выживанию сложных многоклеточных организмов. Благодаря этому здесь сохранились микробные маты — плотные, многослойные колонии микроорганизмов. Подобные структуры доминировали на планете миллиарды лет назад.

Микробные маты представляют собой сложную среду обитания. На их поверхности находятся организмы, выделяющие кислород под воздействием солнечного света, а в глубоких слоях кислород полностью отсутствует. Именно в этих бескислородных слоях скрываются археи группы Асгард. Эта группа микроорганизмов представляет особый интерес для науки, так как генетически она наиболее близка к предкам современных сложных клеток.

Выращивание микроорганизмов из глубоких слоев мата в лабораторных условиях — крайне трудоемкий процесс. Археи группы Асгард растут очень медленно, и их развитие зависит от множества внешних факторов. Исследователям потребовалось пять лет, чтобы, постепенно меняя состав питательной среды, выделить стабильную культуру. В результате ученые открыли ранее неизвестный вид архей, получивший научное название Nerearchaeum marumarumayae. Но оказалось, что этот организм способен существовать только в паре с другим микробом — сульфатредуцирующей бактерией Stromatodesulfovibrio nilemahensis.

Химическая взаимозависимость микроорганизмов

Изучение геномов двух микроорганизмов показало, что их совместное существование продиктовано строгой химической необходимостью. Этот процесс называется синтрофией — типом взаимодействия, при котором отходы жизнедеятельности одного организма становятся жизненно важным ресурсом для другого.

Архея Nerearchaeum питается путем расщепления органических веществ, таких как простые сахара и аминокислоты. В процессе получения энергии она неизбежно выделяет побочные продукты — в первую очередь газообразный водород, а также соли, включая сульфиты. Если водород и сульфиты будут накапливаться вокруг археи, их концентрация быстро станет токсичной, и рост клетки остановится.

Чтобы этого не произошло, в процесс включается бактерия Stromatodesulfovibrio. Она нуждается в водороде и сульфитах для поддержания собственного энергетического цикла и постоянно поглощает их из окружающей среды. Так, бактерия очищает пространство вокруг археи, позволяя той продолжать жизнедеятельность. В качестве обратного действия бактерия синтезирует витамины и ряд аминокислот, которые архея не способна производить самостоятельно, но которые необходимы ей для создания белков. Эта химическая зависимость делает микроорганизмы неотделимыми друг от друга.

Физический контакт и клеточные структуры

Наиболее важные данные были получены, когда исследователи изучили эту связку микроорганизмов с помощью криоэлектронной томографии. Этот метод позволяет мгновенно замораживать живые клетки и делать серию снимков под разными углами для создания детальной трехмерной модели их строения.

Долгое время считалось, что обмен веществами между такими организмами происходит исключительно путем их растворения в окружающей воде. Однако томография показала, что архея и бактерия выстраивают между собой прямые физические связи.

Строение археи Nerearchaeum оказалось значительно сложнее, чем у большинства известных микробов. Ее поверхность покрыта сложным белковым слоем, но главное отличие заключается в наличии протяженных внешних структур. Архея формирует длинные цепочки из мембранных пузырьков, которые соединены между собой и прикреплены к основному телу клетки с помощью тонких белковых нитей.

Бактерия, в свою очередь, формирует межклеточные трубки диаметром около 8 нанометров. Эти структуры исходят от поверхности бактерии, пересекают разделяющее клетки пространство и напрямую соединяются с мембраной археи и ее выростами. Ученые зафиксировали наличие специализированных белковых комплексов у основания этих трубок, что подтверждает их функциональную значимость. Через эти физические соединения микроорганизмы, вероятно, могут более эффективно обмениваться химическими веществами.

Кроме того, внутри клетки археи были обнаружены структуры, свойственные более сложным формам жизни. В частности, это молекулярные конструкции, напоминающие каркас для хранения металлов, необходимых для защиты клетки от химических повреждений, а также белки, которые у эукариот отвечают за поддержание внутренней формы клетки и транспортировку веществ.

Решение эволюционной проблемы

Обнаружение сложных внешних выростов у архей и их способности к прямому физическому взаимодействию с бактериями предлагает убедительное решение проблемы возникновения сложной клетки.

Поскольку древние археи не могли физически проглотить бактерию, процесс слияния должен был происходить иначе. Полученные данные подтверждают гипотезу, согласно которой клетка-хозяин изначально не пыталась поглотить бактерию. Вместо этого архея, стремясь улучшить обмен полезными химическими веществами, начала формировать на своей поверхности мембранные складки и выросты, чтобы увеличить площадь контакта с бактерией-партнером.

Наличие у современной археи Nerearchaeum сложных цепей мембранных пузырьков и соединительных нитей демонстрирует, что подобные структуры могут возникать у простых организмов. В эволюционном масштабе постепенное увеличение таких мембранных выростов могло привести к тому, что они начали полностью огибать полезную бактерию. Со временем края этих мембранных структур могли сомкнуться. В результате этого слияния бактерия оказалась изолированной уже не во внешней среде, а во внутреннем пространстве клетки-хозяина. Внешняя мембрана бактерии стала частью внутренней среды новой клетки.

Это исследование предоставляет физические доказательства того, как именно мог происходить первоначальный процесс усложнения клеточной структуры. Открытие архей с развитым внешним мембранным аппаратом и их способности формировать устойчивые физические контакты с бактериями заполняет важный пробел в понимании того, как простые микроорганизмы преодолели структурные ограничения и дали начало сложной жизни, к которой относятся все современные многоклеточные существа.

Источник: Current Biology