Мир живых существ делится на две принципиально разные группы. Прокариоты (бактерии и археи) — это самые простые и древние организмы. У них нет ядра, а их ДНК просто «плавает» внутри клетки. Они похожи на дешевую студию, где кухня, спальня и мастерская совмещены в одном пространстве. Эукариоты — это более сложные клетки, из которых состоим мы, растения и грибы. Их главное отличие — наличие ядра (своеобразного «сейфа» для хранения генетической информации) и специализированных органов — органелл. Эукариотическую клетку можно сравнить с современным домом, где для каждого процесса (дыхания, пищеварения, копирования данных) выделена отдельная комната.
Как возникли сложные клетки, из которых состоят животные и растения
Ученые из Техасского университета в Остине раскрыли одну из главных загадок биологии, изучив геномы древних микробов. Исследователи обнаружили, что предки всех сложных организмов — археи группы Асгард — обладали способностью использовать кислород. Это открытие подтверждает теорию о том, что эукариоты (микробы с ядром) возникли в богатой кислородом среде, когда два типа микробов объединились в единый организм.
Сканирующая электронная микрофотография клетки Candidatus Lokiarchaeum ossiferum супертип Asgardarchaeota, на которой видны длинные и сложные нити клетки. University of Vienna
Эндосимбиоз — это процесс превращения бактерии в часть клетки. Митохондрии внутри наших клеток до сих пор сохранили собственную ДНК, отличную от ядерной. По сути, каждый человек носит в себе потомков древних альфа-протеобактерий, которые миллиард лет назад были свободными организмами. Новое исследование доказывает, что этот «захват» произошел не случайно, а стал ответом на резкое повышение уровня кислорода в атмосфере Земли.
Эукариотическая клетка (слева с ядром) и прокариотическая.
Но возникновение всех растений, животных и грибов на Земле долгое время оставалось загадкой из-за противоречий в образе жизни их предполагаемых предков. Согласно общепринятой теории, эукариоты появились в результате симбиоза двух различных микроорганизмов. Но ученые не могли понять, как они оказались рядом: один из них нуждался в кислороде, а другой, как считалось ранее, обитал строго в бескислородных зонах. Новое исследование показало, что некоторые представители архей Асгард, наиболее близкие к эукариотам, живут в прибрежных осадках и верхних слоях воды, где кислорода достаточно.
Генетический анализ выявил у них множество метаболических путей, связанных с переработкой этого газа. Это означает, что наши микробные предки адаптировались к изменившимся условиям планеты после Великого кислородного события около 1,7 миллиарда лет назад. Работа опубликована в журнале Nature.
Симбиоз и эволюция
Расширенный каталог геномов Асгарда подтверждает новую модель эукариогенеза, или зарождения сложных форм жизни.
Масштабная работа по секвенированию ДНК позволила удвоить известное разнообразие архей Асгард. Ученые проанализировали около 15 терабайт экологических данных и собрали более 13 тысяч новых микробных геномов. Оказалось, что группа Хеймдалль-архей обладает белками, структура которых практически идентична белкам эукариот, отвечающим за энергетический обмен.
Соавтор работы Кэтрин Эпплер отметила: «Масштабные усилия по секвенированию и сочетание методов анализа последовательностей и структур позволили нам увидеть закономерности, которые были невидимы до этого геномного расширения».
Благодаря использованию искусственного интеллекта для моделирования формы белков, биологи подтвердили, что древние археи вступили в союз с бактериями именно ради энергетического преимущества. В итоге бактерии превратились в митохондрии — «энергетические станции» наших клеток, превратив мир простых микробов в мир сложной жизни.