Биологи построили теорию происхождения сложных клеток, из которых построены высшие организмы, в том числе человек
Одной из главных загадок биологии является возникновение сложных клеток — эукариотов, из которых строятся все сложные организмы, в том числе человек
В начале было скучно. После появления клеточной жизни на Земле около 3,5 миллиардов лет назад на планете преобладали простые клетки без ядра и детализированной внутренней структуры. С точки зрения эволюционного развития в этих так называемых прокариотических клетках — бактериях и археях — все оставалось почти неизменным еще на миллиард с половиной лет.
Затем произошло нечто замечательное и беспрецедентное. Появился новый тип клеток, известный как эукариоты. Эукариоты развили множество сложных внутренних модулей или органелл, включая эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и митохондрии. Образовались самые разнообразные типы клеток — предшественников всей последующей растительной и животной жизни на Земле.
Все современные виды растений и животных происходят от последнего общего предка эукариот или LECA. Переход от прокариот к эукариотам остается центральной загадкой, которую биологи все еще пытаются разгадать.
Откуда взялись эукариоты — главная загадка биологии.
В новом исследовании Пол Шавемейкер, исследователь из Центра биодизайна механизмов эволюции, и Серхио Муньос-Гомес, ранее работавший в Университете штата Аризона, а в настоящее время исследователь в Университете Париж-Сакле, Орсе, Франция, по-новому взглянули на загадку возникновения эукариот.
Их исследование, опубликованное журнале Nature Ecology & Evolution, бросает вызов популярному сценарию, выдвинутому для объяснения появления первых эукариотических организмов. Их количественные результаты противоречат общепринятой теории, впервые выдвинутой биологами Ником Лейном и Биллом Мартином.
Основная идея Лейна и Мартина состоит в том, что судьба клетки в процессе развития определяется запасом энергии. Прокариоты в основном небольшие. Им нужно сравнительно немного энергии для обеспечения своей жизнедеятельности. Но как только клетка достигает достаточного большого размера и сложности, она в конце концов приближается к барьеру, за который прокариоты пройти не могут. По крайне мере, согласно теории Лейна и Мартина.
Согласно этой идее, единственное событие в истории Земли привело к внезапному появлению эукариот, которые затем росли и диверсифицировались, чтобы занять все экологические ниши на планете, от жерл подводных вулканов до арктической тундры. Это обширное разнообразие возникло, когда одна свободно живущая прокариотическая клетка захватила другой крошечный организм.
Благодаря процессу, известному как эндосимбиоз, новый резидент клетки был поглощен протоэукариотом, и начал снабжать его энергией. Эндосимбионт, который этот протоэукариот приобрел, в конечном итоге стал митохондрией — клеточной электростанцией. Множество митохондрий можно найти во всех эукариотических клетках. У прокариотов митоходрий — нет.
Поскольку всю сложную жизнь сегодня можно проследить до одной эукариотической ветви эволюционного древа, предполагалось, что это случайное эндосимбиотическое событие, то есть приобретение митохондрий, произошло только один раз за всю историю жизни на Земле. Это случайность природы, которая стала началом сложного биоразнообразия. Вот почему мы все здесь. Без митохондрий эукариоты были бы энергетически нежизнеспособны. Такова общепринятая на сегодня точка зрения.
Пересечение границы
Но не надо спешить, говорят авторы нового исследования.
Шавмейкер отмечает, что, хотя различие между прокариотами и эукариотами среди современных организмов очевидно, на переходном этапе все могло быть куда туманнее.
В новом исследование биологи показывают, что при появлении первых эукариот не было жесткой границей, отделяющей их от прокариотических предков. Вероятно, вместо непреодолимой пропасти между прокариотами и эукариотами с точки зрения внутренней сложности клетки и количества генов, между этими клеточными формами были и какие-то переходные.
Исследователи рассматривают ряд типов прокариотических и эукариотических клеток, чтобы определить: а) как объем клетки у прокариот ограничивается площадью поверхности клеточной мембраны, необходимой для дыхания, б) сколько энергии клетка должна направить на активность ДНК в зависимости от положения своего генома и в) каковы затраты и преимущества эндосимбионтов для клеток разного объема.
Оказывается, прокариоты могут разрастаться до значительных размеров и приобретать хотя бы некоторые признаки сложных клеток и без наличия митохондрий.
Где взять энергию
Исследователи изучили, как дыхательные потребности клетки, измеряемые количеством молекул фермента АТФ-синтазы, доступных АТФ для роста и поддержания жизни клеток, масштабируются в зависимости от объема клетки.
Шавмейкер говорит: «В какой-то момент при увеличении размера клетки будет достигнут предел объема, при котором АТФ-синтазы не смогут обеспечить достаточное количество АТФ для деления клетки с определенной скоростью». (Это ясно из геометрических соображений: молекулы АТФ-синтазы находятся на мембране, при увеличении клетки ее объем растет пропорционально третьей степени размера, а площадь поверхности — пропорционально второй степени, поэтому в какой-то момент объем «убегает»). Эукариоты преодолевают этот барьер за счет дополнительной площади дыхательной поверхности, которую обеспечивают внутренние мембранные структуры, такие как митохондрии.
Но этот предел объема клетки не достигается на границе прокариот и эукариот, как предсказывает предыдущая теория. Прокариоты еще могут расти и расти и при этом не задыхаться. «Это происходит при гораздо больших объемах клеток, около 103 кубических микрон, что превышает размеры многих эукариот. И это заставило нас думать, что митохондрии, вероятно, не были абсолютно необходимы для этого перехода к большим объемам клеток», — говорит Шавмейкер.
Нечто подобное происходит, и когда сравнивают расположение генов у прокариот и эукариот. Архитектура генома прокариот симметрична и состоит из кольцевой двухцепочечной ДНК. Многие бактерии содержат несколько копий своего генома на клетку.
Но у эукариот другая архитектура генома — она асимметричная. Ключевое преимущество расположения эукариотического генома в том, что эукариотам не нужны копии генома по всей клетке, как прокариотам. Для большинства генов эукариоты поддерживают одну или две копии в ядре; лишь небольшое количество генов присутствует во многих копиях митохондриального генома: митохондриальные ДНК разбросаны по всей клетке вместе с органеллой.
Напротив у крупных бактерий есть много копий всего их генома, причем каждая копия содержит каждый ген. Поддержание одной-двух копий генома энергетически гораздо дешевле. Это различие позволило эукариотам значительно увеличиться в размерах, не сталкиваясь с теми же энергетическими ограничениями, что и прокариоты. Но и здесь исследователи наблюдали, что прокариоты могут расширять свои геномы до размеров геномов эукариотов, и не достигать критического порога, за которым их геномная симметрия становится ограничивающим фактором.
Получается, что для прокариотов не было необходимости «включать» митохондрии для роста объема и усложнения генома. Значит у рождения первых эукариот была другая причина.
Еще раз про LECA
Новая картина ранней эволюции эукариот представляет собой правдоподобную альтернативу парадигме, основанной на митохондриях. Вместо того, чтобы начать век эукариот одним грандиозным жестом — случайным приобретением митохондриального прототипа, эволюция сделала целую серию предварительных, постепенных изменений в течение огромных промежутков времени, и только в конечном итоге возникли сложные эукариотические клетки.
Более раннее исследование Линча и Маринова, цитируемое в новой работе, придерживается еще более радикальной точки зрения. Исследователи считают, что митохондрии вообще приносили мало пользы ранним эукариотам, если вообще приносили хоть какую-то. Новое исследование занимает более умеренную позицию, предполагая, что митохондрии и, возможно, другие особенности современных эукариотических клеток были действительно необходимы для удовлетворения энергетических потребностей больших клеток. Но существовали более мелкие протоэукариоты, которые, возможно, отлично обходились и без митохондрий.
Следовательно, переходу к загадочному событию LECA могла предшествовать серия организмов, которые изначально жили без митохондрий.
Новое исследование также ставит под сомнение и момент эукариотического перехода. Возможно, великий переход начался с развития эукариотического цитоскелета или другой развитой структуры. Возможно, митохондрии с их дополнительным клеточным геномом могли появиться в клетке, когда меньший прокариот был поглощен более крупным в результате процесса, известного как фагоцитоз, или, возможно, митохондрии вторглись в первый прокариот как паразит. Ученые подчеркивают, что потребуется гораздо больше исследований, чтобы с уверенностью расположить ряд событий, ведущих к появлению полноценных эукариот, в их правильной последовательности. Но главное — не останавливаться, и не считать существующие теории, снимающими все вопросы.
