В океанах и на суше учёные обнаруживают редкие переходные организмы, которые заполняют разрыв между простейшими клетками Земли и современными сложными клетками.

На видео: микроорганизм под названием Lokiarchaeum ossiferum движется под микроскопом. Биологи считают его переходной формой жизни между простыми клетками, появившимися на Земле более четырёх миллиардов лет назад, и сложными клетками.

Ряд новых исследований проливает свет на один из важнейших этапов в истории жизни: эволюцию сложных клеток из более простых, произошедшую два миллиарда лет назад. В океанах и на суше учёные обнаруживают редкие переходные микроорганизмы, которые заполняют этот промежуток.

Различия между сложными клетками, в том числе клетками человеческого тела, и простыми микробами, такими как кишечная палочка, разительны. Сложные клетки состоят из множества отделений, или компартментов; одно из них, известное как ядро, хранит ДНК; другие, называемые митохондриями, содержат ферменты, которые вырабатывают энергию для клетки. Внутри сложных клеток находится сеть нитей — цитоскелет, который позволяет им менять форму и передвигаться, перестраивая свои элементы.

У кишечной палочки нет ничего из перечисленного: ни скелета, ни митохондрий, ни ядра.

Эти и многие другие различия образуют одно из самых глубоких разделений в природном мире. Виды, состоящие из сложных клеток, являются эукариотами — группой, которая включает животных, растения и грибы, а также одноклеточных эукариот. Простые микробы, такие как кишечная палочка, известны как прокариоты.

Прокариоты появились более четырёх миллиардов лет назад. Эукариоты возникли гораздо позже, где-то между 2,5 и 2 миллиардами лет назад. Как сложные эукариоты эволюционировали из более простых прокариот, десятилетиями ставило учёных в тупик.

В 1990-х годах важная подсказка появилась благодаря тщательным исследованиям митохондрий — «топливных фабрик» эукариотических клеток. Исследователи обнаружили в митохондриях небольшой набор генов, который совершенно не походил на ДНК в ядре. Вместо этого митохондрии демонстрируют близкую генетическую связь с бактериями, которые используют кислород для производства энергии.

Это открытие позволило предположить, что предки эукариот поглотили бактерий, питающихся кислородом, и затем использовали их для производства собственного топлива. Но оно по-прежнему оставляло без ответа многие вопросы об эукариотах. Например, каким был организм, поглотивший митохондрии?

Важная подсказка появилась в 2015 году. Учёные извлекли фрагменты ДНК из отложений, взятых со дна Северного Ледовитого океана, а затем собрали из них полные геномы микробов, обитающих в этих осадках. Один из них оказался непохожим на всё, что было найдено ранее: прокариот с многочисленными генами, ранее обнаруженными только у эукариот.

При поисках асгардов учёные собирали образцы отложений с помощью дистанционно управляемого подводного аппарата Subastian на исследовательском судне Falkor на глубине 30 м.

Среди этих генов были те, что отвечают за построение клеточного скелета. Другие участвуют в формировании компартментов, в которых эукариотические клетки расщепляют старые белки.

Учёные начали поиск других представителей этой группы. Поиски сначала шли очень медленно, и большинство открытий было сделано в глубоководных отложениях. Исследователи назвали новую группу «асгарды» — в честь обители богов в скандинавской мифологии.

Бретт Бейкер, микробиолог из Техасского университета в Остине, последние несколько лет занимался ускорением поисков. Он и его коллеги отправились на поиски асгардов в глубоководные районы у побережья Калифорнии и в мелкие прибрежные воды Китая. Вернувшись в лабораторию, исследователи использовали новые мощные технологии для поиска ДНК редких микробов.

Поиски увенчались успехом, как сообщили учёные. В ходе экспедиций они обнаружили 404 новых вида асгардов. Они также выяснили, что базы данных предыдущих исследований содержали ещё 30 геномов асгардов, которые были упущены из виду. В результате одного исследования учёные почти удвоили известное разнообразие асгардов.

«Разнообразие асгардов растёт взрывными темпами, и конца этому не видно», — сказал Джон Арчибальд, эволюционный биолог из Университета Далхаузи в Канаде, который не участвовал в новом исследовании.

Многие из новых микробов-асгардов обитают в глубоких водах океана, но некоторые живут и в прибрежных водах. Другие встречаются на суше — в средах, варьирующихся от вечной мерзлоты тундры до лагун. Они редки, но встречаются во многих уголках планеты.

«Если вы выйдете на свой задний двор и отсеквенируете почву, вы найдёте асгардов», — сказал доктор Бейкер.

Несмотря на то что учёные улучшили свои навыки в поиске ДНК асгардов, они всё ещё испытывают трудности в изучении живых клеток. Криста Шлепер, микробиолог из Венского университета, и её коллеги потратили восемь лет на то, чтобы понять, как вырастить асгардов, которых они нашли в бескислородных отложениях на побережье Словении.

Наконец, исследователи поместили несколько живых асгардов на предметные стёкла и направили на них видеокамеру. Когда они ускорили съёмку, то увидели, как микробы ползут по стеклу, — это был первый случай, когда кто-либо видел их в движении.

«В лаборатории тогда было много радости», — вспоминает Филипп Радлер, постдокторант в лаборатории доктора Шлепер.

Движение асгардов даёт интригующие подсказки о происхождении эукариот. Они ползают, изменяя форму своего клеточного скелета, образуя длинные щупальца, с помощью которых дотягиваются до предметного стекла и ухватываются за него. Другие прокариоты так не двигаются, а эукариоты — да. Видеозаписи показывают, что у асгардов уже были некоторые ключевые признаки эукариот, такие как скелет, пригодный для ползания, задолго до появления самих эукариот.

Другие учёные также исследуют ещё один важный этап в происхождении эукариот: как они обрели митохондрии.

Предки митохондрий, вероятно, были бактериями, дышавшими кислородом, и, следовательно, жили там, где кислорода было много. Асгарды, обитавшие в бескислородных отложениях, вряд ли могли с ними встретиться. Но новое исследование доктора Бейкера даёт некоторые подсказки о том, как могла произойти эта знаменательная встреча.

Доктор Бейкер и его коллеги обнаружили множество новых асгардов, процветающих в прибрежных водах с высоким содержанием кислорода. Внимательное изучение их генов показало, что они используют кислород для своего метаболизма.

«Похоже, они дышат кислородом и питаются органическим углеродом — что нам очень знакомо, потому что мы делаем то же самое», — сказал доктор Бейкер.

Доктор Арчибальд отметил, что учёные предложили много различных сценариев эволюции эукариот, но их трудно оценить без надёжных данных. Асгарды, которых сейчас находят доктор Бейкер и другие исследователи, позволяют прояснить происхождение эукариот.

«Мы теперь на самом деле преодолеваем тупики с помощью реальных организмов», — сказал доктор Арчибальд.

Доктор Бейкер и его коллеги теперь утверждают, что первые шаги на пути к эукариотам были сделаны на ранней Земле, когда в атмосфере ещё не было кислорода. Ранние микробы-асгарды уже обладали клеточным скелетом и использовали его для передвижения по дну океана.

Атмосфера Земли начала меняться около 2,5 миллиарда лет назад. Некоторые бактерии развили фотосинтез, что позволяло им поглощать углекислый газ и солнечный свет для роста. Они выделяли кислород как отход жизнедеятельности. Этот кислород постепенно накапливался в атмосфере, а затем проникал в мелкие прибрежные воды.

Для многих микробов новый кислород был токсичен. Но некоторые асгарды, обитавшие в прибрежных водах, приспособились к нему, а затем стали процветать. «А затем они передали эту способность эукариотам», — предположил доктор Бейкер.

Доктор Бейкер также подозревает, что микробы-асгарды столкнулись с бактериями, которые стали митохондриями, именно в богатых кислородом прибрежных водах. Он ссылается на исследование своей команды в море у побережья Китая, где они обнаружили бактерий, близкородственных митохондриям, живущих в тех же отложениях, что и асгарды.

Как только асгарды обрели митохондрии, их кислородный метаболизм резко ускорился. Эти новые эукариоты получили обильный запас энергии, который позволил им вырасти и приобрести новые свойства, например способность охотиться на прокариот. Мир необратимо изменился.

Кэтрин Эпплер, микробиолог-эколог из Института Пастера, которая работала над новым исследованием вместе с доктором Бейкером, сказала, что учёным не нужно возвращаться на два миллиарда лет назад, чтобы проверить эту гипотезу. Вместо этого они могут исследовать прибрежные воды сегодня. Возможно, живые асгарды следуют по тому же пути, что и первые эукариоты, образуя тесные партнёрские отношения с бактериями.

«Иногда я не могу заснуть ночью, думая о том, что сегодня происходит в отложениях», — призналась доктор Эпплер.

Как микробы научились ползать