В основе самой общепринятой научной теории появления всей сложной жизни на Земле долгое время лежала неразрешимая загадка.
Согласно этой теории, все растения, животные и грибы — вместе именуемые эукариотами — эволюционировали после объединения двух очень разных типов микробов. Проблема заключалась в том, чтобы понять, как эти двое вообще оказались в такой близости друг к другу, учитывая, что одному из микробов для выживания требовался кислород, а другой, как было известно, обитал в среде, лишенной кислорода.
Новая подсказка от древних микробов
Теперь ученые из Техасского университета в Остине, опубликовавшие статью в журнале Nature, похоже, разгадали эту тайну. Один из наших микробных предков принадлежал к группе так называемых архей Асгарда (Asgard archaea), которые сегодня обитают преимущественно в морских глубинах и других бескислородных пространствах. Однако, согласно новому исследованию, некоторые «асгарды» используют или, по крайней мере, переносят кислород. Это открытие придает весомости идее о том, что сложная жизнь возникла именно так, как предсказывала теория — и, по-видимому, в богатой кислородом среде.
«Большинство архей Асгарда, живущих сегодня, были найдены в средах без кислорода», — пояснил Бретт Бейкер, доцент кафедры морских наук и интегративной биологии Техасского университета. «Но оказалось, что те из них, кто наиболее близок к эукариотам, живут в местах с наличием кислорода, например, в прибрежных донных отложениях и в толще воды, и у них есть множество метаболических путей, использующих кислород. Это предполагает, что наш эукариотический предок, вероятно, тоже обладал этими процессами».
Бейкер и его команда исследуют геномы архей Асгарда, открывая новые линии, расширяя известное ферментативное разнообразие и изучая их метаболические пути. Последняя находка команды согласуется с картиной истории Земли, реконструированной геологами и палеонтологами.
Вплоть до периода, наступившего около 1,7 миллиарда лет назад, в атмосфере Земли было очень мало кислорода. Затем уровень кислорода резко подскочил, приблизившись к современным показателям. В течение нескольких сотен тысяч лет после этого Великого кислородного события появились первые известные микроокаменелости эукариот, что позволяет предположить: наличие кислорода могло быть важным фактором для происхождения сложной жизни.
«Тот факт, что некоторые «асгарды», являющиеся нашими предками, были способны использовать кислород, очень хорошо вписывается в эту картину», — сказал Бейкер. «Кислород появился в окружающей среде, и археи Асгарда адаптировались к этому. Они нашли энергетическое преимущество в использовании кислорода, а затем эволюционировали в эукариот».
Как впервые возникли сложные клетки
Ученые полагают, что эукариоты возникли, когда архея Асгарда вступила в симбиотические отношения с альфа-протеобактерией. В конечном итоге они стали единым организмом, причем последняя эволюционировала в энергопроизводящую органеллу внутри эукариот, называемую митохондрией. В новой работе ученые значительно расширили количество известных геномов архей Асгарда и указали на конкретные их типы, такие как хеймдалльархеи (Heimdallarchaeia), которые тесно связаны с эукариотами, но менее распространены сегодня.
«Эти археи Асгарда часто упускаются из виду при секвенировании с низким покрытием», — отметила соавтор исследования Кэтрин Эпплер, постдокторант Института Пастера в Париже (Франция). «Масштабные усилия по секвенированию и наложение секвенирования на структурные методы позволили нам увидеть закономерности, которые не были заметны до этого геномного расширения».
Это исследование выросло из докторской диссертации Эпплер в Институте морских наук Техасского университета, которая началась с извлечения ДНК из морских отложений в 2019 году. Группа из Техасского университета и их сотрудники собрали более 13 000 новых микробных геномов. Это масштабное мероприятие объединило данные нескольких морских экспедиций и потребовало обработки около 15 терабайт ДНК из окружающей среды.
Из этого набора данных они получили сотни новых геномов Асгарда, почти удвоив известное геномное разнообразие группы. Используя генетические сходства и различия этих микробов, они построили новое расширенное древо жизни архей Асгарда. Эти новые геномы также выявили ранее неизвестные группы белков, удвоив число известных ферментативных классов.
Затем они обратили внимание на хеймдалльархей и сравнили белки, которые те производят, с эукариотическими белками, участвующими в энергетическом и кислородном метаболизме. Используя модель искусственного интеллекта под названием AlphaFold2, они предсказали, как эти белки сворачиваются в трехмерные формы. Формы, или структуры, белков диктуют их функции. Результаты показали, что ряд белков, вырабатываемых хеймдалльархеями, очень напоминает те, что используются эукариотами для эффективного метаболизма на основе кислорода.
В число других авторов исследования вошли бывшие исследователи Техасского университета Сяньчжэ Гун (ныне в Шаньдунском университете в Китае), Педро Леан (ныне в Университете Радбауда в Нидерландах), Маргерит Лангвиг (ныне в Висконсинском университете в Мэдисоне) и Валери Де Анда (ныне в Венском университете). Кроме того, в исследовании приняли участие Джеймс Лингфорд и Крис Грининг из Университета Монаша в Австралии, а также Кассиани Панагиоту и Тейс Эттема из Вагенингенского университета в Нидерландах.
Читайте также: Экстремальный цикл «пира и голода» спровоцировал взрыв жизни на Земле
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.