Кто он – наш самый-самый-самый дальний предок? Древние микробы из Китая – ключ к истокам всей сложной жизни

12 май 2025, 12:29

Каждый из нас, от травинки до слона, состоит из удивительно сложных клеток — эукариотических. У них есть ядро, где надёжно упакована ДНК, и целая армия внутренних органелл, включая митохондрии, наши персональные «энергостанции». Но так было не всегда. Миллиарды лет назад Землю населяли куда более простые существа — бактерии и археи, клетки-одиночки без всяких внутренних изысков. Как же произошёл этот невероятный скачок от простоты к сложности? Эта тайна долгое время не давала покоя учёным, но недавние находки из китайских болот, кажется, приоткрыли завесу.

А кто такие эти ваши эукариоты?

Давайте начистоту: само слово «эукариот» звучит немного пугающе, правда? Но на деле всё просто. Если представить клетку как домик, то у прокариот (бактерий и архей) всё имущество, включая генетический материал, разбросано по одной комнате. А вот эукариоты — это уже многокомнатные апартаменты с отдельной «спальней» для ДНК (ядром) и специализированными «кухнями» и «электростанциями» (органеллами вроде митохондрий). И вот это превращение одноклеточного «холостяцкого» жилища в сложный «дворец» — одно из ключевых событий в истории жизни. Ведь именно эукариотические клетки легли в основу всего многообразия животных, растений и грибов. Без них не было бы ни нас с вами, ни величественных секвой, ни скромных дрожжей, поднимающих тесто для пирога.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Детективная история: одна клетка внутри другой

Ещё в середине прошлого века учёные заподозрили неладное. Слишком уж митохондрии походили на самостоятельные бактерии, которые почему-то решили поселиться внутри другой, более крупной клетки. Эта идея, известная как теория эндосимбиоза, сегодня практически общепризнанна. Представьте себе: одна клетка (вероятно, архея) попыталась «съесть» другую (бактерию), но та не только выжила, но и со временем стала незаменимым партнёром, поставляя энергию. Этакая клеточная «коммуналка», которая со временем переросла в нечто гораздо большее.

Но кто был этим «хозяином» и кто «гостем»? Генетика подсказала: хозяином, скорее всего, была архея, а гостем-митохондрией — бактерия. Оставалось найти живых (или хотя бы их следы) родственников этих древних партнёров.

ML-древо, построенное с помощью IQ-TREE по модели LG + C60 + F + G + PMSF на основе набора из 579 архей (411 асгардских архей, 51 DPANN-архея, 47 эвриархей и 70 представителей TACK-архей). На дереве показаны только линии архей Асгарда. Два культивируемых штамма архей Asgard выделены красной звездой. Новые геномы, идентифицированные в данном исследовании, показаны цветными полосками в крайнем кольце. Значения бутстреп-поддержки не менее 95 % представлены черными точками. Масштабная линейка обозначает среднее ожидаемое число замен на участок. Цитирование: Zhang, J., Feng, X., Li, M. et al. Deep origin of eukaryotes outside Heimdallarchaeia within Asgardarchaeota. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08955-7
Автор: Zhang, J., Feng, X., Li, M. et al. Источник: www.nature.com

Привет из Асгарда: недостающее звено?

И вот, в 2015 году, как гром среди ясного неба — открытие! Учёные, бурившие дно Атлантического океана, наткнулись на совершенно новую группу архей. Их назвали пышно — Асгард-археи, в честь мифической обители скандинавских богов. И не зря! Эти микробы оказались настоящей сенсацией. В их геноме обнаружились гены, которые раньше считались эксклюзивной прерогативой эукариот. Вот оно, недостающее звено! Похоже, именно кто-то из Асгард-архей, или их близкий родич, и стал тем самым «хозяином», приютившим будущую митохондрию.

Асгард-археи — это целое семейство со звучными именами: Локиархеи, Торархеи, Хеймдалльархеи… прямо пантеон микроскопических божеств! Но кто из них наш прямой предок? Вопрос оставался открытым.

Китайский след: болотные архивы древности

И тут на сцену выходят китайские исследователи под руководством Хунпо Дуна. Их команда не стала бороздить океаны, а обратила взоры на прибрежные водно-болотные угодья Китая. Казалось бы, что там искать? А оказалось — целую сокровищницу! Из 14 локаций учёные извлекли ДНК и, к своему изумлению, идентифицировали 223 (!) новых вида Асгард-архей, включая 16 совершенно новых подгрупп.

«Это просто невероятное количество!» — комментируют коллеги, не участвовавшие в исследовании. Благодаря этой работе, наше представление о разнообразии Асгард-архей расширилось многократно. Это как если бы мы знали только львов и тигров, а тут нам показали ещё две сотни видов кошачьих, о существовании которых мы и не подозревали.

a, ML-филогенетический анализ 67 конкатенированных маркерных белков на основе 461 архейного таксона и 14 эукариот (выведено с помощью IQ- IQ-TREE по модели LG + C60 + F + G + PMSF), используя 50 TACK архей в качестве аутгруппы (выравнивание tES67; 13 348 сайтов). Число под Lokiarchaeales представляет собой 150 MAG и геномы двух культивируемых штаммов Asgard. Выравнивание было SR4-перекодировано, и его байесовский вывод был выполнен с использованием модели CAT + GTR (Дополнительный рис. 6a; две цепи; 50 000 поколений). Показана PP-поддержка узла эукариот и ближайших родственников Асгарда (0,69). b, ML-филогенетический анализ 97 конкатенированных маркерных белков на основе 411 архей Асгарда и 14 эукариот (выведено с помощью IQ- IQ-TREE по модели LG + C60 + F + G + PMSF) (выравнивание S97; 20 067 сайтов). Это дерево является некорневым. Кроме того, были сделаны байесовские выводы по SR4-кодированным суперматрицам S97, S150 и NM57 с использованием модели CAT + GTR. Показана поддержка PP для узла эукариот и ближайших родственников Асгарда (PP = 1 для S97, PP = 0,8 для S150 и PP = 1 для NM57). c, Эволюция бутстреп-поддержки группировки эукариот с Heimdallarchaeia (Heimdallarchaeia-sister, EHeim) или Hodarchaeales (Hodarchaeales-sister, EHod) в филогенетических деревьях, полученных из наборов данных S97 и NM57, по мере постепенного удаления наиболее быстро эволюционирующих участков. Цитирование: Zhang, J., Feng, X., Li, M. et al. Deep origin of eukaryotes outside Heimdallarchaeia within Asgardarchaeota. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08955-7
Автор: Zhang, J., Feng, X., Li, M. et al. Источник: www.nature.com

Переписывая семейное древо (и немного о кислороде)

Новые данные позволили команде Дуна по-новому взглянуть на эволюционное древо. Ещё недавно, в 2023 году, другая группа учёных предположила, что эукариоты произошли от подгруппы Хеймдалльархей. Однако китайские исследователи, проанализировав куда больший массив данных, пришли к иному выводу: эукариоты как группа оказались старше Хеймдалльархей! Это значит, что последние не могли быть нашими прямыми предками. Скорее, мы с ними — «двоюродные братья», две ветви, разошедшиеся от общего ствола.

Почему же предыдущие исследователи могли ошибиться? По мнению Дуна, дело в «посторонних» — группе Njordarchaeales. Оказалось, эти ребята в ходе эволюции «нахватались» ДНК от других архей, не относящихся к Асгардам, и это внесло путаницу в расчеты. Наука, знаете ли, процесс самокорректирующийся.

А что по датам? Согласно новым расчётам, последний общий предок всех Асгард-архей жил где-то между 3,72 и 3,06 миллиардами лет назад. А вот разделение ветви Хеймдалльархей (и, соответственно, появление линии эукариот) произошло в промежутке от 3,12 до 2,26 миллиарда лет назад. Это любопытным образом совпадает с другим важнейшим событием в истории Земли — появлением кислорода в атмосфере примерно 2,5 миллиарда лет назад, благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий.

Именно кислород, по мнению Дуна, мог стать тем катализатором, который подтолкнул Асгард-архей к судьбоносному симбиозу. Некоторые бактерии научились «дышать» кислородом, и археи, вступив с ними в партнёрство, получили доступ к новому, невероятно эффективному источнику энергии. «По мере роста уровня кислорода, — говорит Дун, — симбиотические отношения становились всё теснее, пока, наконец, партнёры не слились воедино». Этакий брак по расчёту, оказавшийся невероятно успешным.

a, Переход от общего предка Asgard к предкам Lokiarchaeia и Heimdallarchaeia. На основании результатов ALE можно предположить, что LAsCA был H2-зависимым хемолитоавтотрофом. Предполагается, что архейный WLP присутствовал у всех четырех предков; таким образом, он мог присутствовать и у LAECA. Четыре гена, связанные с ацетогенезом (pta, ack, acs и acd), были предсказаны для присутствия в предке Heimdallarchaeia, что позволяет предположить, что LAECA могла быть анаэробным H2-зависимым ацетогеном. b, Распределение ключевых ферментов WLP в Heimdallarchaeia. Hodarchaeales, как базальная ветвь в Heimdallarchaeia, обладала полной WLP, что подтверждает наличие этого пути у предка Heimdallarchaeia. Во время перехода от Hodarchaeales к Heimdallarchaeaceae и Kariarchaeaceae эти ключевые ферменты WLP, по-видимому, постепенно утрачивались. Полностью заполненные круги указывают на то, что ген был обнаружен по крайней мере в половине геномов клады. Полузаполненные круги указывают на то, что ген обнаружен менее чем в половине геномов клады. EMP, Embden-Meyerhof-Parnas; NOPPP, неокислительный пентозофосфатный путь; RuMP, рибулозомонофосфатный путь; sp/np-ED, полу/нефосфорилирующий путь Entner-Doudoroff; TCA цикл, цитратный цикл; AA, метаболизм аминокислот; β, β-окисление; H4F — метильная ветвь тетрагидрофолата; H4MPT — метильная ветвь тетрагидрометаноптерина; Fdh — формиатдегидрогеназа; Mvh/Hdr — комплекс F420-невосстанавливающей гидрогеназы и гетеродисульфид-редуктазы; Pyr — пируват; Ech — энергопревращающая гидрогеназа; F420, кофермент F420-редуцирующая гидрогеназа; Mcr, метил-CoM редуктаза; Nucl, нуклеотид; H, Heimdallarchaeaceae; K, Kariarchaeaceae; G, Gerdarchaeales; Hod, Hodarchaeales; W, Wukongarchaeia; fwd, формилметанофуран дегидрогеназа; ftr, формилметанофуран-тетрагидрометаноптерин N-формилтрансфераза; mch, циклогидролаза метенилтетрагидрометаноптерина; mtd, дегидрогеназа метилентетрагидрометаноптерина; mer, 5,10-метилентетрагидрометаноптерин-редуктаза; cdh, ацетил-КоА декарбонилаза/синтаза, комплекс CODH/ACS. Цитирование: Zhang, J., Feng, X., Li, M. et al. Deep origin of eukaryotes outside Heimdallarchaeia within Asgardarchaeota. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08955-7
Автор: Zhang, J., Feng, X., Li, M. et al. Источник: www.nature.com

Ещё не конец истории?

Конечно, как это часто бывает в науке, ставить точку пока рано. Бурак Авджи, комментируя китайское исследование, мудро замечает, что мы, вероятно, видим лишь «верхушку айсберга». Каждая новая порция геномных данных от этих неуловимых Асгард-архей может снова и снова уточнить картину.

Но одно ясно уже сейчас: эти крошечные существа, скрывающиеся в неприметных болотах, хранят ключи к пониманию одного из самых грандиозных событий в истории жизни на Земле. И каждое новое открытие приближает нас к ответу на вечный вопрос: откуда мы пришли? И, возможно, даже — куда идём. А вы знали, что поиски продолжаются прямо сейчас? Кто знает, какие ещё сюрпризы ждут нас в глубинах океанов или в скромной луже на заднем дворе.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник