Как возникла сложная жизнь: ученые впервые сняли контакт микробов, сделавший возможной эволюцию человека
Все живые организмы на Земле делятся на два принципиально разных лагеря: прокариоты — бактерии и археи с простым устройством клетки, и эукариоты — растения, грибы, животные, чьи клетки обзавелись ядром и сложными внутренними структурами. Переход между этими мирами, эукариогенез, случился около 2,1–2,3 миллиарда лет назад, когда одна архея поглотила бактерию, превратившуюся в митохондрию — энергетическую станцию клетки. Но как именно произошло это судьбоносное слияние, долгое время оставалось загадкой.
Прорыв наметился в 2015 году с открытием в глубоководных осадках Атлантики суперфилума архей Асгард. В их геномах нашли гены, которые считались исключительной особенностью сложных клеток: компоненты цитоскелета, системы транспорта и сигнальные молекулы. Однако увидеть сами микроорганизмы мешала их капризность: они растут крайне медленно, требуют строго бескислородной среды и не выживают без партнеров. Японским ученым понадобилось двенадцать лет, чтобы получить первый лабораторный изолят, но зафиксировать структуру контакта между археей и бактерией не удавалось никому.
Международная группа биологов под руководством Брендона Бернса и Дебната Госала из Австралии совершила то, что не получалось прежде. Вместо глубоководного ила они обратились к экстремальной среде — лагуне Хэмелин-Пул в заливе Шарк, где соленость вдвое выше океанической. Там, в микробных матах — плотных многослойных пленках, считающихся аналогами экосистем протерозойской эры, — исследователи нашли новую асгард-архею. Пять лет последовательных пересевов в атмосфере из азота и углекислого газа с использованием галактозы и антибиотиков позволили получить культуру, где 89% популяции составляла новая архея Nerearchaeum marumarumayae, а 9% — бактерия Stromatodesulfovibrio nilemahensis.
Криоэлектронная томография — метод, замораживающий образцы в жидком этане при −180 °C, — показала удивительную картину. Клетки археи оказались пластичными сферами диаметром около 861 нанометра, лишенными жесткого защитного слоя, но покрытыми Т-образными белковыми выступами. От них отходили ветвящиеся нити с пузырьками-везикулами, а цепочки клеток соединялись в трубки длиной до 13 микрометров. Но главное открытие ждало впереди: между археей и бактерией обнаружились полые нанотрубки диаметром 8,1 нанометра, берущие начало в белковом комплексе бактерии и прикрепляющиеся к выростам археи. Это первый зафиксированный прямой физический контакт между асгард-археей и ее симбиотическим партнером.
Такое тесное соседство — не случайность, а жесткая необходимость. Архея — бродильный гетеротроф, который расщепляет сахара с выделением водорода. Накопление этого газа блокирует ее энергетический обмен. Бактерия, в свою очередь, поглощает водород и сульфит археи, используя их для дыхания, а взамен снабжает партнера четырьмя незаменимыми аминокислотами, витаминами группы B и трегалозой для защиты от соленой среды. Без непрерывного трубчатого канала хрупкие метаболиты рассеивались бы в воде, делая симбиоз невозможным.
Геном археи раскрыл и другие секреты. В нем обнаружены гены актина, тубулинов и системы ESCRT — белков, которые у эукариот управляют делением клеток и везикулярным транспортом. Внутри клетки нашлись инкапсулины — белковые контейнеры, изолирующие токсичное железо, а на поверхности — гигантский белок из 5416 аминокислот, похожий на человеческий титин и удерживающий клетку в плотном осадке.
Эти находки переворачивают представление о возникновении сложной жизни. Эукариогенез, судя по всему, произошел не в открытой воде, где свободно плавающая архея случайно захватила бактерию. Он разворачивался в тесных микробных матах, где клетки выживали за счет синтрофии — метаболического сотрудничества. Пластичная мембрана, везикулы и цитоскелет развились не для создания внутренней организации будущей клетки, а как инструменты для удержания симбионтов. Нанотрубки — промежуточная стадия этого процесса, за которой последовало полное охватывание бактерии выростами хозяина и превращение ее в митохондрию. Сложная клетка — не случайный сбой, а закономерный итог адаптации к жизни в сообществе, где главным законом была взаимная зависимость.
