Проблемы Эволюции |
Иллюстрированный доклад в Институте Биологии Развития, 29 января 2009г.
Доклад в Институте Биологии Развития, 29 января 2009 г)
Появление эукариот было важнейшим событием в развитии жизни, которое существенно изменило структуру биосферы и открыло принципиально новые возможности для прогрессивной эволюции.
Вначале – несколько слов о хронологии событий. Долгое время считалось, что большую часть своего существования (примерно до 1 млрд. лет назад) биосфера была преимущественно прокариотной. Потом появились данные, говорящие о том, что эукариоты могли появиться намного раньше.
В 1999 году в отложениях возрастом 2.7 млрд лет были найдены остатки мембранных стеролов, характерных для эукариот (Brocks et al., 1999). В течение девяти лет после этого открытия этот факт считался веским аргументом в пользу того, что 2,7 млрд лет назад эукаритоты уже существовали. Однако в октябре 2008 года появилось опровержение, причем один из авторов опровержения был и первым автором самого открытия. Оказалось, что эти стеролы, судя по всему, просочились в древние породы сверху, из более молодых отложений. На сегодняшний день представляется более вероятным, что эукариоты появились примерно 2 млрд лет назад или немного раньше. Из отложений этого возраста уже известны находки ископаемых эукариот. Хотя есть и более древние находки, которые некоторыми авторами трактуются как одноклеточные эукариоты, но это пока не общепризнано.
На этом слайде показана хронология важнейших этапов ранней эволюции биосферы в том виде, какой она представляется нам сегодня. Конечно, по поводу всех этих датировок продолжаются споры, но, тем не менее, данная картинка отражает некое подобие консенсуса, который существует на сегодняшний день.
Общепризнано, что эукариоты возникли в результате симбиоза нескольких видов прокариот. Предками митохондрий были альфапротеобактерии, предками пластид – цианобактерии. Гораздо труднее понять, кто был предком всего остального, то есть цитоплазмы и ядра. Нуклеоцитоплазма эукариот сочетает в себе признаки архей и бактерий, а также имеет множество уникальных особенностей, которых нет у современных прокариот.
Вначале несколько слов о митохондриях. Некоторые авторы считают, что именно приобретение митохондрий (а не ядра) было ключевым моментом в становлении эукариот (Vellai et al., 1998; Vellai, Vida, 1999). Совместное существование в пределах одной клетки двух разных геномов требовало развития эффективной системы их комплексной регуляции. Поэтому приобретение симбионтов могло стать важным стимулом в развитии ядра и генно-регуляторных систем (Марков, 2005). Важно, что у эукариот имеются ядерные гены, кодирующие цитоплазматические белки, но по последовательностям нуклеотидов близкие к генам протеобактерий (предков митохондрий). Это говорит о том, что митохондриальный симбионт сыграл более важную роль в формировании эукариотической клетки, чем ранее предполагалось. Многие изначально «митохондриальные» гены были адаптированы для выполнения функций в ядре и цитоплазме (Roger, 1999; Gabaldon, Huynen, 2003).
Предком митохондрий были альфапротеобактерии. Какие именно – этот вопрос остается дискуссионным. Некоторые сближают предка митохондрий с риккетсиевыми (Andersson et al., 1998; Emelyanov, 2003). Недавно было показано, что митохондриальный геном дрожжей наиболее близок к геному пурпурной альфапротеобактерии Rhodospirillum rubrum (Esser et al., 2004). Родоспириллум – удивительный микроорганизм, который может жить и за счет фотосинтеза, в том числе и в анаэробных условиях, и как аэробный гетеротроф, и даже как аэробный хемоавтотроф. Он может, например, расти за счет окисления угарного газа СО, не используя никаких других источников энергии. Вдобавок ко всему этому, он умеет еще и фиксировать атмосферный азот. То есть это в высшей степени универсальный, эврибионтный организм.
Главная функция митохондрий – кислородное дыхание. Скорее всего, стимулом для объединения анаэробного предка нуклеоцитоплазмы с «протомитохондрией» была необходимость защититься от токсического действия кислорода (Gupta, 1998; Kurland, Andersson, 2000; Dolan et al., 2002).
Откуда взялись у бактерий, и в том числе у альфапротеобактерий, молекулярные системы, необходимые для кислородного дыхания? Похоже на то, что в их основу были положены другие молекулярные системы, изначально служившие для фотосинтеза. Электронно-транспортная цепь, сформировавшаяся у бактерий как часть фотосинтетического аппарата, была адаптирована для кислородного дыхания. У некоторых бактерий до сих пор некоторые участки электронно-транспортных цепей используются одновременно и в фотосинтезе, и в дыхании. Поэтому скорее всего предками митохондрий были аэробные гетеротрофные альфапротеобактерии, которые, в свою очередь, произошли от фотосинтезирующих альфапротеобактерий, таких как родоспириллум.
Вскоре после перехода предков митохондрий к эндосимбиозу многие из их генов была перенесена в ядро, где они попали под контроль ядерно-цитоплазматических регуляторных систем. Гены переносились целыми крупными блоками (Martin, 2003).
Появление эукариот скорее всего было результатом длительного развития интеграционных процессов в микробном сообществе. В ходе совместной эволюции между будущими компонентами эукариотической клетки складывалась сложная система связей. Молекулярные механизмы, которые поддерживали эти связи и обеспечивали взаимодействие членов сообщества, могли сыграть важную роль в последующем объединении нескольких прокариот в единую клетку. Эти механизмы могли лечь в основу тех регуляторных систем эукариотической клетки, которые обеспечивают согласованную работу ее частей. То есть симбиотический сверхорганизм, такой как эукариотическая клетка – это как бы целая маленькая экосистема, в которой синэкологические взаимодействия перенесены внутрь организма и превратились в систему внутренней регуляции.
Мы с Алексеем Куликовым проанализировали распространение белковых доменов, или семейств белков, в трех надцарствах: археи, бактерии и эукариоты. 4,5 тысячи белковых доменов, которые есть у эукариот, можно разделить на 4 группы: 1) имеющиеся только у эукариот, 2) общие для всех трех надцарств, 3) общие для эукариот и бактерий, но отсутствующие у архей; 4) общие для эукариот и архей, но отсутствующие у бактерий.
Мы рассмотрим две последние группы (они на рисунке выделены цветом), поскольку для этих белков можно с определенной уверенностью говорить об их происхождении: соответственно бактериальном или архейном.
Ключевой момент здесь состоит в том, что эукариотические домены, предположительно унаследованные от бактерий и от архей, имеют существенно разные функции.
Домены, унаследованные от архей (их функциональный спектр показан на левом графике), играют ключевую роль в жизни эукариотической клетки. Среди них преобладают домены, связанные с хранением, воспроизведением, организацией и считыванием генетической информации.
Сигнально-регуляторных доменов сравнительно немного, но среди них – несколько ключевых регуляторов транскрипции общего назначения. Почти нет в этой группе метаболических доменов.
Представляют интерес 6 доменов, связанных с посттранскрипционными модификациями тРНК. Химические изменения, вносимые специальными ферментами в нуклеотиды тРНК, являются одним из важнейших средств адаптации к высоким температурам (они позволяют тРНК сохранять правильную структуру при нагревании). Показано, что число измененных нуклеотидов в тРНК термофильных архей растет при повышении температуры (Noon et al., 2003). Сохранение этих архейных доменов у эукариот, возможно, указывает на то, что там где жили, первые эукариоты, было довольно горячо, или же температурные условия были нестабильны и существовала опасность перегрева, что характерно для мелководных местообитаний.
Особо следует отметить эукариотные домены «архейного происхождения», связанные с мембранными пузырьками. К ним относится домен Adaptin N, связанный у эукариот с эндоцитозом; Aromatic-di-Alanine (AdAR) repeat (PF02071), у эукариот участвующий в процессе слияния мембранных пузырьков с цитоплазматической мембраной и обнаруженный у двух видов архей из рода Pyrococcus; Syntaxin, у эукариот регулирующий присоединение внутриклеточных мембранных пузырьков к пресинаптической мембране нейронов и обнаруженный у аэробных архей рода Aeropyrum. Среди «доменов бактериального происхождения» белки с такими функциями отсутствуют. Домены, управляющие слиянием мембран и образованием пузырьков, могли сыграть важную роль в становлении эукариот, поскольку они создают базу для развития фагоцитоза, а также для слияния клеток (копуляции) и образования внутриклеточных мембранных структур, таких как эндоплазматический ретикулум (ЭР). ЭР эукариот, согласно одной из гипотез, имеет архебактериальное происхождение (Dolan et al., 2002). Предположение основывается на сходстве синтеза N-связанных гликанов в ЭР с определенными этапами формирования клеточной стенки у архей (Helenius, Aebi, 2001).
Очень важен тот факт, что подавляющее большинство "архейных" доменов относится к тем функциональным группам, в пределах которых горизонтальный обмен генами у прокариот происходит реже всего. Скорее всего, эукариоты могли получить этот комплекс лишь путем прямого наследования от архей, или от общего предка с современными археями.
Среди доменов бактериального происхождения тоже есть белки, связанные с информационными процессами, но их доля невелика. И самое главное, большинство из них работает только в митохондриях или пластидах. Например, все эукариотические рибосомные белки бактериального происхождения (их 24) присутствуют только в рибосомах митохондрий и пластид. Напротив, все 28 доменов рибосомных белков архейного происхождения присутствуют в цитоплазматических рибосомах эукариот.
Аналогичная ситуация и с доменами РНК-полимераз. среди эукариотных доменов архейного происхождения присутствует 7 доменов ДНК-зависимых РНК-полимераз, тогда как в бактериальной группе таких доменов только два, причем один из них связан с транскрипцией митохондриальной ДНК, а второй – пластидной.
Среди бактериальных доменов эукариот значительно выше доля сигнально-регуляторных белков. Однако, если в архейной группе доменов отмечены базовые регуляторы транскрипции общего назначения, то в бактериальной группе преобладают домены, ответственные за конкретные механизмы реагирования клетки на факторы внешней среды. Эти домены, так сказать, определяют «экологию клетки». Сюда относятся всевозможные рецепторы и защитные белки, а также белки, которые у бактерий отвечают за взаимодействие с другими членами сообщества. У эукариот эти белки участвуют, например, в межклеточных взаимодействиях, обеспечивая целостность многоклеточного организма. Например, MAC/Perforin domain – компонент комплекса «мембранной атаки», вызывающего разрушение мембраны атакуемой клетки. У эукариот он функционирует в Т-лимфоцитах; у патогенных бактерий служит для проникновения в клетки хозяина. Сюда же можно отнести и транспортные домены. В мире прокариот они играют первостепенную роль во взаимодействии клетки с внешней средой, в том числе и в обеспечении экологических связей. У эукариот они отвечают, помимо прочего, за взаимодействие клеточных компонентов и за обмен сигналами между нуклеоцитоплазмой и органеллами.
Сохранение у эукариот многих бактериальных доменов «экологического» характера говорит о том, что, вероятно, многие интегрирующие механизмы, обеспечивающие целостность и согласованную работу частей эукариотической клетки, начали развиваться задолго до того, как эти части реально объединились под одной клеточной мембраной. Изначально они формировались как механизмы, обеспечивающие целостность микробного сообщества
Эукариоты унаследовали от бактерий много метаболических доменов. Многие из них связаны с фотосинтезом и кислородным дыханием. Это не удивительно, поскольку то и другое было получено эукариотами вместе с бактериальным эндосимбионтами – предками пластид и митохондрий.
Кроме того, эукариоты унаследовали именно от бактерий, а не от архей, домены, связанные с микроаэрофильным метаболизмом цитоплазмы и с защитой от токсического действия кислорода, многие домены метаболизма углеводов, белки-предшественники ключевых ферментов синтеза стеролов и, по-видимому, некоторые предшественники белков цитокселета.
Например, белки, очень похожие на эукариотические тубулины, были найдены недавно у бактерий рода Prosthecobacter (Jenkins et al., 2002). Некоторые белки, важные для формирования цитоскелета, эукариоты могли унаследовать от архей. Например, белок префолдин участвует в биогенезе актина; гомологичные белки имеются у многих архей, а у бактерий их нет. Что касается самого актина, то явных гомологов у прокариот пока не обнаружено. Однако и у бактерий, и у архей известны белки MreB/Mbl, похожие на актин по своим свойствам (способности к полимеризации и формированию филаментов) и третичной структуре (Ent et al., 2001; Mayer, 2003). Эти белки служат для поддержания палочковидной формы клетки (у коккоидных форм они не встречаются), образуя нечто вроде «прокариотического цитоскелета». Сходство первичной структуры этих прокариотических белков с актином довольно слабое, но у архейных белков оно несколько выше, чем у бактериальных.
В 2007 году был расшифрован один из механизмов скользящего движения у бактерии Myxococcus. Оказалось, что в движении участвуют особые белковые конструкции, состоящие из белков, сходных с актином и миозином эукариот. (Tвm Mignot, Joshua W. Shaevitz, Patricia L. Hartzell, David R. Zusman. Evidence That Focal Adhesion Complexes Power Bacterial Gliding Motility // Science. 2007. V. 315. P. 853–856.)
НЕ ВСЕ БАКТЕРИАЛЬНЫЕ ДОМЕНЫ - ОТ ЭНДОСИМБИОНТОВ
Нуклеоцитоплазма эукариот, по-видимому, представляет собой химерное образование. Ее центральные блоки имеют преимущественно архейное происхождение, а значительная часть «периферии» - бактериальное. Как могло такое получиться? Самое простое объяснение состоит в том, что все бактериальные элементы нуклеоцитоплазмы происходят от эндосимбионтов – митохондрий и пластид, многие гены которых действительно переместились в ядро, а белки, ими кодируемые, стали работать в цитоплазме.
Однако, как выяснилось, в нуклеоцитоплазме присутствует довольно много «бактериальных» доменов, не характерных ни для цианобактерий (предков пластид), ни для альфапротеобактерий (предков митохондрий). Мы насчитали около 230 таких доменов, которые, по-видимому, не могли быть получены эукариотами от эндосимбионтов.
Здесь показаны функциональные спектры двух групп эукариотических доменов бактериального происхождения: тех, которые могли быть унаследованы от эндосимбионтов, и тех, которые, по-видимому, были заимствованы у других бактерий.
Среди доменов второй группы резко повышена доля сигнально-регуляторных белков. Сюда относятся и многие домены «экологического» характера, то есть такие, которые у прокариот отвечали за взаимоотношения клетки с внешней средой и с другими членами сообщества, а у эукариот стали участвовать в регуляции взаимодействия частей организма.
Среди метаболических доменов второй группы больше всего белков, связанных с обменом углеводов в цитоплазме. По-видимому, важнейшие цитоплазматические ферментные системы метаболизма углеводов (включая гликолиз), были получены прото-эукариотами не от эндосимбионтов, а от других бактерий. То же самое относится и к доменам метаболизма стероидов, а также к некоторым возможным предшественникам белков цитоскелета.
КТО ЖЕ БЫЛ ПРЕДКОМ НУКЛЕОЦИТОПЛАЗМЫ?
Если протоэукариоты получили целый ряд генов от каких-то бактерий, не родственных предкам митохондрий и пластид, то когда это произошло: до приобретения органелл или после? Логика подсказывает, что многие из этих событий произошли до приобретения митохондрий. Дело в том, что многие из этих белков, очевидно, были необходимы прото-эукариотам для того, чтобы они смогли приобрести эндосимбионтов. Это и домены, связанные с эластичностью мембран (ферменты синтеза стеролов), и предшественники белков цитоскелета (они необходимы для фагоцитоза), и ферменты метаболизма углеводов (поскольку благодаря им метаболизм нуклеоцитоплазмы становится комплементарным метаболизму митохондрий), и, наконец, сигнально-регуляторные белки "экологического" характера (поскольку прото-эукариоты, прежде чем приобрести эндосимбионтов, очевидно, жили с ними в одном сообществе и должны были эффективно взаимодействовать со своим биотическим окружением). Большинство белков из этих функциональных групп были приобретены прото-эукариотами от бактерий, не родственных будущим эндосимбионтам.
Надо сказать, что набор доменов нуклеоцитоплазмы, имеющих бактериальное, но не эндосимбиотическое происхождение, не позволяет однозначно указать на какую-то одну группу бактерий как на их общий источник. По-видимому, прото-эукариоты заимствовали генные комплексы у многих бактерий, в основном у различных бродильщиков.
Похоже на то, что архея, ставшая основой нуклеоцитоплазмы эукариот, на каком-то этапе приобрела аномально высокую способность к инкорпорации чужого генетического материала.
У прокариот в принципе есть системы защиты от обмена генетическим материалом с неродственными формами, такие как система рестрикции-модификации. У эукариот есть другие механизмы генетической изоляции, связанные с половым размножением. Мы предполагаем, что в эволюции прото-эукариот был период, когда старые изолирующие барьеры ослабли, а новые еще не сложились. В этот период прото-эукариоты представляли собой дестабилизированные штаммы с резко ослабленными механизмами генетической изоляции. У них, по-видимому, поэтапно развивались дополнительные механизмы, обеспечивавшие более интенсивную и управляемую рекомбинацию. Можно предположить несколько таких механизмов:
1) Способность перфорировать оболочки других прокариот и высасывать из них содержимое (отголоском этого могут быть эукариотические домены бактериального происхождения, связанные с перфорированием мембран, например, уже упоминавшийся MAC/Perforin domain);
2) Развитие новых форм обмена генами между родственными клетками (возможно, это было образование цитоплазматических мостиков между клетками или даже их слияние – то есть копуляция). С этим могла быть связана «замена» архейных мембран на бактериальные и появление мембранных стеролов.
3) Фагоцитоз мог развиться как дальнейшее усовершенствование хищничества на основе новой структуры мембран.
4) Переход от кольцевой хромосомы к нескольким линейным мог быть связан с активизацией рекомбинационных процессов.
5) Развитие на основе единственной архейной РНК-полимеразы трех типов эукариотических РНК-полимераз, отвечающих за считывание разных групп генов, могло быть обусловлено необходимостью поддержания целостности нестабильного химерного генома. Сюда же можно отнести и появление механизма сплайсинга.
6) Аналогичными потребностями могло быть обусловлено и появление ядерной оболочки. Возможно, она сначала работала как фильтр, помогающий ограничить и упорядочить поток генов из цитоплазмы, куда попадали захваченные путем фагоцитоза чужеродные клетки.
Конечно, всё это лишь предположения. Но любопытно, что важнейшие отличительные особенности эукариот (структура мембран, фагоцитоз, линейные хромосомы, дифференцированные РНК-полимеразы, ядерная оболочка, сплайсинг) могут быть объяснены с позиций предлагаемой модели, т.е. как возникшие в связи с активизацией генетического обмена у прото-эукариот. Стоит отметить, что инкорпорация пластидных и митохондриальных генов в ядерный геном подтверждает наличие у древних эукариот соответствующих механизмов.
Недавно была высказана гипотеза о происхождении интронов эукариот в реузльтате быстрого размножения МГЭ. Это хорошо согласуется с нашей гипотезой о том, что в ранней эволюции эукариот был период резкого ослабления контроля целостности генома. Именно тогда МГЭ и смогли какое-то время безудержно размножаться.
Реконструировать в деталях биологию прото-эукариот крайне трудно. Совершенно очевидно, что та группа древних прокариот, которая дала начало нуклеоцитоплазме, обладала рядом уникальных особенностей, которых нет у прокариот, доживших до наших дней. И когда мы пытаемся реконструировать облик этого вымершего предка, мы сталкиваемся с тем, что простор для гипотез оказывается слишком большим. Поэтому и существует так много версий и сценариев появления ядра, цитоскелета, ЭР и других отличительных черт эукариот. И новые версии продолжают появляться.
В качестве маленького отступления я хочу привести такую аналогию. Сейчас почти общепризнано, что птицы произошли от динозавров, причем не от каких-то неизвестных динозавров, а от вполне определенной группы – манирапторых динозавров, которые относятся к тероподам, а тероподы в свою очередь – это одна из групп ящеротазовых динозавров. Палеонтологи нашли множество переходных форм между нелетающими манирапторными динозаврами и птицами. Но что бы мы могли сказать о предках птиц, если бы ископаемой летописи не было?
В лучшем случае мы бы выяснили, что ближайшими родственниками птиц являются крокодилы. Но смогли бы мы воссоздать облик прямых предков птиц, то есть динозавров? Боюсь, что это было бы очень трудно. Но именно в таком положении мы и находимся, когда пытаемся восстановить облик предка ядра и цитоплазмы эукариот. Ясно, что это была группа неких прокариотических динозавров, причем группа вымершая и не оставившая, в отличие от настоящих динозавров, никаких внятных следов в геологической летописи. Современные археи по отношению к эукариотам – это как современные крокодилы по отношению к птицам. Попробуйте восстановить строение динозавров, зная только птиц и крокодилов.
Поэтому мы можем говорить только о разных гипотетических сценариях, причем необходимо помнить, что надежных средств для сравнения вероятности разных сценариев, в общем-то нет.
Я расскажу о том сценарии, который нам с Алексеем Куликовым показался наиболее правдоподобным на основе наших результатов.
РЕКОНСТРУКЦИЯ ПРОЦЕССА СТАНОВЛЕНИЯ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ
Представляется, что основные этапы формирования эукариотической клетки должны были происходить в сложном микробном сообществе. Как могло быть устроено такое сообщество и какие события могли привести к появлению эукариот? Наша реконструкция показана на этом слайде.
Гипотетическое «предковое сообщество» эукариот состояло из трех слоев. В верхнем жили предки цианобактерий, использовавшие для фотосинтеза короткие световые волны. Изначально донором электронов служила не вода, а сероводород. В качестве побочного продукта выделялись продукты окисления сероводорода (сера и сульфаты).
Во втором слое обитали пурпурные фотосинтезирующие бактерии, в том числе – альфапротеобактерии, предки митохондрий. Пурпурные бактерии используют свет с длиной волны более 750нм (в основном красный и инфракрасный). Эти волны обладают лучшей проникающей способностью, поэтому они легко проходили сквозь слой цианобактерий. Пурпурные бактерии и сейчас обычно живут в водоемах под слоем аэробных фотосинтетиков (Федоров, 1964). Пурпурные альфапротеобактерии обычно используют в качестве донора электрона сероводород, окисляя его до сульфата (причем молекулярного кислорода для этого не требуется).
В третьем слое обитали нефотосинтезирующие бактерии и археи. Среди них могли быть разнообразные бактерии-бродильщики, перерабатывающие органику; некоторые из них в качестве отходов выделяли водород. Это создавало базу для сульфатредуцирующих бактерий и архей (они восстанавливают сульфаты до сульфидов при помощи водорода и потому являются полезным «дополнением» к сообществу бескислородных фотосинтетиков, которым необходим сульфид). Там могли быть и метаногенные археи, которые восстанавливают углекислоту до метана. Среди обитавших здесь архей были и предки нуклеоцитоплазмы.
Начало кризисным событиям положил переход цианобактерий к кислородному фотосинтезу. Суть преобразования заключалась в том, что в качестве донора электрона цианобактерии начали использовать вместо сероводорода обычную воду (Федоров, 1964). Переход к использованию такого неограниченного ресурса, как вода, открывал перед цианобактериями большие возможности, но имел и негативные последствия. Вместо серы и сульфатов при фотосинтезе стал выделяться кислород – вещество крайне токсичное для всех древних обитателей земли.
Первыми с этим ядом столкнулись его производители – цианобактерии. Они же, вероятно, первыми стали вырабатывать средства защиты от него. Электронно-транспортные цепи, служившие для фотосинтеза, были модифицированы и начали служить для аэробного дыхания. Изначальная цель, видимо, заключалась не в получении энергии, а только в нейтрализации кислорода.
Вскоре и обитателям второго слоя сообщества – пурпурным бактериям – пришлось вырабатывать аналогичные системы защиты. Так же, как и цианобактерии, они сформировали системы аэробного дыхания на основе фотосинтетических систем. Именно у пурпурных альфапротеобактерий развилась наиболее совершенная дыхательная цепь, которая ныне функционирует в митохондриях всех эукариот. По-видимому, в этой же группе впервые сформировался замкнутый цикл трикарбоновых кислот – наиболее эффективный метаболический путь полного окисления органики. У пурпурных бактерий фотосинтез и дыхание представляют собой альтернативные варианты энергетического метаболизма, обычно работающие в противофазе. В анаэробных условиях они фотосинтезируют, а в присутствии кислорода синтез бактериохлорофиллов и ферментов цикла Кальвина подавляется, и клетки переключаются на дыхание. Механизмы этого «переключения» могли развиться уже в рассматриваемую эпоху.
В третьем слое сообщества появление свободного кислорода должно было вызвать кризис. Метаногены и многие сульфатредукторы, утилизирующие молекулярный водород при помощи ферментов-гидрогеназ, не могут жить в аэробных условиях, поскольку кислород ингибирует гидрогеназы. Многие бактерии, выделяющие водород, в свою очередь, не растут в среде, где нет микроорганизмов, его утилизирующих (Заварзин, 1993). Из бродильщиков в составе сообщества, по-видимому, остались формы, выделяющие в качестве конечных продуктов низкоорганические соединения (пируват, лактат, ацетат и т.п.). Эти бродильщики выработали средства защиты от кислорода и превратились в факультативных анаэробов или микроаэрофилов. К числу выживших относились и археи – предки ядра и цитоплазмы эукариот. Каким бы ни был изначально их метаболизм, в новых условиях он был непригоден и вскоре был полностью заменен, так что у современных эукариот не осталось никаких его следов. Возможно, изначально они были метаногенами, но лишь очень косвенные признаки на это указывают.
Именно в этот кризисный момент и произошло, как мы думаем, ключевое событие – ослабление генетической изоляции у прото-эукариот и начало активного заимствования чужих генов. Прото-эукариоты (возможно, перешедшие к активному хищничеству) инкорпорировали генные комплексы разных бродильщиков до тех пор, пока не стали сами микроаэрофильными бродильщиками, сбраживающими углеводы до пирувата и молочной кислоты. В этот период у прото-эукариот, по-видимому, сменились мембраны (с «архейных», содержащих эфиры терпеноидных кислот, на «бактериальные», основанные на эфирах жирных кислот), появились мембранные стеролы и зачатки цитоскелета. Это создавало предпосылки для развития фагоцитоза и приобретения эндосимбионтов.
Итак, обитатели третьего слоя - микроаэрофильные, способные к фагоцитозу, гетеротрофные прото-эукариоты – теперь непосредственно контактировали с новыми обитателями второго слоя – аэробными альфапротеобактериями, которые научились использовать кислород для получения энергии. Метаболизм прото-эукариот и альфапротеобактерий стал взаимодополнительным, что создавало предпосылки для симбиоза. Да и само топографическое расположение альфапротеобактерий в сообществе (между верхним, выделяющим кислород, и нижним микроаэрофильным слоем) предопределяло их роль как «защитников» прото-эукариот от избытков кислорода.
Вероятно, прото-эукариоты заглатывали и приобретали в качестве эндосимбионтов многих разных бактерий. Активное экспериментирование такого рода и сейчас продолжается у одноклеточных эукариот, обладающих огромным разнообразием внутриклеточных симбионтов (Duval, Margulis, 1995; Bernhard et al., 2000). Из всех этих экспериментов союз с аэробными альфапротеобактериями оказался наиболее удачным и открыл перед новыми симбиотическими организмами огромные эволюционные перспективы.
В первое время после приобретения митохондрий шел массированный перенос генов эндосимбионтов в центральный геном (Dyall et al., 2004). В основе этого, очевидно, лежали те механизмы инкорпорации чужих генов, которые сложились у прото-эукариот ранее. По последним данным, перенос митохондриальных генов в ядерный геном мог происходить целыми большими блоками (Martin, 2003), т.е. именно так, как, по нашим предположениям, происходило заимствование чужих генов прото-эукариотами еще до приобретения митохондрий.
Кстати, модельные эксперименты, которыми я сейчас занимаюсь, показывают, что в полиморфных микробных популяциях активное заимствование чужих генов может оказаться чрезвычайно выигрышной стратегией для микробов, оказавшихся в стрессовой ситуации: при определенных улсовиях это может быть гораздо выгоднее, чем, например, повышение темпов мутирования.
От архей эукариоты унаследовали многие компоненты информационных систем нуклеоцитоплазмы. Бактериальные эндосимбионты внесли большой вклад в формирование метаболических и сигнально-регуляторных систем не только в органеллах, но и в цитоплазме. Однако еще до приобретения эндосимбионтов прото-эукариоты заимствовали у разных бактерий ряд генных комплексов с метаболическими и сигнально-регуляторными функциями. По-видимому, в эволюции прото-эукариот был период ослабления изоляционных барьеров. В это время происходила активная инкопрорация чужих генов. В роли «спускового крючка» цепочки событий, приведших к появлению эукариот, выступил кризис микробных сообществ, вызванный переходом цианобактерий к кислородному фотосинтезу.
• «Эукариотоподобные» микрофоссилии, описанные из отложений возрастом 2.9 — 3.0 млрд. лет (Тимофеев, 1982).
Хронология (по: Федонкин, 2006)
• Гидросфера:
1) вулканиты с признаками подводного излияния в юго-западной части Гренландии, возраст которых 3,7 -3,85 млрд. лет
2) гнейсы с признаками водно-осадочной природы (3,8-4,05 млрд. лет) в Северо-Западной Канаде
3) кристаллы циркона (4,4 млрд. лет) с изотопно-геохимическими признаками формирования в условиях низкотемпературного гранитоидного вулканизма в присутствии воды, обнаруженные в Западной Австралии
• Жизнь, фотосинтез:
Самым ранним свидетельством жизни считается облегченный изотопный состав углерода из графитовых включений в кристаллах апатита в архейских толщах комплекса Исуа (3,8 млрд. лет) в Гренландии. Однако не исключено и абиогенное происхождение этих толщ.
Изотопный состав углерода из рассеянных зерен графита в толще метаморфизованных сланцев (3,7 млрд. лет) в юго-западной части Гренландии также допускает предположение о биологическом фракционировании, возможно, через фотосинтез. Этот результат представляется более надежным.
• Микробные сообщества:
3550 млн лет назад – первые строматолиты. Раннеархейские окремненные микрофоссилии, сопутствующие строматолитам, по форме, размеру и палеоэкологическим обстановкам напоминают некоторых гетеротрофных бактерий и цианобактерий. Но это, скорее всего, были не цианобактерии, а аноксигенные фототрофные прокариоты, такие как нитчатые и одноклеточные зеленые бактерии и пурпурные бактерии. Именно они, по-видимому, формировали древнейшие бактериальные маты.
• Оксигенный фотосинтез:
Достоверными древнейшими свидетельствами присутствия свободного кислорода в атмосфере являются низкие значения δ13C орг. в керогенах, возраст которых составляет 2.8-2.5 млрд. лет. Высокую степень фракционирования изотопов углерода связывают с возможной активностью метанотрофных бактерий, которая требует как метана, так и кислорода. На присутствие кислорода в гидросфере позднего архея указывают широкое развитие в это время углеродистых толщ (что предполагает оксигенизацию среды по мере захоронения углерода) и другие геологические факты.
Появление цианобактерий по молекулярным часам: не ранее 2.7 млрд лет. Несомненные остатки цианобактерий описаны из надсерии Трансвааль (2550-2520 млн. лет) Южной Африки, хотя вероятные остатки этой группы прокариот встречены в более древних толщах серии Фортескью (2.76-2.69 млрд. лет), Западной Австралия. Древнейшие палеобиохимические свидетельства существования цианобактерий — биомаркеры диметил-гопаны, извлеченные из рассеянного органического вещества сланцев серии Хамерсли и Фортескью (2.77-2.8 млрд. лет) Западной Австралии (опровергнуто в 2008 г.).
• Накопление кислорода
Первый эпизод существенного повышения концентрации свободного кислорода в древней атмосфере – околорубежа архея и проторезоя, 2,5 млрд лет назад. Второй эпизод – в раннем протерозое около 2 млрд. лет назад. С ним связывают формирование крупнейших месторождений марганцевых, урановых и железных руд.
• Эукариоты
1) Биомаркеры 2.7 млрд лет (опровергнуто в 2008 г.)
2) По молекулярным часам: 2.7 млрд лет или ранее.
2) К наиболее ранним эукариотным организмам относят макроскопические углеродистые ленты из района оз. Верхнего (возраст 1.87 млрд. лет), в частности спиралевидные Grypania. В близких по возрасту (1.85-1.62 млрд. лет) отложениях Китая найдены крупные (до 250 мкм) акритархи и различные по форме макроскопические углеродистые пленки, которые трактуются как остатки эукариот.