Посреди Атлантического океана, между Гренландией и Норвегией, на глубине 2300 метров, есть черный курящий регион, в котором горячие воды извергаются из морского дна. Это странное место называется «замком Локи» в честь вероломного скандинавского бога Локи: Том Хиддлстон сыграл его в «Мстителях». Клетки животных и растений намного сложнее клеток бактерий. Но рядом с замком Локи живет микроб, не похожий на других. И он может объяснить, как эволюционировало все живое на земле.
В 2015 году группа ученых под руководством микробиолога Тайса Эттема из Университета Упсалы в Швеции сообщила, что обнаружила новый вид микроорганизмов. Они нашли генетические следы этого одноклеточного микроба в отложениях морского дна в 15 километрах от замка Локи.
В своей работе, опубликованной в журнале Nature, ученые назвали нового микроба Lokiarchaeota. Сокращенно — Локи.
Этот загадочный микроб оказался ближайшим живым родственником эукаритов, группы, включающей все сложные живые организмы; от растений и грибов до насекомых и людей. Это означает, что Локи может помочь нам понять, как эукариоты вообще появились. Другими словами, Локи может объяснить, почему люди — и все другие сложные организмы — вообще существуют.
Бога Локи считают «невероятно сложной, запутанной и амбивалентной фигурой». То же самое справедливо и для эукариот. Как эукариоты появились — это головоломка, которая продолжает смущать ученых по всему миру.
Еще несколько десятков лет назад биологи думали, что на этой планете было по существу два вида жизни: эукариоты и прокариоты. В то время как эукариоты включают в себя и одноклеточные организмы, и более сложные вроде грибов и шимпанзе, прокариоты все одноклеточные. Самые известные прокариоты — это бактерии.
Основное различие между прокариотами и эукариотами заключается в сложности клеток. Прокариоты — это простые клетки, с несколькими внутренними структурами, а клетки эукариотов намного более сложные. Эукариотические клетки также, как правило, больше, иногда в десятки раз, чем прокариотические.
Именно сложность эукариотических клеток и полученные дополнительные способности позволяют им формировать многоклеточную жизнь вроде нас с вами. Прокариоты на такое не способны. Поэтому если бы эукариоты никогда не сформировались, не было бы и нас.
Этот простой раскол между простым и сложным подразумевался десятилетиями, пока один ученый не показал, что не все так просто. В конце 1960-х годов американский микробиолог Карл Везе решил взглянуть на последовательности ДНК организмов, чтобы выяснить, в каком родстве они состоят.
Везе идентифицировал ген, который переносят все организмы, и сравнил различные версии его. Виды, которые имели более похожие версии этого гена, вероятно, были в тесном родстве. Таким образом, он составил семейное древо всех известных живых организмов.
Анализ Везе показал, что существует два вида прокариотов. Помимо бактерий, была также совершенно новая группа, которую он назвал «археи». Подобно бактериям, археи были одноклеточными организмами с относительно простыми клетками. Снаружи они были похожи на бактерии, но генетически сильно отличались. Археи были найдены по всему миру, и многие из них могут расти в экстремальных условиях вроде полукипящей воды.
Везе перерисовал древо жизни. Вместо двух доменов жизни, их было три: бактерии, археи и эукариоты. В 1977 году он опубликовал свои выводы в журнале PNAS. Они были настолько революционными, что даже попали на первую полосу New York Times.
Это все эукариоты, от кошек до деревьев
Идеи Везе также заложили для ученых основу для объяснения происхождения эукариотов. Эукариоты — это самый юный из трех доменов. В то время как возраст бактерий и архей может быть свыше 3 миллиардов лет, эукариоты появились порядка 2 миллиардов лет назад.
Но как и почему это произошло? Вышли эукариоты из архей или из бактерий? Почему клетки эукариотов стали такими большими и сложными, а других — нет?
Возможно, основную подсказку дает крошечная структура внутри эукариотических клеток под названием «митохондрия». Эти объекты в форме колбасок представляют собой источник энергии клетки; без них эукариотические клетки не могли бы расти до таких больших размеров.
За десять лет до того, как Везе опубликовал свое древо жизни, биолог Линн Маргулис задумался о том, что митохондрии произошли от бактерий. Каким-то образом эти бактерии оказались внутри других, более крупных клеток, в которых постепенно стали митохондриями. В 1978 году, годом спустя исследования Везе, идеи Маргулиса были подтверждены экспериментально.
Это означает, что первый эукариот должен был сформироваться, когда клетка-носитель поглотила бактерию. Как только это произошло, между ними установились длительные и взаимовыгодные отношения.
Но это поднимает очевидный вопрос. Какой была клетка-носитель? Была ли это другая бактерия или архея?
Простейший способ подойти к этому вопросу — это взять лист из книги Везе и посмотреть на гены эукариот. На чьи они больше похожи: архей или бактерий? Это может дать подсказку на тему группы, от которой они произошли. Но этот вопрос намного сложнее, чем вы могли бы подумать. Типичный геном эукариот содержит смесь генов бактерий и архей, а также генов, специфичных для эукариот.
В 2010 году стало весьма очевидно, что клетка-носитель была археей.
Но оставалась проблема. Ни одна из известных архей не была похожей на клетку-носитель, не была для этого приспособлена. Им не хватало генетической и клеточной структур, необходимых, чтобы выступить носителем для другой клетки.
«Открытие Локи изменило это», говорит Эттема.
Когда Локи был найден в 2015 году, его сразу же приписали к археям. Но он оказался археей, у которой было некоторое удивительное сходство с эукариотами.
«Это первая прокариота со строительными блоками эукариот», говорит Эттема. «Мы нашли батарею из 100 генов, непосредственно связанных с эукариотами».
В частности, в геноме Локи есть гены белков под названием малые ГТФазы. Они важны для формы и движения клеток. К примеру, у эукариотических клеток есть «скелет», поддерживающий их форму, и малые ГТФазы управляют этим скелетом. Они также регулируют наборы белков, которые позволяют мембранам изгибаться.
Митохондрии — источники энергии эукариотических клеток
Факт того, у Локи есть эти гены, говорит, что подобно эукариотам, у него есть внутренний скелет — и он может сгибать внешнюю мембрану, чтобы поглощать бактерию. Это делает его подходящей клеткой-носителем, ну или хотя бы близким ее подобием.
Возможно, Локи принадлежит группе архей, которым почти удалось стать эукариотами, но не до конца. Эттема в шутку называет его «неудавшейся эукариотой».
Казалось бы, история складывается весьма убедительно. Но есть одна большая проблема.
Все, что команда Эттемы нашла на дне океана, было фрагментами генов Локи. Они никогда не видели самого Локи и не сумели создать в лаборатории.
Поэтому мы не знаем, выполняют ли малые ГТФазы Локи те же функции, что и в эукариотах. Единственный способ выяснить это — это изучить живые клетки Локи.
Это будет трудно, даже если кому-то удастся найти несколько клеток Локи. Эти микробы живут в глубоком море, где питательных веществ не хватает, а микробы растут медленно.
Между тем другие ученые опираются на доказательства, полученные от Локи, чтобы уточнить наши идеи на тему происхождения эукариот.
Археи могут быть предками эукариот вроде нас
После открытия Локи клеточный биолог Базз Баум из Университетского колледжа Лондона в Великобритании и его команда сделали несколько предположений о том, как первые эукариоты могли появиться из более простых архей. В статье, опубликованной в июне 2016 года в Тенденциях в клеточной биологии, они изучили эукариот-подобные гены, найденные в геноме Локи, в частности и малые ГТФазы.
В эукариотах ГТФ-белки участвуют в передаче материала через мембрану в клетку. Каждая ГТФаза несете «липиды» для этого: небольшие молекулы жира, которые помогают прикрепить его к мембранам. Без этих липидных якорей, ГТФаза не сможет выполнять свою работу.
Геном Локи не имеет необходимых инструментов для добавления липидов к белкам ГТФазы. Это значит, что если Локи действительно демонстрирует нам, каким был предок эукариот, предок мог и не использовать свои ГТФазы таким образом. Эту способность нужно было каким-то образом приобрести.
Бактерии действительно несут вполне возможные прекурсоры добавляющей липиды инженерии. Следовательно, археи каким-то образом подобрали ферменты липидных модификаций у бактерий.
Баум утверждает, что это не могло произойти случайно. Если бы архея подхватила сразу так много новых генов, ее клеточные процессы были бы нарушены и наступила бы вероятная смерть.
Более вероятна возможность того, что археи и бактерии сначала образовали стабильное партнерство и затем постепенно передавали генетический материал и липиды понемногу за раз. Такое стабильное партнерство могло привести к развитию внутренних отсеков и управлению мембраной.
Клетки эукариот очень сложные
Другими словами, происхождение эукариот было медленным процессом. «Поглощение» бактерии, если оно и было, это всего лишь один шаг. У Баума также есть интересная идея того, как происходило это поглощение.
Классическое представление включат процесс «снаружи внутрь», в котором архейный носитель поглотил и «съел» бактерию, но по какой-то причине не переварил ее. Трудно понять, как это могло произойти: если архея съела кусочек пищи, почему не переварила?
Поэтому в 2014 году Баум и его коллега Дэвид Баум предложили альтернативу, которую назвали моделью «изнутри наружу». И снова, она была построена на допущении, что связывание двух клеток не было внезапным.
Бактерии можно найти повсюду на Земле
Баум предполагает, что архейный носитель сперва выпустил отростки в направлении бактерии. Эти выступы не были попыткой съесть бактерию: вместо этого, они позволили обмениваться материалами между двумя клетками.
В конце концов, архея создавала все больше и больше выступов, пока полностью не обволокла бактерию. Эти выступы из одной клетки слились с другой и образовали непрерывный внешний слой. На данный момент трудно сказать, верны ли идеи Баума. Но если Эттема сможет найти больше родственников Локи, мы могли бы получить достаточно информации, чтобы удостовериться.
За последние несколько месяцев, Эттема нашел новых родственников локи, тесно связанных с эукариотами. Работа пока еще сырая, но он уже говорит, что другие археи также обладают некоторыми из строительных блоков эукариот.
Пока сложно говорить, что эти странные микроорганизмы смогут рассказать нам о происхождении эукариот. Когда Локи или что-нибудь подобное будет наконец изолировано, мы сможем выяснить, как он живет и для чего использует свои эукариотоподобные белки. А это, в свою очередь, расскажет нам о микроорганизме, который в конечном счете дал жизнь всем нам.