Животные, растения и грибы – группы организмов, родственные друг другу и характеризующиеся однородной структурой клеток, отличной от строения других известных форм жизни. Ранее исследователи полагали, что предок этих трех царств возник не позднее двух миллиардов лет назад, и его появление стало результатом симбиотических отношений с бактериями, поглощенными им. Свежие сведения, полученные генетиками, указывают на то, что это значительное событие развилось иным образом.
Живые организмы подразделяют на прокариоты, не имеющие клеточного ядра, и эукариоты, к которым относится человек. У эукариот практически все клетки содержат ядро – мембранно-ограниченную структуру, в которой сосредоточена плотно упакованная молекула ДНК. Наличие ядра предоставляет существенные преимущества: ДНК, содержащаяся в ядре, может быть значительно больше по сравнению с прокариотической. Так, в ядрах клеток человека, несмотря на небольшой размер (несколько микрометров в диаметре), содержится ДНК, общая длина двух цепочек которого при выпрямлении составит около двух метров. В то время как средняя длина ДНК у бактерий и архей (двух групп прокариот) обычно не превышает пары миллиметров, что в тысячу раз меньше.
В связи с этим, эукариоты обладают потенциалом для формирования полноценных многоклеточных организмов, способных к сложной организации. Прокариоты, несмотря на возможность образования колоний, демонстрируют значительно более простую структуру. Поэтому возникновение эукариот стало ключевым этапом в эволюции земной биосферы: произошло резкое изменение от элементарной простоты к сложной организации. Но когда это случилось и каким образом?
Авторы новой научной работы, которую они опубликовали в журнале Nature, для получения ответа на этот вопрос был применен метод перенастроенных молекулярных часов. Традиционный подход к определению возраста генетических событий с использованием молекулярных часов предполагает, что мутации, возникающие при репликации, влияют на генетические характеристики организма с постоянной скоростью.
Молекулярные часы, подвергшиеся перенастройке, представляют собой альтернативную модель эволюции, учитывающую различную скорость накопления генетических изменений у разных групп организмов. Так, вирус гриппа или ВИЧ претерпевает эволюционные изменения значительно быстрее, чем другие вирусы, а они, в свою очередь, эволюционируют быстрее многоклеточных организмов.
Используя данный подход, исследователи выявляли гены эукариот, несущие признаки дупликаций, относящиеся к моменту зарождения общего предка всех эукариот. В результате ученые сделали вывод о том, что это событие произошло значительно раньше, чем предполагалось ранее: не 1,5-2 миллиарда лет назад, а 2,2-2,9 миллиарда лет назад. При этом, диапазон в последних значениях объясняется не ошибками в определении возраста, а тем, что характеристики современных эукариот постепенно формировались у их общего предка. Сначала, почти 2,9 миллиарда лет назад, возникли гены, определяющие наличие клеточного ядра. И лишь впоследствии, около 2,2 миллиарда лет назад, были обнаружены признаки дупликации генов, связанных с митохондриями.
Почему это имеет значение? До 2,4 миллиарда лет назад атмосфера Земли практически не содержала кислорода. Исторически, гипотезы о возникновении эукариот основывались на предположении, что появление кислородной среды послужило катализатором этого процесса. Наличие в воздухе мощного окислителя способно значительно ускорить метаболизм живых организмов. Считалось закономерным, что более энергетически насыщенная среда способствовала увеличению длины ДНК в тысячи раз (общий объем клеток эукариот значительно больше, чем у бактерий и архей).
В настоящее время ситуация выглядит иначе: выяснилось, что предок эукариот обзавелся ядром (и потенциалом для существенного генетического усложнения) за полмиллиарда лет до того, как атмосфера стала содержать хотя бы небольшое количество кислорода. Если недостаток кислорода не препятствовал этому процессу, то почему он произошел именно 2,9 миллиарда лет назад? Ведь, согласно современным научным представлениям, жизнь возникла около четырех миллиардов лет назад, всего через несколько сотен миллионов лет после формирования планеты.
Полученные сведения не только сдвигают время возникновения наиболее развитой линии жизни на Земле на миллиард лет в прошлое, что уже является весьма существенным фактом. Они также скорректировали порядок эволюции последнего универсального предка всех животных, растений и грибов.
Ранее широко распространена была «митохондриальная» гипотеза, объясняющая возникновение эукариот: в результате поглощения других клеток (фагоцитоза) эукариоты получили бактерии-симбионты, которые впоследствии сформировали митохондрии в наших клетках. Благодаря митохондриям эукариоты получили возможность использовать кислород в процессе метаболизма – такую особенность, которая существовала у бактерий уже 2-3 миллиарда лет назад, но была недоступна эукариотам до их симбиотического слияния с бактериями.
Митохондрии сыграли ключевую роль в эволюционном развитии живых организмов: они преобразуют АТФ, основной источник энергии для сложных организмов, значительно эффективнее, чем клетки способны делать это самостоятельно, без участия митохондрий.
Сейчас ситуация выглядит иначе: эукариоты не приобрели митохондрий в качестве симбионтов, а затем уже сформировали клеточное ядро, которое позволило создавать сложные организмы с протяженной ДНК. Напротив, сначала появилось клеточное ядро, и лишь спустя сотни миллионов лет произошел захват бактерий, предоставивших возможность повысить энергоэффективность.
Согласно новому исследованию, предполагаемым предком эукариот является архея – одноклеточный организм, лишенный ядра, подобно бактериям. Однако, в биохимическом плане археи существенно отличаются от бактерий. Они не используют другие археи в качестве паразитов и получают энергию благодаря окислительно-восстановительным химическим процессам. Некоторые из них используют солнечный свет в качестве источника энергии, но, в отличие от бактерий или растений, при этом не производят кислород.
Представители архей, являющиеся нашими предками, обладали более сложной организацией, чем современные археи. Их потенциал, в сочетании со способностью бактерий использовать кислород (что выразилось в появлении митохондрий), сделал их более эффективными в условиях кислородной среды.