Новые данные указывают на то, что жизнь на Земле появилась на миллиард лет раньше, чем предполагалось ранее.

Новости МирТесен

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.

Эукариотические организмы обладают потенциалом для формирования полноценных многоклеточных структур и сложных организмов. Колонии, образуемые прокариотами, хотя и могут существовать, значительно проще по своей организации. Таким образом, возникновение эукариот стало ключевым этапом в эволюции всей жизни на Земле, ознаменовав собой переход от примитивных форм к сложным. Однако, когда именно это произошло и какой механизм этому предшествовал?

Авторы новой научной работы, которую они опубликовали в журнале Nature, для ответа на этот вопрос был применен метод перенастроенных молекулярных часов. Традиционный метод молекулярных часов определяет возраст генетических событий, основываясь на модели, предполагающей, что мутации при размножении 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 стремились выявить гены эукариот, несущие признаки дупликаций, произошедших в период формирования общего предка всех эукариот. В итоге 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, вариативность в последних оценках связана не с ошибками в датировке, а с тем, что характеристики современных эукариот у общего предка всех них формировались постепенно. Сначала, почти 2,9 миллиарда лет назад, возникли гены, определяющие наличие клеточного ядра. И лишь впоследствии, около 2,2 миллиарда лет назад, появились признаки удвоения генов, ассоциированных 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).

Теперь ситуация выглядит иначе: выяснилось, что предок эукариот обрёл ядро (и, как следствие, потенциал для значительного 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 произошёл именно 2,9 миллиарда лет назад? Согласно современным представлениям, жизнь возникла около четырёх миллиардов лет назад, всего через несколько сотен миллионов лет после формирования планеты.

Полученные сведения не только сдвигают время возникновения наиболее сложной линии жизни на Земле на миллиард лет в прошлое, что и само по себе является важным открытием. Они также скорректировали представление о порядке эволюции последнего универсального предка всех животных, растений и грибов.

До недавнего времени широко распространенной была «митохондриальная» гипотеза происхождения эукариот, согласно которой, в процессе фагоцитоза, эукариотические клетки поглощали внешние клетки, что привело к приобретению бактерий-симбионтов, из которых впоследствии сформировались митохондрии. Благодаря митохондриям эукариоты получили возможность использовать кислород в метаболических процессах – свойство, которое уже существовало у бактерий 2-3 миллиарда лет назад, но было недоступно эукариотам до момента 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.