Все те, що ми сьогодні називаємо людським, було передбачене неживою матерією. Книга еволюційного біолога Миколи Кукушкіна "Хлопок однією долонею. Як нежива природа породила людський розум "(видавництво" Альпіна нон-фікшн ") починається з історії виникнення всього живого, триває літописом появи виду Homo sapiens і завершується історією розвитку людського мозку і свідомості. Оргкомітет премії «Просвітитель» включив цю книгу в «довгий список» з 25 книг, серед яких будуть обрані фіналісти та лауреати премії. пропонує своїм читачам ознайомитися з уривком, присвяченим відкриттю і вивченню архей Асгарда - перехідної форми між іншими археями та еукаріотами.
Замок Локі
З появою генетичного секвенування в 1970-ті рр. біологи кинулися секвенувати все живе, що могли знайти. Сьогодні вони секвенують навіть те, що знайти не можуть. Сучасні методи дозволяють взяти пробу землі і витягнути з неї гігабайти генетичних послідовностей, а потім сидіти і розбиратися, що ж ви таке відсеквенували і кому воно могло належати, - все це називається метагеноміка. У підсумку виходить цікава картина. Є мільйони видів, про які ми знаємо, але які ніхто ніколи не бачив. Своєрідна генетична темна матерія.
У 2010 р. таку пробу витягли з гідротермального джерела під назвою «Замок Локі» між Гренландією і Норвегією. У ній містилися гени, розсортовані вченими по тисячах видів, в яких цілі команди фахівців рилися кілька років. У 2015 р. шведські біоінформатики з групи Тайса Еттеми виявили в нескінченних полотнах чотирибуквеного коду те, що можна порівняти хіба що з археоптериксом.
Ця викопна напівптиця-полуящер - легендарний символ еволюції, вперше знайдена через два роки після публікації «Походження видів» і сприйнята багатьма прихильниками Дарвіна як остаточна перемога його теорії. Археоптерікс - це класична «перехідна форма» між двома сучасними гілками еволюції. Так і археї, знайдені в генних базах даних із «Замку Локі», являють собою перехідну форму між іншими археями і нами, еукаріотами.
Уппсальські вчені назвали цих архей Lokiarchaeota, локіархеї, на честь Замка Локі. Їхня робота з фанфарами вийшла в престижному журналі. Буквально протягом декількох місяців американські вчені на чолі з Бреттом Бейкером оприлюднили відкриття ще однієї схожої групи, яку вони заради сміху назвали Thorarchaeota, торархеї, на честь ще одного скандинавського бога і героя відповідної кіноепопеї. Зворотної дороги вже не було. Відтоді знайшлися ще одинархеї, хеймдалльархеї, і, як ви зрозуміли, зупиняти цю вечірку ніхто не збирається. Все це царство тепер офіційно називається Асгард - по міфічному світу, де всі ці боги один з одним тусувалися. До нього відносяться і всі еукаріоти, так що ми з вами теж можемо вважати себе асгардцями.
Чим же так відзначилися локіархеї та їхні родичі, що їх визнали генетичним археоптериксом нашого мікроскопічного минулого? У них знайшлися зачатки генів одного з принципових винаходів еукаріот - мембрани, що рухається.
Про хижаків і жертви
Це може здатися дивним, але бактерія не може з'їсти іншу бактерію. Їй так не вигнути мембрану.
Щоб бактерії поїсти, вона повинна всмоктати поживну речовину в молекулярній формі. Тому, якщо тільки вона не плаває в цукровому розчині, спочатку їй потрібно щось розчинити, а потім цю розчинену речовину ввібрати крізь мембранні пори в спеціальних білках. Цим частково пояснюється колективна природа бактерій. Одна бактерія багато не перетравить, але якщо їх зібралося багато, то вони можуть розквасити що завгодно. Тому бактерії можуть один одного витісняти, отруювати, блокувати, але не проковтувати цілком.
Наші ж клітини володіють мистецтвом ковтання досконало. Цей процес називається фагоцитозом. Наприклад, на бактерію, ненароком потрапила вам в організм, нападає макрофаг, величезна людська клітина, яка обволікає цю бактерію своєю мембраною. Та відмовляється від макрофагу зсередини, утворюючи бульбашку, або везикулу, всередині якої - спіймана бактерія. Далі везикула зливається з плаваючою за макрофагом лізосомою, спеціальною органелою для перетравлення, і бактеріальна клітина розчиняється живцем. Макрофаг вбирає поживні речовини і йде шукати інших порушників.
З молекулярної точки зору цей складний процес вимагає, по-перше, відсутності щільної клітинної стінки, по-друге, рухомого каркасу мембрани - цитоскелета і, по-третє, регульованого апарату почкування і злиття мембран. У генах локіархів якраз і знайшлися зачатки білків, які потенційно дозволяють керувати мембраною по-еукаріотично.
Насправді пожирання клітин - тільки одне із застосувань більш широкого явища під загальною назвою мембранний або везикулярний транспорт. У загальному випадку це здатність мембран гнутися, зливатися і почкуватися, створюючи різноманітні везикули, вакуолі, цистерни і відростки. Є ендоцитоз (те ж саме явище, що фагоцитоз, але не обов'язково закінчується розчиненням) - це коли клітина поглинає зовнішній об'єкт, обволокуючи його везикулою. Везикула відмовляється від зовнішньої мембрани і рухається всередину. Є екзоцитоз - це коли, навпаки, до мембрани зсередини підходить везикула, зливається з нею і випускає назовні свій вміст. Так працює, наприклад, викид нейромедіаторів - сигнальних молекул, що передають повідомлення від однієї нервової клітини до іншої.
Крім ролі у власне транспортуванні молекул назовні і всередину клітини, везикулярний транспорт вважається причиною існування органелл. Бактерія - це клітина-бульбашка, а еукаріот - бульбашкова клітина. У бактерій всередині клітинної мембрани ніяких інших мембран немає. У еукаріот куди не плюнь - скрізь мембрани. Міні-клітини, кожна з власними внутрішніми властивостями і функціями. Стопки плоских цистерн, мережі розгалужених трубок, бульбашки-везикули, ядро з двома мембранами і, звичайно, мітохондрії, а іноді і хлоропласти.
Прометей - це Локі
Зовсім недавно група японських вчених опублікувала результати 12-річного експерименту з культивації глибоководних архей. Результатом цієї роботи, виконаної з воістину японською самовідданістю, стала перша в історії ізоляція справжньої, живої локіархеї.
Біологічний матеріал для культивації був узятий з метанових сипів - глибоководних джерел цього газу на морському дні. Метан (СН4), як і вуглекислий газ (CO2), складається з одиночних атомів вуглецю, тільки замість двох атомів кисню вони пов'язані з чотирма атомами водню. Метан - кінцевий продукт розкладання органічної речовини за відсутності кисню. Всілякий морський компост осідає на дні і поступово накопичується там щільною подушкою мулу, куди кисень погано проникає. У глибині подушки сидять мікроорганізми, нездатні переносити кисень, - анаероби, «безповітряки» - і доїдають ці падаючі на них об'їдки біосфери, виділяючи при цьому метан. Той піднімається до поверхні і проникає у воду і атмосферу через метанові сипи.
Метанові сипи залишаються одним з рідкісних куточків планети, де життя протікає в безкислородних умовах, і тому вчені сподівалися виділити з них кого-небудь з наших найближчих архейних родичів, тобто з представників Асгарда. Оскільки еукаріоти унікальні серед асгардців наявністю кисневих мітохондрій, шукати всіх інших архей цієї групи потрібно там, де кисню немає.
Пробу, взяту в сипах, помістили в біореактор, що відтворює внутрішнє середовище цих джерел. Типові лабораторні мікроорганізми в розчині живильного середовища швидко примножуються, за одну ніч тисячоразово збільшуючись у кількості. У цьому ж випадку дослідникам довелося чекати 2000 діб - п'ять з половиною років. На оптимізацію і очищення культур пішло ще кілька років, але в результаті вчені свого домоглися: у них в руках нарешті виявилася пробірка з представниками досі виключно «віртуальної» групи локіархів.
Досі археї Асгарда вивчалися метагеномікою: сліпим аналізом фрагментів ДНК, знайдених на морському дні. Самих цих архей ніхто ніколи не бачив. І ось перед нами живі асгардці, та не якісь, а чи не найближчі родичі еукаріот, про яких на сьогоднішній день відомо. Це безцінне джерело відомостей про походження нашого домену. Та й взагалі, на власні очі побачити таке «живе викопне» - це як зустріти живого неандертальця.
Японські вчені назвали виділений таким чином організм Prometheoarcheum - архея-Прометей. Тобто, мабуть, сполучна ланка між богами-археями і людьми-еукаріотами, а може, між скандинавською міфологією і давньогрецькою. Все це створює абсолютно безглузду плутанину, тому що виходить, що Прометей - це один з видів Локі.
Перше, що можна сказати про Прометею: істота це до непристойності хиле. Замість грізного хижака, що обертає мембранами, він виявився дрібним, малоактивним одноклітинним, у якого йде від 14 до 25 днів на один-єдиний поділ. Як і передбачалося, дихати Прометей не вміє. Що він вміє, так це переробляти амінокислоти, для чого у нього є великий арсенал відповідних ферментів. Тобто, мабуть, Прометей харчується тими самими об'їдками біосфери, які падають з поверхні океану. Але найцікавіше в тому, що навіть це він не може робити поодинці. Його успішна культивація вимагає симбіонтів, які здійснюють завершальні стадії перетворення амінокислот на метан. Тобто без метаболічних товаришів Прометей абсолютно безпорадний. У пробірках японських вчених він спалював з іншою архією, Methanogenium, але автори роботи припускають, що подібну роль «товариша» могли на зорі часів грати і бактерії - предки майбутніх мітохондрій.
Ще одна інтригуюча властивість археї-Прометея - це його унікальна форма. Він являє собою шароподібну клітку з кількома вітерельними мембранними відростками. На підставі цієї форми і метаболічної безпорадності Прометея, автори пропонують альтернативу «хижій» моделі ендосимбіозу. Їм бачиться не велика клітина, що заковтує маленьку і раптово усвідомлює вигоду співпраці, а вже існуючий симбіоз, який поступово перетворюється з колективу клітин на колективну клітку, що знаходить тим самим нові можливості і здібності. Якщо вірити японським фахівцям, то пожирання клітини кліткою - це не причина, а результат ендосимбіозу археї з мітохондрією. Така думка, до речі, вже висловлювалася іншими фахівцями, які вважають, що без мітохондрій фагоцитоз безглуздий: видобуток просто не переварити.
Ця оновлена Прометеєм модель еукаріогенезу може пояснити серед іншого походження еукаріотичного ядра - ^ ембранної оболонки, що оточує в кожній нашій клітині генетичний матеріал. Серед різних поглядів на це питання традиційно найпопулярнішою була так звана версія «зовні-всередину»: існувала архея, у якої в середині плавала ДНК, а потім мембрана цієї клітини увігнулася всередину глибокими складками, які розпласталися сферою навколо генів і оточили їх подвійною мембраною. Але сьогодні набирає популярності і протилежна версія «зсередини-назовні»: спочатку була клітина-ядро, а цитоплазма зовні сталася з її відростків. Наявність гілкових відростків у Прометея робить цю версію більш правдоподібною.
У союзі з вогнем
З відкриттям архей Асгарда логіка еукаріогенезу стала прояснюватися. Майже напевно відомо, що еукаріоти походять з союзу археї з бактерією під тиском кисню. Відповідальність за це зрештою лежить на фотосинтезі, що накачав планету токсичним газом і змусив «безповітряків» ховатися. Деякі бактерії придумали спосіб знешкодити кисень, пристосувавши його в якості нижньої сходинки електрон-транспортного ланцюга. Таке дихання дозволило цим організмам не тільки вирішити проблему кисневої токсичності, розширивши для себе населений простір, а й використовувати силу кисню для багаторазового підвищення ефективності поживних речовин. Ці заповзятливі бактерії, предки мітохондрій, які зухвало схопили за горло небезпечного кисневого лева, - одні з наших предків.
У той же час серед архей була група, яка дихати не вміла, але володіла рухомою мембраною. Можливо, це були перші хижаки в природі, які вже вміють ковтати чужі клітини цілком. Можливо, це були не страхітливі пожирачі, а хиляки на зразок Прометея, які своїми гілкованими щупальцями обплутували метаболічних партнерів. Що б не представляли з себе ці істоти, це теж наші предки.
На якомусь етапі обидва цих предка зрозуміли, що їм добре разом. Бактерія захищена від інших хижаків, які можуть її з'їсти і не пошкодувати, а архея - та взагалі в шоколаді, тому що мало того, що їй тепер не страшний кисень, у неї раптом стало в десять разів більше енергії, яку їй у формі АТФ штампує киснева бактерія. І ось ця бактерія стає напівнезалежною органелою з постійним місцем проживання в архейній цитоплазмі. Цей момент злиття двох доменів можна вважати народженням третього, еукаріотичного. (Втім, «момент» запросто міг бути розтягнутий на мільйони років.) Ми з'явилися в результаті протистояння кисню, яке в результаті зробило нас багаторазово сильнішими.
Детальніше читайте: . Хлопок одною долонею. Як нежива природа породила людський розум/Микола Кукушкін. - М.: Альпіна нон-фікшн, 2020. - 542 с.