Слияние примитивных бактерий дало основу ядерной жизни

Эндосимбиоз – ключевой процесс в биологии, во многом определяющий весь ход эволюции жизни на нашей планете. В результате эндосимбиоза – существования одного организма внутри другого — обмен веществ и структура клетки хозяина могут измениться до неузнаваемости. По мнению большинства специалистов, именно благодаря эндосимбиозу – взаимовыгодному поглощению прокариот эукариотами — у последних появились хлоропласты – органы, в которых происходит фотосинтез, и митохондрии – органы дыхания.

Загадка эволюции

Факт эндосимбиоза прокариот и эукариот большинство ученых признают. Но вот возможен ли эндосимбиоз между двумя прокариотами? До настоящего времени считалось, что нет. Между тем от этого зависит ответ на другой более принципиальный вопрос – как возникли ядерные организмы, все эти грибы, растения и животные включая и человека. До сих пор так и остается загадкой, как произошел скачок от доядерных организмов к ядерным – скачок, изменивший до неузнаваемости облик нашей планеты и всю ее дальнейшую историю.

Ученые уверены, что важнейшим этапом в эволюции эукариот было появление двойной мембраны. Именно мембрана, состоящая из жирных кислот и липидов, стала необходимым атрибутом всех эукариотических клеток. Такая мембрана окружает все клеточные органеллы, в том числе и само ядро, и без двойной мембраны невозможно было бы появление и эволюционное развитие этого типа клеток. Мембрана же большинства прокариот – однослойная и состоит липидов с молекулами высокоуглеродного спирта.

Гипотеза

В последнем номере Nature профессор Джеймс Лейк (James A. Lake) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предложил гипотезу, которой наверняка предстоит стать спорной. Мало того, что он полагает эндосимбиоз прокариот возможным. По его мнению, своим существованием этому явлению обязана громадная группа доядерных – грамотрицательные бактерии.

«Как это ни удивительно, но мне удалось обнаружить доказательства того, что эндосимбиоз между двумя прокариотами возможен. Именно в результате такого эндосимбиоза  образовалась новая группа бактерий, содержащих двойную мембрану. Это очень важно, поскольку двойная мембрана есть у всех сложноорганизованных эукариот, в том числе и у человека», – говорит профессор Лейк.

Прокариоты+прокариоты

Автор работы провел математический анализ состава белков 3 тысяч прокариот самых разных видов. При этом он старался восстанавливать родство прокариот, не опираясь на привычную модель эволюционного древа. Вместо привычного, хотя неизменно спорного, разделения доядерных на бактерии и археи прокариоты у Лейка поделены на пять основных групп – археи (Archae), клостриды (Clostrida), актиномицеты (Actinobacteria), бациллы как класс (Bacilli), а также грамотрицательные бактерии. 

«Клостриды – уникальная группа, они единственные из всех прокариот имеют фотосинтетический аппарат, – объясняет Джеймс Лейк. – Грамотрицательные бактерии – также особая группа, это единственные  прокариоты, имеющие двухслойную мембрану».

Проанализировав состав белков представителей всех пяти групп, профессор Лейк обнаружил, что грамотрицательные бактерии с двухслойной мембраной имеют такой же состав белков, как и древние бактерии клостриды и актиномицеты с однослойной мембраной. «На основе анализа белков я сделал вывод, что в результате эндосимбиоза между  актиномицетами и клостридами появилась совершенно новая и намного более сложная клеточная структура – двойная  мембрана», – говорит профессор Лейк.

Впрочем, каким образом происходила передача генов от одного организма к другому, на основании такого анализа сказать невозможно. Был ли это эндосимбиоз, или природа задействовала какой-то другой механизм? Предположение Лейка остается гипотезой. Хотя и очень заманчивой.