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 - 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  грамотрицательных бактерий.

«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.