Еволюція бактерій Life Trickster похитує сімейне дерево життя - спектр
Еволюція життя: бактерії-хитруни струшують сімейне дерево життя
У кожній гарній міфології хтось виконує роль обманщика і обманщика - і ніхто не потрапляє в неї краще, ніж Локі, легендарна фігура давнього скандинавського неба. Локі постійно завдає неприємностей і ображає побратимів. Його навряд чи можна запитати, він анархічний і честолюбний. Він є, і це підводить нас до теми, ідеальний тезка для бактеріальної групи «Lokiarchaeota», яка в даний час готується принципово переписати історію розвитку раннього життя на нашій землі.
Невловимі Локіархеоти належать до підкатегорії одноклітинних живих істот, що називається Археї. Під мікроскопом вони можуть виглядати як бактерії, але певним чином вони відрізняються так само чітко, як і ми, люди. Локі, як їх прозвали, вперше були описані з використанням послідовностей ДНК, виділених із зразків брудного морського дна поблизу Гренландії. Сьогодні вони разом з кількома спорідненими мікробами змушують біологів повторно відповісти на дуже фундаментальне питання про ранній розвиток життя: поява еукаріотів, організмів, що включають усі рослини, тварин та гриби.
Відкриття архей наприкінці 1970-х рр. Породило уявлення у дослідницькому світі про те, що життя на землі поділяється на три гілки або "домени". Одна гілка вела до бактерій, що живуть сьогодні, друга - до архей, а третя - до всіх еукаріотів. Однак незабаром спалахнули бурхливі дискусії щодо точного розподілу цих побічних галузей життя. Широко поширена модель життя передбачала, що еукаріоти та археї походять від спільного предка. На противагу цьому, конкуруюча школа "дводоменного" підходу постулювала, що лінія еукаріотів відкололася від голої бічної гілки архей.
Суперечка про це часом була жорстокою, але з часом засинала, згадує Філ Хюгенхольц з Квінслендського університету в Брісбені, Австралія. Потім Локіс знову стимулював це "як свіжий порив вітру", говорить Гугенхольц, - і забезпечив повернення тези про дві області. Тому що: нещодавно відкриті археї показали генні послідовності, які до того часу вважалися типовою особливістю еукаріотів. Крім того, ретельний аналіз їх генетичного складу показав, що еукаріоти повинні належати до групи з ними. Якщо це так, то кожна форма складного життя - від зеленої водорості до блакитного кита - в принципі фактично належала б до групи архей.
Багато дослідників ще далеко не впевнені в цьому. Складання сімейних дерев - це загальновідомо складна і суперечлива область досліджень. Крім того, однак, ніхто ніколи не міг тримати штами Локі в лабораторії, що різко обмежує можливості розслідування. І тому гіркі аргументи продовжуються, де опоненти "надзвичайно ворожі", резюмує Гугенхольц: "Всі на сто відсотків впевнені, що опозиційна сторона насправді не має рації в жодному пункті". Застережно, деякі більше не коментують цю тему. щоб не ризикувати наступити на краватку одного з доаєнів сцени.
Тут йдеться про щось принципове: глибше розуміння еволюційного стрибка, який в підсумку призвів до еукаріотів. Тож врешті-решт, "найбільше, що сталося з початку життя", говорить біолог-еволюціоніст Патрік Кілінг з Університету Британської Колумбії у Ванкувері. Розгадуючи походження еукаріотів, він вважає "одним з найбільш фундаментальних питань для розуміння біологічного різноманіття в природі". Для того, щоб відповісти на них, сказав Кілінг, потрібно чітко встановити, хто з ким пов'язаний.
Зробіть три з двох
Півстоліття тому наука акуратно розділила життя на землі на дві категорії: З одного боку, існували еукаріоти - клітинні організми, які також містять перетинчасті внутрішні структури, такі як клітинне ядро; а з іншого боку - прокаріоти, які є суто одноклітинними організмами і, як правило, не мають внутрішніх мембран. У той час біологія лише знала бактерії як прокаріоти.
У 1977 році біолог-еволюціоніст Карл Вуз та його колеги описали археї як третю форму життя, яка, очевидно, виникла мільярди років тому. За словами Вауза, усі організми на землі слід розділити на три, а не дві підкатегорії.
Це не залишилось беззаперечним. Наприклад, біолог-еволюціоніст Джеймс Лейк з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі в 1980-х рр. Пропагував, що еукаріоти та археї утворюють сестринську групу під назвою "еоцити", буквально "клітини від сходу сонця (часу)". На основі цієї ідеї склався сценарій із двома доменами. Лейк і Вуз зараз запекло боролися за своїх суперницьких моделей, що, нарешті, завершилось давно легендарною кричущою дуеллю в середині 80-х. Після цього Вуз «зовсім не хотів зустрічатися з Джимом Лейком», згадує мікробіолог Патрік Фортер з Паризького інституту Пастера. Лейк підтверджує серйозність аргументу: "Це справді були суперечки, супроводжувані величезною кількістю політики".
Карл Вуз помер у 2012 році. Сьогодні суперечка про походження еукаріотів є трохи більш цивілізованою. З обох сторін багато хто думає, що еукаріоти якимось чином виникли в процесі так званого ендосимбіозу. Покійний біолог Лінн Маргуліс зробив цю теорію відомою: за її словами, проста клітина проковтнула бактерію кілька століть тому, а потім стала її господарем. Це призвело б до взаємовигідних відносин. Захоплені бактерії врешті-решт стали мітохондріями - клітинною субструктурою, яка виробляє енергію. Зрештою, гібридні клітини стали сьогоднішніми еукаріотами.
Однак одна точка стикання розділяє два табори і по сьогодні: вони сперечаються про точну природу початкової осередки. На думку прихильників теорії трьох доменів, це був (нині вимерлий) мікроб. Наприклад, Фортерре розглядає їх як "прото-еукаріот", тобто як суміш, яка не була ні повністю сучасним еукаріот, ні повністю сучасною археєю. Згідно з цим підходом, на початку історії еволюції відбулося кілька основних розколів: перший мільярд років тому, коли організми-попередники продукували як бактерії, так і групу мікробів, яка зараз вимерла. Потім ця група розпалася на археї та пізніші еукаріоти.
Однак, згідно з дводоменним світом, бактерії та археї еволюціонували від древнього предка, і саме археї проковтнули та зробили бактерією домівкою. Це зробило б усіх еукаріотів своєрідним переповненням відростка архей - або, як деякі вчені називають це, "вторинним доменом".
Зашифровані повідомлення
Без можливості повернутися у минуле до походження мікробів, буде важко оцінити ці гіпотези. Ми знаємо дуже мало викопних слідів перших еукаріотів, і їх також важко прочитати. Тож вченим доводиться покладатися на геном сучасних організмів як на архів еволюції - архів, який з часом потрясся. "Ми намагаємось розгадати головоломку, якій, мабуть, кілька мільярдів років, за допомогою сучасних даних послідовності", - говорить біоінформатик Том Вільямс з Університету Брістоля. Нелегке завдання.
Зрештою, дебати вдосконалили сучасні технології секвенування генів. Донедавна вченим доводилося утримувати штами бактерій або архей з певного середовища проживання в лабораторії, щоб їх ідентифікувати. Тепер дослідники можуть оцінити мікробне різноманіття у зразках води або ґрунту, використовуючи вилучені з них сліди ДНК та аналізуючи їх математичними методами - за допомогою «метагеноміки». І так трапляється, що наука, яка в 2002 р. Знала лише два штами (або тип) архей, тепер значно краще інформована завдяки метагеноміці.
Дослідники еволюції також швидко скористались збільшенням врожайності: нові потужні методи моделювання дають проростання лісу еволюційних гілок, які окреслюють детальні взаємозв'язки в археях. І: у багатьох випадках еукаріоти поміщені в розширене сімейство архей. Вага доказів, зазначає Вільямс, "дійсно нахилила ваги у напрямку дводоменного дерева еоцитів з нашої точки зору".
Інші все ще вважали, що дані занадто тонкі, щоб відкласти дискусію. У 2015 році група, яку очолював Тійс Еттема, на той час еволюційний мікробіолог з Університету Уппсала у Швеції, опублікувала послідовності ДНК з Локіархеоти, які вони вилучили із зразків осадів п’ятьма роками раніше. Всього лише за два роки команда Еттема та інші дослідники змогли нарешті представити три нові археї, пов’язані з Локісами. Дослідники назвали групування цих знахідок "Асгард" на честь міфічного царства скандинавських богів.
Асгардські Археї - крихітні, але, як виявилося, вони здатні оживити давню дискусію про справжню кількість доменів у житті. Перш за все, вони надали прихильникам дводоменної гіпотези спокусливі підказки про тип клітини, з якої виникли перші еукаріоти. Як і Локі, їхній тезка, Локіархеота та їхні родичі уникають надто прямолінійної інтерпретації: вони, безсумнівно, археї, але їх геном - це мішанка генів, які також зустрічаються у еукаріотів. Локі-ДНК, наприклад, містить інструкції щодо генетичної конструкції актинів, типових білків ешакаріотичних клітин. Ці гени здавалися настільки недоречними, що дослідник, який їх виявив, спочатку просто припустив, що причиною було забруднення: «Я сказав, Хм, як це можливо? Чи справді це може бути геном археї? »- згадує мікробіолог Аня Шпанг з Королівського Нідерландського інституту морських досліджень у Текселі. Однак еволюційні моделі підтверджують тісний зв'язок між архаями Асгарда та еукаріотів: Наприклад, всі родоводи, розраховані командою Еттеми, відносять усіх еукаріотів до групи Асгарда.
Тим часом багато дослідників використовують такі набори даних про археї, щоб отримати кращу картину еукаріотичного попередника. Можливо, він вже мав деякі характеристики, характерні для еукаріотів, перш ніж він зайняв мітохондріальний попередник: Еттема пояснює, що існували "ймовірно деякі дуже примітивні мембранно-біологічні процеси". Згідно з аналізом, опублікованим у 2018 році, прабатько Асгардської археї, імовірно, їв органічні молекули, такі як жирні кислоти та бутан. Ця дієта дала б кінцеві продукти, якими потім могли б харчуватися пов’язані бактерії-партнери. Подібний обмін поживними речовинами, поширений у мікробній сфері, міг поступово перерости в дедалі тісніші стосунки. Не могло наближення архей та бактерій на приємній відстані, що має сенс для полегшення обміну поживними речовинами, врешті-решт і, нарешті, сприяло поглинанню одного іншим?
Однак подібні сценарії все ще викликають сумніви. Найбільший скептик - Патрік Фортер: пройшовши дослідження Асгарда, він вперше опублікував фундаментальну протилежність зі своїми колегами.
Оманливі маркери?
Еттема був розлючений їхнім підходом: Фортерре та його група припустили, що деякі еукаріотичні послідовності, знайдені в Локісах, можуть бути наслідком забруднення. Наприклад, білок Локі, "фактор елонгації 2", "ймовірно, забруднений еукаріотичними послідовностями", - написала команда Фортерре у своєму внеску. Сьогодні Фортерре каже, що не зовсім впевнений у цьому, але він та його колеги дотримуються своєї критики щодо есволюційних дерев Асгарда. Навіть творці критикованих родинних дерев визнають, що важко розгадати взаємозв'язок між організмами, що жили два мільярди років тому.
Біологи зазвичай відновлюють такі взаємозв'язки, моделюючи зміни певних "маркерів" - як правило, білка або гена - з часом. Група Фортерре вважає, що команда Еттеми ненавмисно включила в обчислювальне дерево генетичне маркування. Група Фортерре провела власний конкуруючий аналіз сімейного дерева з двома особливо великими маркерними білками, оскільки більші білкові структури, як правило, також передають більше інформації про історію їх розвитку. Отже, ви придумали генеалогічне дерево з трьома доменами.
Еттема вважає, що два маркери, які використовував Фортер, не дозволяють зробити достатні висновки щодо давно минулих подій - критика, яку, безперечно, поділяють інші вчені. Він також спробував відтворити виявлення Фортерре за допомогою двох маркерів, про які йдеться, і прийшов до іншого, хоч і не опублікованого результату, а саме знову доменного генеалогічного дерева.
Чи є такі відхилення через різницю в академічному досвіді учасників? Еттема підозрює це: Патрік Фортерре "блискучий учений - у своїй галузі". Однак із Локісом він "трохи перевищив межі своєї професійної експертизи". Фортерре каже, що він вже має певні знання з філогенетики - а його співавтори навіть більше.