Древний микроб 'Асгард' мог использовать кислород задолго до его обилия на Земле, предлагая ключ к происхождению сложной жизни

США - Информационное агентство Эхбари

Древний микроб 'Асгард' мог использовать кислород задолго до его обилия на Земле, предлагая ключ к происхождению сложной жизни

Научные открытия продолжают проливать свет на далекое прошлое жизни на Земле. Новое исследование предполагает, что древние микробы, которые, как считалось ранее, избегали кислорода, на самом деле могли научиться его использовать. Результаты, опубликованные недавно в журнале Nature, предлагают новый и убедительный взгляд на то, как эволюционировали первые сложные клетки — предшественники всех растений и животных, включая человека.

Более двух миллиардов лет назад, задолго до того, как атмосфера Земли содержала значительные количества кислорода, крепкая группа микробов, ныне идентифицированная как 'археи Асгарда' (Asgard archaea), по-видимому, уже разработала биохимические механизмы для использования этого газа. Эти одноклеточные организмы считаются ближайшими известными микроскопическими родственниками предков растений и животных.

В ходе обширных генетических исследований образцов морского ила и морской воды исследователи обнаружили доказательства того, что эти древние археи Асгарда обладают молекулярным 'инструментарием' для переработки кислорода и, возможно, даже для его использования в производстве энергии. Это открытие бросает вызов устоявшемуся мнению, что многие изученные линии Асгарда процветали в условиях недостатка кислорода.

Этот эволюционный поворот может сыграть ключевую роль в объяснении одной из самых значительных историй происхождения в биологии: появления эукариотических клеток. Преобладающая научная теория предполагает, что сложные клетки возникли в результате симбиотического события, когда простой микроб слился с бактерией. На протяжении тысячелетий это партнерство привело к развитию более сложных клеток, которые стали строительными блоками для всего, от гигантских секвой до сложных человеческих организмов.

Однако эта увлекательная история происхождения сталкивалась с упорной загадкой: как эти два различных клеточных существа смогли найти друг друга и установить кооперативные отношения? Митохондрии, энергетические станции внутри сложных клеток, как известно, произошли от бактерии, зависящей от кислорода. Тем не менее, археи — одна из трех основных областей жизни — традиционно считаются хозяевами в этом важном микробном слиянии, и многие из них, как полагали, были приспособлены к анаэробным (бескислородным) условиям.

Новое исследование, соавторами которого являются исследователи из Техасского университета в Остине и Института Пастера в Париже, указывает на то, что археи Асгарда, потенциальный хозяин в этом древнем партнерстве, могли быть гораздо более терпимы к кислороду, чем предполагалось ранее. "Большинство архей Асгарда, живущих сегодня, были найдены в условиях без кислорода", — пояснил соавтор исследования Бретт Бейкер, доцент морских наук в Техасском университете в Остине. "Но оказывается, что те, которые наиболее тесно связаны с эукариотами, живут в местах с кислородом, таких как мелководные прибрежные отложения и плавающие в толще воды, и у них есть много метаболических путей, использующих кислород. Это говорит о том, что наш эукариотический предок, вероятно, также обладал этими процессами".

Археи Асгарда, метафорически названные в честь обители богов в скандинавской мифологии, были впервые обнаружены в 2015 году. Их геномы были реконструированы из образцов глубоководных отложений, взятых вблизи гидротермального источника Локис-Касл. Это исследование привело к созданию суперфилума Асгарда, включающего такие группы, как Lokiarchaeota, Thorarchaeota и Odinarchaeota. Последующие исследования показали, что археи Асгарда обладают множеством генов 'эукариотической сигнатуры', что убедительно свидетельствует о тесной родственной связи с эукариотами — организмами, характеризующимися наличием ядра и мембраносвязанных органелл в клетках.

Чтобы исследовать, как археи Асгарда могли переносить кислород, исследовательская группа собрала образцы из различных морских сред, включая Бохайское море на глубине 100 футов (30,5 метров) и бассейн Гуаймас на глубине 6 561 футов (2 000 метров). Они тщательно проанализировали около 15 терабайт экологической ДНК из морских отложений, реконструировали более 13 000 микробных геномов и выделили сотни генетических последовательностей, специфичных для архей Асгарда.

"Эти археи Асгарда часто упускаются при секвенировании с низким покрытием", — отметил соавтор исследования Кэтрин Апплер, постдокторальный исследователь из Института Пастера. "Масштабные усилия по секвенированию и многоуровневые методы секвенирования и структурного анализа позволили нам увидеть закономерности, которые были невидимы до этого геномного расширения".

Среди выявленных закономерностей были гены, связанные с аэробным дыханием — процессом, зависящим от кислорода, который эффективно производит энергию у многих организмов. Кроме того, команда использовала инструмент искусственного интеллекта AlphaFold2 для прогнозирования структуры белков, что укрепило их доказательства наличия в этих древних микробах молекулярных механизмов, устойчивых к кислороду.

Особенно показательной оказалась одна из линий архей Асгарда, известная как Heimdallarchaeia (названная в честь бдительного стража скандинавских богов). Исследователи сообщили, что многие геномы Heimdallarchaeia содержат компоненты молекулярного аппарата, участвующего в транспорте электронов и производстве энергии с использованием кислорода, а также ферменты, важные для детоксикации вредных побочных продуктов кислорода.

Наличие этих способностей к обработке кислорода у архейного предка сложных клеток значительно упрощает представление о древнем клеточном слиянии. "Кислород появился в окружающей среде, и археи Асгарда адаптировались к нему", — заявил Бейкер. "Они нашли энергетическое преимущество в использовании кислорода, а затем эволюционировали в эукариоты". Это открытие потенциально заполняет критический пробел в нашем понимании того, как жизнь перешла от простых прокариотических клеток к сложным эукариотическим структурам, которые определяют большую часть биосферы сегодня.

Информационное агентство Эхбари