Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Встреча с прародителем
Планета Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад в процессе гравитационного притяжения космической пыли и газов. Довольно “быстро” после этого появилась первая форма жизни, и она, конечно же, была микроскопической в размере. Ученые подсчитали, что самые первые признаки жизни были оставлены микроорганизмами примерно 3,9 миллиардов лет назад. Поскольку биологическая жизнь продолжала процветать самым хаотичным и непостижимым для нас образом, неожиданно для всех появился первый полноценный одноклеточный организм. Позже, он стал известен как последний универсальный общий предок или LUCA (Last Universal Common Ancestor). Считается, что LUCA является прародителем всей существующей жизни на Земле (хотя, это не первая форма жизни).
Человеческое любопытство, а также научные и технологические прорывы, продолжали двигать людей по направлению к разгадке тайн ранней жизни на Земле. Ученые хотели установить пути эволюционного развития жизни на планете. Вопрос звучал так: “Что произошло после появления LUCA, и как жизнь развилась до того состояния, которое нам знакомо сегодня?”. Микробиологи, биологи-эволюционисты и генетики предложили модель жизни, которая состоит из трех царств: Бактерий, Археи и Эукаритов (с LUCA в основании). Это была устоявшаяся модель в течение долгого времени, пока исследователи не решили копнуть немного глубже…
Известно, что царство Бактерий является монофилетическим доменом, что означает, что у бактерий был один явный предок. Следовательно, можно сделать предположение о существовании последнего бактериального общего предка или LBCA (Last Bacterial Common Ancestor). Джоана К. Ксавье и ее коллеги хотели узнать больше о LBCA, поэтому они сосредоточили свои исследования на реконструкции образа жизни и среды обитания этой очень древней бактерии.
Проще всего было определить, дышала ли эта бактерия кислородом. Многие формы жизни, включая нас, людей, не могут существовать без кислорода. Простая молекула O2 играет жизненно важную роль в процессе выработки энергии, питающей все биологические системы. Однако, атмосферный кислород появился на Земле примерно 2,4 миллиарда лет назад, что означает, что были формы жизни, которые прекрасно выживали и без этого газа. Микроорганизмы, не требующие кислорода для функционирования, называются анаэробами, так что получается, что LBCA, скорее всего, был одним из них.
Все анаэробы имеют набор биохимических путей, которые они используют для получения энергии, и, как вы можете догадаться, эти пути возникли миллиарды лет назад. Различные исследования предполагают, что первые клетки LBCA были автотрофными. Это означает, что бактерия синтезировала сама себе пищу, используя крайне узкий набор элементов. Если подумать, то в этом есть доля смысла. В во время существования LBCA Земля была одним большим соленым супом, вокруг которого плавали миллионы различных атомов и минералов. Кора планеты только начинала свое формирование, а континенты находились в зачаточном состоянии. Так называемая “атмосфера” состояла только из углекислого газа (CO2), азота (N2) и водяного пара. Интересно то, что LBCA требовалось всего 9 соединений для завершения своего промежуточного метаболизма – всех процессов в клетке, превращающие питательные молекулы (“пищу”) в клеточные компоненты (назовем их “ранними органеллами”). 9 кажется очень маленьким числом, но, тем не менее, этого числа было достаточно, чтобы обеспечить выживание бактерии. Можем ли мы назвать LBCA примитивной бактерией, или же она была приспособлена к обстоятельствам того времени…Решать вам!
Какой источник энергии использовала LBCA? Вы удивитесь, но это была самая обычная глюкоза (C6H12O6)! Для производства глюкозы эволюция наделила LBCA весьма своеобразным механизмом, который и сегодня использует даже наш организм: глюконеогенезом – образованием новых молекул глюкозы из неуглеводных соединений.
Наконец, исследователи попытались найти современный прототип организма, который будет ближайшим родственником LBCA, и этот микроорганизм относится к классу Clostridia. Бактерии этого класса известны своим строго анаэробным дыханием, что согласуется с тем что Ксавье с коллегами предположили о LBCA. Это исследование было проведено путем анализа белков и расчета степени эволюционного расхождения бактериальных генов. Однако, исследователи подчеркивают, что когда речь заходит о бактериальных генах, эти гены имеют свойство сильного переплетения из-за эффекта горизонтального переноса генов. Следовательно, традиционная вертикальная перспектива эволюции бактерий в данном случае будет неверна, поскольку гены случайным образом переносились от одного вида бактерий к другому в течение миллионов лет.
Это исследование показывает не только важность реконструкции эволюционных событий, но и то, насколько тесно связана вся жизнь на Земле. Остатки древних живых форм, существовавшие миллиарды лет назад, все еще можно найти сегодня, и они до сих пор оказывают значительное влияние на понимание жизни. Кто знает, может быть древние микробы действительно смогут изменить будущее науки.
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья: Xavier, J.C., Gerhards, R.E., Wimmer, J.L.E. et al. The metabolic network of the last bacterial common ancestor. Commun Biol 4, 413 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-01918-4
Изображение: https://pixabay.com/vectors/family-tree-genealogical-tree-6093805/?download and Biorender.com
*Примечание: Филогенетическое древо, используемое в качестве основного изображения для статьи, НЕ является точным изображением эволюции микробов, помещенных в это древо. Единственным эволюционно верным фактом в этом древе является то, что LBCA стояла у истоков микробной дивергенции.
micro-bites.org 