Возникновение сложных клеток было не единичным слиянием архей и бактерий, а длительным процессом обмена генами, в котором могли участвовать несколько групп бактерий и даже гигантские вирусы
Современная теория происхождения сложных клеток может оказаться слишком упрощённой. Международная группа исследователей пришла к выводу, что предки всех животных, растений, грибов и других эукариотических организмов формировались не в результате единственного объединения археи и бактерии, как принято считать сегодня, а за несколько последовательных волн обмена генами между различными формами жизни.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Согласно общепринятой модели, около двух миллиардов лет назад одна архея поглотила бактерию из группы альфапротеобактерий. Со временем эта бактерия превратилась в митохондрию — клеточную структуру, отвечающую за выработку энергии. Именно это событие считается ключевым этапом появления эукариот — сложных клеток, из которых состоят все многоклеточные организмы, включая человека.
Однако новый анализ показывает, что эта история была значительно сложнее.
Исследователи попытались реконструировать генетический набор последнего общего предка всех современных эукариот. Для этого они отобрали геномы представителей различных ветвей эукариотического древа жизни, стараясь избежать перекоса в сторону животных и других хорошо изученных организмов. Затем учёные оставили только наиболее информативные группы генов и несколько раз повторили анализ с разными наборами данных, чтобы проверить устойчивость результатов.
Реконструкция показала, что последний общий предок всех эукариот уже был весьма сложным организмом. Он жил в среде, содержащей кислород, получал энергию за счёт потребления других организмов или их остатков и обладал многими характерными признаками современных сложных клеток.
У него уже существовали внутренние транспортные системы для перемещения веществ внутри клетки, структуры для расщепления белков, а также основные механизмы обмена веществ, копирования ДНК и синтеза РНК. Иными словами, многие особенности современных клеток возникли ещё до того, как эукариоты разделились на животных, растения, грибы и другие крупные группы.
Около трети обнаруженных групп генов оказались уникальными для эукариот и не имели известных аналогов среди бактерий или архей. Но остальные гены позволили проследить происхождение различных компонентов будущего эукариотического генома.
Как и ожидалось, значительная часть наследства пришла от архей группы Asgard archaea, которые сегодня считаются ближайшими известными родственниками эукариот, а также от альфапротеобактерий — предков митохондрий. Однако исследователи обнаружили примерно такой же вклад ещё двух крупных бактериальных групп — Planctomycetota и Myxococcota.
Кроме того, следы в геноме оставили и другие бактерии. Неожиданностью стало то, что вклад представителей вирусов из группы гигантских вирусов оказался заметнее, чем вклад любой отдельной дополнительной бактериальной линии.
Анализ также позволил оценить последовательность появления различных генов. Самый ранний вклад внесли археи. Затем последовала крупная волна переноса генов от бактерий ещё до появления митохондрий. После формирования митохондрий произошла ещё одна масштабная передача генетического материала от других бактерий.
По мнению авторов работы, такая картина хорошо соответствует сценарию, в котором ранние эукариоты возникали внутри плотных микробных сообществ. В подобных сообществах разные виды живут рядом друг с другом длительное время, активно обмениваются веществами и способны передавать друг другу гены.
Исследователи не исключают, что в истории происхождения эукариот могли существовать и другие случаи эндосимбиоза — сценария, когда один организм поселяется внутри другого. Если такие события происходили, они могли исчезнуть без следа, оставив после себя лишь отдельные гены в составе будущего эукариотического генома.
Авторы подчёркивают, что работа не ставит под сомнение ключевую роль происхождения митохондрий от бактерий. Вместо этого она показывает, что переход от простых прокариотических клеток к сложным эукариотам, вероятно, был не единичным событием, а длительным и многоэтапным процессом, в котором участвовало значительно больше форм жизни, чем предполагалось ранее.
Именно эта картина — постепенное формирование сложной клетки через многочисленные генетические обмены и взаимодействия между разными организмами — может оказаться наиболее точным описанием одного из важнейших этапов эволюции жизни на Земле.