Все мы — потомки одного микроба: неожиданная находка переписала историю жизни

Все животные, растения, грибы и люди могут проследить свое генеалогическое древо до одного крошечного микроба, который жил около 2 миллиардов лет назад. Сравнивая ДНК из малоизвестных, глубоководных микробов, ученые утверждают, что этот древний предок сидит в группе под названием Асгардская архея.

Сложные формы жизни, включая всех животных, растения, грибы и человека, принадлежат к другой ветви дерева, называемой эукариотами. Клетки этих организмов имеют центральное ядро и внутренние отсеки. Эти сложные клетки питают все, от активности мозга до фотосинтеза, но их самые ранние шаги на Земле остаются трудными для реконструкции.

Общий предок для сложной жизни

Работой руководил Thijs J. Джи. Эттема, эволюционный микробиолог из Вагенингенского университета в Нидерландах.

Его группа специализируется на использовании ДНК из труднопроходимых микробов, чтобы отслеживать глубокую эволюционную историю.

Сшивая сотни микробных геномов, команда построила подробное генеалогическое древо для архей Асгарда и их родственников.

Генетический анализ показывает, что все эукариоты попадают в группу Асгарда и находятся ближе всего к ветви под названием Ходархаелес.

Микробы, которые живут в необычных местах

Члены археи, одноклеточных микробов, отличных от бактерий, часто живут в местах, которые кажутся нам враждебными.

Некоторые ранее идентифицированные виды Асгарда предпочитают гидротермальные жерла, подземные водоносные горизонты или другие среды с необычной химией, что дополняет представления о том, как гидротермальные источники могли повлиять на раннюю эволюцию жизни.

Недавно идентифицированные Hodarchaeales, вероятно, отделились от других линий Асгарда глубоко в прошлом Земли, задолго до появления животных.

Геномные модели намекают на то, что эти микробы благоприятствовали более прохладным настройкам и потребляли органический углерод, похожий по духу на современную сложную жизнь.

Познакомьтесь с микробами Асгарда

Археи Асгарда впервые появились на свет, когда ученые просеяли ДНК в арктической грязи морского дна возле гидротермального жерла по прозвищу Замок Локи.

Эти первые геномы выявили несколько ветвей, включая Локиархаэтоту, Торарчаэтоту, Одинархареоту и Хеймдалларшаэтоту, каждый из которых назван в честь норвежского бога.

Поскольку эти микробы так трудно выращивать в лаборатории, исследователи в значительной степени полагаются на метагеномы, то есть всю ДНК, собранную из образца окружающей среды.

Осадки из вентиляционных отверстий, русел рек, водоносных горизонтов и горячих источников теперь заполнили генеалогическое древо Асгарда многими другими линиями.

Микробы с отвращением к лабораторной посуде

Большинство видов Асгарда по-прежнему отказываются расти в лабораторной посуде, хотя одно известное исключение сдалось после более чем десятилетней работы пациентов.

Этот организм был назван Prometheoarchaeum syntrophicum, микробом, который живет без кислорода и зависит от партнеров, которые едят его отходы водорода.

Микроскопия на культивированных и обогащенных клетках Асгарда показала удивительную физическую сложность, в том числе тонкие разветвленные расширения, которые простираются от тела клетки.

Эти наблюдения показывают, что некоторые микробы Асгарда используют актиновые белки для формирования своих клеток, затрагивая особенности, которые когда-то считались уникальными для эукариот.

Подсказки из древних геномов

Чтобы выяснить, где эукариоты помещаются на древесине жизни, ученые применили филогеномию, сравнив сразу множество генов между видами.

Вместо того чтобы полагаться на одну белковую семью, команда протестировала несколько наборов маркеров и скорректировала предубеждения, которые могут исказить глубокие эволюционные отношения.

Ветви Асгарда, близкие к Ходархейлсу, показывают много дублирования генов и несколько потерь, производя геномы, которые больше, чем у большинства архей.

Эта модель соответствует идее, что копирование генов обеспечило сырье для более сложных наборов инструментов, наблюдаемых в более поздних эукариотических клетках.

Понимание оригинального эукариота

Все это подпитывает большую головоломку, известную как эукариогенез, цепь событий, которые произвели первую сложную клетку.

"Наличие этого общего предка — это большой шаг в понимании этого", — сказал Бретт Бейкер, исследователь из Техасского университета в Остине.

Авторы также проверили, насколько устойчивы их деревья к различным предположениям, и указали, где остается неопределенность, особенно для самых глубоких ветвей.

Некоторые разделы анализа все еще находятся на техническом рассмотрении, что подчеркивает, насколько чувствительны эти древние вопросы.

От горячих вентиляционных отверстий до мягких морей

Отслеживая метаболические гены, команда пришла к выводу, что самым ранним предком Асгарда был хемолитотроф, микроб, который получает энергию от неорганических химических веществ.

Он, вероятно, жил в очень жарких условиях и использовал углекислый газ в качестве строительного материала, так же, как некоторые микробы вокруг современных гидротермальных жерл.

Позже ветви Асгарда, в том числе Heimdallarcheaia и Hodarchaeales, похоже, адаптировались к жизни как мезофилы, организмы, которые предпочитают умеренные температуры.

По этому пути линия, которая привела к эукариотам, похоже, превратилась из углерода, сделанного самостоятельно, в пищу, приготовленную соседями.

Асгард археи потребляли органические молекулы

Генетические реконструкции предполагают, что эти предки вели себя как гетеротрофы, организмы, которые собирают энергию, потребляя органические соединения, а не делая их с нуля.

Модели их метаболизма даже указывают на простые дыхательные цепи, которые, возможно, использовали нитрат вместо кислорода в качестве конечного акцептора электронов.

Жизнь в более прохладных, химически разнообразных условиях, где бактерии уже были заняты, возможно, облегчила этим предкам формирование стабильных партнерских отношений.

Считается, что такие партнерские отношения породили митохондрии, энергопроизводящие структуры, которые определяют современные эукариотические клетки и напрямую связаны с вопросами происхождения жизни.

Почему эти микробы все еще важны

Открытия Асгарда подпитывают дебаты о том, разделяется ли жизнь на три области или на две, с бактериями, кроме комбинированной ветви археи-эукариот.

В одном обзоре утверждается, что растущий список линий Асгарда, наряду с их эукариотоподобными белками, решительно поддерживает картину двух доменов.

В то же время более новые анализы с различными наборами данных могут размещать эукариоты за пределами группы Хеймдаллархея, сохраняя их в Асгарде в целом.

Эта работа подчеркивает, как выводы о таких древних событиях могут зависеть от того, какие гены и модели используются.

Исследования Асгарда в будущем

Изображения из этих нескольких культур показывают клетки, которые структурно более разнообразны, чем многие знакомые бактерии, но все еще не имеют очевидных внутренних отсеков, таких как ядра.

Исследователи надеются, что привлечение большего количества видов Асгарда в культуру покажет, как их клеточные поверхности и партнерские отношения помогли проложить путь для сложных клеток.

Каждая новая ветвь Асгарда, добавленная в генеалогическое древо, обостряет историю о том, как один тип микроба в конечном итоге привел к лесам, животным и человеческим обществам.

В этом смысле изучение Ходархайлеса и их родственников также означает изучение нашего собственного глубокого происхождения как сложных пучков клеток.