Что общего у ясеня, белой плесени и Илона Маска? Наличие мембранных органоидов – «внутренних органов» их клеток. Но как они появились?
В клетках растений, грибов и животных располагаются различные органоиды - этакие мешочки, ограниченные мембраной или двумя, каждый из которых выполняет свою функцию. Например, лизосомы переваривают попавшие в клетку кусочки пищи, эндоплазматическая сеть хранит, транспортирует и модифицирует белки, митохондрии сжигают (окисляют) органические вещества и получают энергию. Даже в обычный световой микроскоп можно разглядеть в клетке ядро, крупный органоид с двойной мембраной, внутри которого хранится ДНК - зашифрованная инструкция по сборке всех нужных для работы клетки белков. Ядро контролирует “инструкцию”, а, значит, и все протекающие в клетке процессы. Подобным образом устроены клетки привычных нам живых существ - растений, грибов и животных, в том числе людей, конечно же. Всех их объединяют в один большой таксон – эукариоты.
Однако есть создания, клетки которых организованы совершенно иначе. У них только одна мембрана, внешняя. Даже их ДНК лежит открыто, не защищённая дополнительными оболочками. Несмотря на простоту строения, эти существа куда более многочисленны, чем эукариоты. Их можно встретить в любом водоëме, в почве, в воздухе, в арктических льдах и в кипящих серных источниках. Больше миллиарда лет они были доминирующей, считай, единственной формой жизни на планете. Речь, конечно же, о прокариотах - бактериях и археях.
Первые бактерии появились примерно три с половиной миллиарда лет назад. Земля тогда довольно сильно отличалась от того, к чему мы привыкли: атмосфера из метана и других углеводородов, безжизненная, выжженная солнцем суша. В водах океана были растворены органические вещества - азотистые основания, полипептиды, аминокислоты. В двух словах - первичный бульон.
В этом бульоне появились и расплодились всяческие прокариоты. Сначала те, которые добывали необходимую для жизни энергию из органики с помощью реакций брожения и гниения - анаэробные гетеротрофы. Позже некоторые из прокариот стали использовать кислород для окисления растворенной в воде органики, получая из неë ещё больше энергии - аэробные гетеротрофы. Постепенно органические вещества в воде начали заканчиваться, пришлось бактериям придумывать новые способы добывать пищу. Так появились сначала хемосинтетики, получавшие энергию из реакций неорганических веществ, а потом и фотосинтетики, которые сами создавали органические вещества их неорганических с помощью энергии солнца.
Прокариотические организмы разных типов жили рядышком, образуя сообщества, называемые бактериальными матами. На поверхности селились фотосинтетики и аэробные гетеротрофы - фотосинтетики выделяли кислород в процессе жизнедеятельности, а аэробные гетеротрофы использовали его для окисления органики. Под ними, в глубине мата, жили анаэробные прокариоты, которым кислород был не нужен и даже вреден, и подъедали отходы и мёртвые останки жителей верхних слоёв.
В какой-то момент сотрудничество бактерий перешло на новый уровень - аэробные гетеротрофные бактерии начали жить внутри анаэробных гетеротрофных архей. Как именно это произошло понятно не совсем, то ли аэробные клетки были паразитами анаэробных, то ли анаэробные археи каким-то образом поглощали аэробных прокариот, например, формируя из своей мембраны кармашки или складки, из которых аэробы не могли выбраться. Так или иначе, архей получил от этого союза много пользы - он получал от аэробной бактерии энергию, которую та вырабатывала, окисляя органику. Позже аэробные бактерии утратили автономность, и из симбионтов превратились в органоиды, став неотъемлемой и постоянной частью большой клетки. Так, видимо, появились митохондрии.
А как же появилось ядро? Тут не совсем понятно, но есть несколько версий. Возможно, ядро когда-то было большим вирусом, поселившимся внутри археи и постепенно подчинившим себе всю клетку и захватившим еë гены. Или архейная клетка создала ядерную оболочку из впячивания клеточной мембраны, чтобы защитить свою ДНК от симбионтов-митохондрий. А может мембрана ядра это есть мембрана изначальной, исходной архейной клетки, а цитоплазма и цитоплазматическая мембрана сформировались в результате слияния выростов, которыми архея хватала симбионтов (будущих митохондрий). Эта версия, к тому же, объясняет появление эндоплазматической сети - она сформировалась из пространства между исходной архейной и исходной бактериальной клеткой.
С ядром, короче, не совсем понятно. Зато с хлоропластами картина яснее. Хлоропласты появились, потому что древний эукариот сожрал и поработил фотосинтезирующую цианобактерию, заставив вырабатывать для себя органику. Или один эукариот мог проглотить другого эукариота, ранее проглотившего цианобактерию (так появились хлоропласты эвглены зеленой).
Есть много пословиц и цитат восточных мудрецов на тему того, что с жизненными неурядицами проще справляться вместе, чем поодиночке. Этот принцип сработал и в истории эукариот, которые, благодаря своей разносторонней природе, смогли позволить себе больший геном, более сложное строение, многоклеточность, половое размножение и, как следствие, сравнительно быстрый темп эволюции.
Так что, если хочешь идти быстро - иди один, если хочешь идти далеко - найди талантливых в разных вещах союзников и используй их сильные стороны себе на пользу.
#биология #наука #интересные факты #бактерии #эукариоты #митохондрии
Текст и иллюстрации - Анастасия Себенцова
