Команда исследователей из Техасского университета в Остине представила новые данные о том, как могла появиться вся сложная жизнь на Земле. Долгое время считалось, что эукариоты — растения, животные и грибы — возникли в результате симбиоза двух разных микробов. Главная загадка заключалась в том, что один микроб нуждался в кислороде, а другой привычно обитал в бескислородных средах, и непонятно было, как они оказались вместе.
Новое исследование, опубликованное в Nature, показывает, что некоторые древние археи рода Асгард, предки эукариот, могли использовать кислород или хотя бы переносить его.
«Большинство современных асгардов обнаружены в бескислородных зонах. Но те, что ближе всего к эукариотам, живут в мелководных прибрежных отложениях и в толще воды, и у них есть метаболические пути, работающие с кислородом. Это говорит о том, что у нашего общего предка тоже могли быть подобные процессы», — пояснил Бретт Бейкер, доцент кафедры морских наук и интегративной биологии
Расширенное древо жизни и геномное разнообразие
Команда исследовала более 13 000 новых микробных геномов, почти удвоив известное разнообразие архей Асгард. Это позволило построить расширенное древо жизни и выявить ранее неизвестные группы ферментов, которые удваивают количество известных классов белков. Особое внимание уделялось Heimdallarchaeia — археям, тесно связанным с эукариотами, но встречающимся редко.
Используя искусственный интеллект AlphaFold2, ученые предсказали трехмерную структуру белков этих архей и обнаружили сильное сходство с белками эукариот, участвующими в кислородном обмене и энергоэффективном метаболизме.
«Эти археи часто остаются незамеченными при обычном секвенировании. Масштабное секвенирование и структурный анализ позволили выявить закономерности, которые ранее были недоступны», — пояснила Кэтрин Эпплер, соавтор исследования из Института Пастера
Кислород как катализатор эволюции
Примерно 1,7 миллиарда лет назад в атмосфере Земли почти не было кислорода. После Великого окислительного события его количество резко выросло, и уже через несколько сотен тысяч лет появились первые сложные клетки. Оказалось, что древние археи рода Асгард умели использовать кислород, что давало им дополнительную энергию и создавало условия для симбиоза с альфапротеобактериями, которые со временем превратились в митохондрии – «энергетические станции» внутри клеток.
«Кислород появился в окружающей среде, асгарды адаптировались к нему, получили энергетическое преимущество и эволюционировали в эукариоты», — добавил Бейкер.
Масштабное исследование и международное сотрудничество
Проект начался в 2019 году с извлечения ДНК из морских отложений и включал обработку примерно 15 терабайт экологической информации. Команда собрала данные из нескольких морских экспедиций и проанализировала тысячи геномов, что позволило определить новые линии архей, расширить представление о ферментативном разнообразии и выявить ранее неизвестные белки, связанные с кислородным метаболизмом.
В исследовании участвовали ученые из США, Китая, Нидерландов, Франции, Австрии и Австралии. Такое сотрудничество позволило не только расширить каталог архей Асгард, но и связать их генетические особенности с геологической и палеонтологической картиной Земли.
Выводы для понимания эволюции
Результаты исследования подтверждают модель эукариогенеза: сложные клетки возникли благодаря симбиозу археи и бактерии, что привело к появлению митохондрий и более сложных форм жизни. Новые данные дают представление о том, как древние микроорганизмы адаптировались к кислородной среде и обеспечили энергетические условия для эволюции эукариот.
«Мы видим, что наши предки использовали кислород и благодаря этому эволюция пошла по пути появления сложной жизни», — заключил Бейкер.
Ключ к происхождению жизни: открыта РНК, способная к синтезу своей копии
Ученые обнаружили гены старше «общего предка всей жизни» на Земле
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram