12 биологических новостей в картинках

Вообще, мы серьезные люди. Гранит науки хрустит на наших зубах. Мы освещаем такие суровые, такие сложные закоулки биологического знания, до которых не дотянулись фонари других научно-популярных сайтов. Но иногда нам так хочется подурачиться. И рассказать о науке веселым языком, показать ее под другим углом. Нарисовать забавных картинок, написать легкий и смешной текст. Поэтому мы и открыли новую рубрику — «12 биологических новостей в картинках».

Интеллектуальный партнер этих иллюстрированных рассказов — АО РВК.

Многообразие живых организмов крайне велико, но, в конечном счете, всех их можно поделить на две большие группы: прокариоты (то есть организмы без ядра) и эукариоты (организмы, клетки которых содержат ядра). Прокариоты, в свою очередь, подразделяются на бактерий и архей. Пониманием того, что все живое нужно делить не на два, а на три домена жизни — эукариоты, бактерии и археи, — мы обязаны американскому ученому немецкого происхождения Карлу Вёзе [1], сделавшему этот вывод на основе методики молекулярной филогении [2].

Сложно представить, что может быть общего у таких, казалось бы, совершенно разных существ — ядерных и безъядерных; сложно организованных, как человек, и простых, как микоплазма; огромных, как слон, и микроскопических, как инфузория-туфелька. Однако ученые показали, что все-таки существуют гены, общие как для про-, так и для эукариот [3, 4, 5]. Из этого можно сделать вывод, что достались они им от кого-то «по наследству». LUCA (Last Universal Common Ancestor) или последний всеобщий предок — это одноклеточный, похожий на бактерию организм, который жил на Земле около четырех миллиардов лет назад. Именно он и является генетическим «папой» современных живых существ. Исследователи заинтересовались, как именно жил LUCA, какой была окружающая его среда и насколько комфортными были условия его жизни.

Выяснила это группа ученых из Германии [6]. Они сравнивали между собой бактерий и архей, точнее, последовательности их генов, которые кодируют различные белки. Исследователями была проделана огромная работа — они провели филогенетический анализ более чем шести миллионов генов! Этот способ позволяет установить родственные связи между живыми организмами на основании изучения структуры таких макромолекул, как ДНК, РНК и белков. В результате выяснилось, что только 355 генов из проанализированных шести миллионов оказались гомологичными. Гомологичные гены имеют сходную последовательность нуклеотидов, общее происхождение и контролируют один и тот же признак. А раз так, значит, высока вероятность того, что именно они и передались потомкам от их общего предка — LUCA.

Следующий этап оказался самым интересным — ученым нужно было идентифицировать, какие именно 355 генов оказались сходными для бактерий и архей. И результат их немало удивил. Выяснилось, что это гены, которые отвечают за жизнь в экстремальных условиях. Было показано, что LUCA был анаэробом, термофилом и CO₂-фиксирующим водородзависимым автотрофом. Иными словами, он был очень крут, поскольку выживать ему приходилось в бескислородных условиях при температуре выше 42 градусов, а энергию для построения тела он черпал из неорганических веществ окружающей среды.

Также было установлено, что ближайшие родственники LUCA среди современных микробов — метаногены и ацетогенные бактерии. Примечательно, что эти микроорганизмы одни из древнейших: например, метаногены появились на нашей планете приблизительно 2,2 млрд лет назад. Вероятно, подобные им микроорганизмы существовали и ранее. Недавно были обнаружены окаменелости, возможно, бактериальной природы возрастом 3770–4280 миллионов лет [7]. Метаногены и ацетогены идеально приспособлены к жизни в суровых условиях, совсем как LUCA. Все дело в том, что для роста и энергетического обмена этих бактерий особое значение имеют такие реактивные химические структуры, как метильные группы. Они в большом количестве образуются в гидротермальных источниках, богатых серой и переходными металлами, которые не менее важны для жизнедеятельности этих бактерий.

Новое открытие обостряет дебаты между теми, кто считает, что жизнь зародилась в экстремальных условиях, и теми, кто выступает за более традиционные взгляды. Многие исследователи были уверены в том, что жизнь появилась в «теплом маленьком пруду» — так предполагал и Дарвин. Но последнее исследование доказывает, что LUCA обитал в глубоководном жерле, подобном «черному курильщику», а температура в таком месте может достигать 400 °С! Также немецкие ученые считают, что корректнее называть LUCA общим предком только для архей и бактерий, но не эукариот — ведь совпадения в образе жизни были найдены только с первыми двумя, а эукариоты — это результат развития именно прокариот, а не собственно LUCA. В любом случае, хочется поблагодарить LUCA за то, что он сумел выжить в таких суровых условиях и дать начало новой жизни, приведшей к появлению бурного биологического разнообразия, которое мы можем наблюдать сейчас: бактерий, растений, животных и, в том числе, человека.

Гипотезы о том, что жизнь зародилась в геотермальных источниках придерживается и британский ученый Майк Рассел. О его опытах по воспроизведению абиогенеза в лабораторных условиях рассказывает статья «К вопросу о происхождении жизни» [8]. — Ред.

Литература

1. Карл Вёзе (1928–2012);
2. Как прочитать эволюцию по генам?;
3. Eugene V. Koonin. (2003). Comparative genomics, minimal gene-sets and the last universal common ancestor. Nat Rev Micro. 1, 127-136;
4. Christos A. Ouzounis, Victor Kunin, Nikos Darzentas, Leon Goldovsky. (2006). A minimal estimate for the gene content of the last universal common ancestor—exobiology from a terrestrial perspective. Research in Microbiology. 157, 57-68;
5. Lavanya Kannan, Hua Li, Boris Rubinstein, Arcady Mushegian. (2013). Models of gene gain and gene loss for probabilistic reconstruction of gene content in the last universal common ancestor of life. Biol Direct. 8, undefined;
6. Madeline C. Weiss, Filipa L. Sousa, Natalia Mrnjavac, Sinje Neukirchen, Mayo Roettger, Shijulal Nelson-Sathi, et al.. (2016). The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nat. Microbiol. 1, 16116;
7. Matthew S. Dodd, Dominic Papineau, Tor Grenne, John F. Slack, Martin Rittner, Franco Pirajno, et al.. (2017). Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates. Nature. 543, 60-64;
8. К вопросу о происхождении жизни.