Ученые сходятся во мнении, что сложная жизнь – растения, животные и грибы, известные как эукариоты, – возникла в результате тесного партнерства двух очень разных микробов. Однако многие годы оставался нерешенным ключевой вопрос: как эти два организма могли встретиться, если одному для выживания требовался кислород, а другой, как считалось, мог существовать только в бескислородной среде?
Исследователи из Техасского университета в Остине представили доказательства, которые могут разрешить эту загадку. В статье, опубликованной в журнале Nature, команда сосредоточилась на группе микробов под названием асгард-археи – ближайших известных родственниках предков сложной жизни. Хотя большинство асгардов обитают в глубоководных или других бедных кислородом условиях, новое исследование показывает, что некоторые члены этой группы способны переносить кислород или даже использовать его. Это открытие укрепляет давнюю теорию о том, что сложная жизнь эволюционировала именно в среде, где присутствовал кислород.
«Большинство асгардов, живущих сегодня, были найдены в бескислородной среде, – объясняет Бретт Бейкер, доцент морских наук и интегративной биологии. – Но оказывается, что те из них, кто наиболее тесно связан с эукариотами, живут в местах с кислородом, таких как мелководные прибрежные отложения и толща воды, и у них есть множество метаболических путей, использующих кислород. Это говорит о том, что наш эукариотический предок, вероятно, тоже обладал этими процессами».
Выводы команды Бейкера согласуются с реконструкциями ранней атмосферы Земли, сделанными геологами и палеонтологами. Более 1,7 миллиарда лет назад уровень кислорода был крайне низким, но затем резко вырос во время так называемой Кислородной катастрофы. Вскоре после этого драматического события в палеонтологической летописи появляются первые известные микроокаменелости эукариот. Такая временная близость событий предполагает, что кислород мог сыграть решающую роль в появлении сложной жизни. «Тот факт, что некоторые асгарды, наши предки, смогли использовать кислород, очень хорошо вписывается в эту картину», – добавляет Бейкер.
Согласно доминирующей модели, эукариоты возникли, когда асгард-архея вступила в симбиотические отношения с альфапротеобактерией. Со временем эти два организма объединились в единую клетку, а альфапротеобактерия эволюционировала в митохондрию – структуру внутри эукариотических клеток, отвечающую за выработку энергии.
В ходе исследования ученые значительно расширили известное генетическое разнообразие асгард-архей. Начав с извлечения ДНК из морских отложений, команда проанализировала около 15 терабайт данных и собрала более 13 000 новых микробных геномов. Это позволило обнаружить сотни новых геномов асгардов, практически удвоив их известное разнообразие и выявив ранее неизвестные группы белков. «Такой масштабный анализ позволил нам увидеть закономерности, которые были невидимы ранее», – отмечает соавтор исследования Кэтрин Эпплер.
Затем команда более детально изучила одну из групп – хеймдалльархей, сравнив их белки с белками эукариот, участвующими в производстве энергии. Для этого использовалась система искусственного интеллекта AlphaFold2, которая предсказала трехмерные формы белков. Поскольку структура белка определяет его функцию, этот анализ дал важные подсказки. Результаты показали, что несколько белков хеймдалльархей поразительно похожи на те, что используются эукариотическими клетками для эффективного метаболизма на основе кислорода. Это структурное сходство служит дополнительным подтверждением идеи, что предки сложной жизни уже были адаптированы к использованию кислорода.
