Что появилось после бактерий
Эволюция — от микроба до человека
Жизнь на Земле появилась миллиарды лет назад, и с тех пор живые организмы становились всё сложнее и разнообразнее. Существует множество доказательств того, что всё живое на нашей планете имеет общее происхождение. Хотя механизм эволюции ещё не до конца понятен учёным, сам её факт не подлежит сомнению. В этом посте — о том, какой путь прошло развитие жизни на Земле от самых простейших форм до человека, какими были много миллионов лет назад наши далёкие предки. Итак, от кого же произошёл человек?
Земля возникла 4,6 миллиардов лет назад из газопылевого облака, окружавшего Солнце. В начальный период существования нашей планеты условия на ней были не очень комфортными — в окружающем космическом пространстве летало ещё много обломков, которые постоянно бомбардировали Землю. Считается, что 4,5 млрд лет назад Земля столкнулась с другой планетой, в результате этого столкновения образовалась Луна. Первоначально Луна была очень близко к Земле, но постепенно отдалялась. Из-за частых столкновений в это время поверхность Земли находилась в расплавленном состоянии, имела очень плотную атмосферу, а температура на поверхности превышала 200°C. Через некоторое время поверхность затвердела, образовалась земная кора, появились первые материки и океаны. Возраст самых древних исследованных горных пород составляет 4 миллиарда лет.
1) Древнейший предок. Археи.
Жизнь на Земле появилась, согласно современным представлениям, 3,8—4,1 млрд лет назад (самому раннему из найденных следов бактерий 3,5 млрд лет). Как именно возникла жизнь на Земле, до сих пор надёжно не установлено. Но вероятно, уже 3,5 млрд. лет назад, существовал одноклеточный организм, который имел все черты, присущие всем современным живым организмам и был для всех них общим предком. От этого организма всем его потомкам достались черты строения (все они состоят из клеток, окружённых оболочкой), способ хранения генетического кода (в закрученных двойной спиралью молекулах ДНК), способ хранения энергии (в молекулах АТФ) и т. д. От этого общего предка произошли три основные группы одноклеточных организмов, существующих до сих пор. Сначала разделились между собой бактерии и археи, а затем от архей произошли эукариоты — организмы, клетки которых имеют ядро.
Археи почти не изменились за миллиарды лет эволюции, вероятно примерно так же выглядели и древнейшие предки человека
Хотя археи дали начало эволюции, многие из них дожили до наших дней почти в неизменном виде. И это не удивительно — с древних времён археи сохранили способность выживать в самых экстремальных условиях — при отсутствии кислорода и солнечного света, в агрессивных — кислых, солёных и щелочных средах, при высоких (некоторые виды прекрасно чувствуют себя даже в кипятке) и низких температурах, при высоких давлениях, также они способны питаться самыми разными органическими и неорганическими веществами. Их далёкие высокоорганизованные потомки совсем не могут этим похвастаться.
2) Эукариоты. Жгутиковые.
Длительное время экстремальные условия на планете мешали развитию сложных форм жизни, и на ней безраздельно господствовали бактерии и археи. Примерно 3 млрд. лет назад на Земле появляются цианобактерии. Они начинают использовать процесс фотосинтеза для поглощения углерода из атмосферы, выделяя при этом кислород. Выделяющийся кислород сначала расходуется на окисление горных пород и железа в океане, а затем начинает накапливаться в атмосфере. 2,4 млрд. лет назад происходит «кислородная катастрофа» — резкое повышение содержание кислорода в атмосфере Земли. Это приводит к большим изменениям. Для многих организмов кислород оказывается вреден, и они вымирают, заменяясь такими, которые наоборот, используют кислород для дыхания. Меняется состав атмосферы и климат, становится значительно холоднее из-за падения содержания парниковых газов, но появляется озоновый слой, защищающий Землю от вредного ультрафиолетового излучения.
Примерно 1,7 млрд лет назад от архей произошли эукариоты — одноклеточные организмы, клетки которых имели более сложное строение. Их клетки, в частности, содержали ядро. Впрочем, возникшие эукариоты имели не одного предшественника. Например, митохондрии, важные составляющие клеток всех сложных живых организмов, произошли от свободноживущих бактерий, захваченных древними эукариотами.
Существует много разновидностей одноклеточных эукариот. Считается, что все животные, а значит и человек, произошли от одноклеточных организмов, которые научились передвигаться при помощи жгутика, расположенного сзади клетки. Жгутики также помогают фильтровать воду в поисках пищи.
Хоанофлагеллаты под микроскопом, как полагают учёные, именно от подобных существ некогда произошли все животные
Некоторые виды жгутиковых живут, объединяясь в колонии, считается, что из таких колоний простейших жгутиковых некогда произошли первые многоклеточные животные.
3) Развитие многоклеточных. Билатерии.
Примерно 1,2 млрд. лет назад появляются первые многоклеточные организмы. Но эволюция всё ещё медленно продвигается, вдобавок развитию жизни мешают разные катаклизмы. Так, 850 млн. лет назад начинается глобальное оледенение. Планета более чем на 200 млн. лет покрывается льдом и снегом.
Точные детали эволюции многоклеточных, к сожалению, неизвестны. Но известно, что через некоторое время первые многоклеточные животные разделились на группы. Дожившие до наших дней без особых изменений губки и пластинчатые не имеют отдельных органов и тканей и отфильтровывают питательные вещества из воды. Ненамного сложнее устроены кишечнополостные, имеющие лишь одну полость и примитивную нервную систему. Все же остальные более развитые животные, от червей до млекопитающих, относятся к группе билатерий, и их отличительным признаком является двусторонняя симметрия тела. Когда появились первые билатерии, доподлинно неизвестно, вероятно это произошло вскоре после окончания глобального оледенения. Формирование двусторонней симметрии и появление первых групп билатеральных животных, вероятно, происходило между 620 и 545 млн. лет назад. Находки ископаемых отпечатков первых билатерий относятся ко времени 558 млн. лет назад.
Кимберелла (отпечаток, внешний вид) — один из первых обнаруженных видов билатерий
Вскоре после своего возникновения билатерии разделяются на первичноротых и вторичноротых. От первичноротых происходят почти все беспозвоночные животные — черви, моллюски, членистоногие и т. д. Эволюция вторичноротых приводит к появлению иглокожих (таких, как морские ежи и звёзды), полухордовых и хордовых (к которым относится и человек).
Недавно в Китае были найдены остатки существ, получивших название Saccorhytus coronarius. Они жили примерно 540 млн. лет назад. По всем признакам это маленькое (размером всего около 1 мм) существо было предком всех вторичноротых животных, а значит, и человека.
4) Появление хордовых. Первые рыбы.
540 млн. лет назад происходит «кембрийский взрыв» — за очень короткий период времени появляется огромное число самых разных видов морских животных. Фауну этого периода удалось хорошо изучить благодаря сланцам Бёрджес в Канаде, где сохранились остатки огромного числа организмов этого периода.
Некоторые из животных кембрийского периода, останки которых найдены в сланцах Бёрджес
В сланцах нашли множество удивительных животных, к сожалению, давно вымерших. Но одной из наиболее интересных находок стало обнаружение останков небольшого животного, получившего название пикайя. Это животное — самый ранний из найденных представителей типа хордовых.
Пикайя (останки, рисунок)
У пикайи были жабры, простейший кишечник и кровеносная система, а также небольшие шупальца возле рта. Это небольшое, размером около 4 см. животное напоминает современных ланцетников.
Появление рыб не заставило себя долго ждать. Первым из найденных животных, которое можно отнести к рыбам, считается хайкоуихтис. Он был ещё меньше пикайи (всего 2,5 см), но у него уже были глаза и головной мозг.
Примерно так выглядел хайкоуихтис
Пикайя и хайкоуихтис появились между 540 и 530 млн. лет назад.
Вслед за ними в морях вскоре появилось множество рыб большего размера.
Первые ископаемые рыбы
5) Эволюция рыб. Панцирные и первые костные рыбы.
Эволюция рыб продолжалась довольно долго, и поначалу они совсем не были доминирующей группой живых существ в морях, как сегодня. Напротив, им приходилось спасаться от таких крупных хищников, как ракоскорпионы. Появились рыбы, у которых голова и часть туловища были защищены панцирем (считается, что череп впоследствии развился из такого панциря).
Первые рыбы были бесчелюстными, вероятно, они питались мелкими организмами и органическими остатками, втягивая и фильтруя воду. Лишь около 430 млн. лет назад появились первые рыбы, имеющие челюсти — плакодермы, или панцирные рыбы. Голова и часть туловища у них была прикрыта костным панцирем, обтянутым кожей.
Древняя панцирная рыба
Некоторые из панцирных рыб приобрели большие размеры и стали вести хищный образ жизни, но дальнейший шаг в эволюции был сделан благодаря появлению костных рыб. Предположительно, от панцирных рыб произошёл общий предок хрящевых и костных рыб, населяющих современные моря, а сами панцирные рыбы, появившиеся примерно в одно с ними время акантоды, а также почти все бесчелюстные рыбы впоследствии вымерли.
Entelognathus primordialis — вероятная промежуточная форма между панцирными и костными рыбами, жил 419 млн. лет назад
Самой первой из обнаруженных костных рыб, а значит, и предком всех сухопутных позвоночных, включая человека, считается живший 415 млн. лет назад Guiyu Oneiros. По сравнению с хищными панцирными рыбами, достигавшими в длину 10 м, эта рыба была небольшой — всего 33 см.
6) Рыбы выходят на сушу.
Пока рыбы продолжали эволюционировать в море, растения и животные других классов уже выбрались на сушу (следы присутствия на ней лишайников и членистоногих обнаруживаются ещё 480 млн. лет назад). Но в конце концов освоением суши занялись и рыбы. От первых костных рыб произошли два класса — лучепёрые и лопастопёрые. К лучепёрым относится большинство современных рыб, и они прекрасно приспособлены для жизни в воде. Лопастепёрые, напротив, приспособились к жизни на мелководье и в небольших пресных водоёмах, в результате чего их плавники удлинились, а плавательный пузырь постепенно превратился в примитивные лёгкие. В результате эти рыбы научились дышать воздухом и ползать по суше.
Эвстеноптерон (Eusthenopteron) — одна из ископаемых кистепёрых рыб, которая считается предком сухопутных позвоночных. Эти рыбы жили 385 млн. лет назад и достигали длины 1,8 м.
Panderichthys — ещё одна кистепёрая рыба, которая считается вероятной промежуточной формой эволюции рыб в земноводных. Она уже могла дышать лёгкими и выползать на сушу.
Тиктаалик, найденные останки которого относятся ко времени 375 млн. лет назад, был ещё ближе к земноводным. У него были рёбра и лёгкие, он мог вертеть головой отдельно от туловища.
Одними из первых животных, которых причисляют уже не к рыбам, а к земноводным, стали ихтиостеги. Они жили около 365 млн. лет назад. Эти небольшие животные длиной около метра, хотя уже и имели лапы вместо плавников, всё ещё с трудом могли передвигаться по суше и вели полуводный образ жизни.
На время выхода позвоночных на сушу пришлось очередное массовое вымирание — девонское. Оно началось примерно 374 млн. лет назад, и привело к вымиранию почти всех бесчелюстных рыб, панцирных рыб, многих кораллов и других групп живых организмов. Тем не менее первые земноводные выжили, хотя им и понадобился ещё не один миллион лет, чтобы более-менее адаптироваться к жизни на суше.
7) Первые рептилии. Синапсиды.
Начавшийся примерно 360 млн. лет назад и продолжавшийся 60 млн. лет каменноугольный период был очень благоприятен для земноводных. Значительную часть суши покрывали болота, климат был тёплым и влажным. В таких условиях многие земноводные продолжали жить в воде или около неё. Но примерно 340-330 млн. лет назад некоторые из земноводных решили освоить и более сухие места. У них развились более сильные конечности, появились более развитые лёгкие, кожа, наоборот стала сухой, чтобы не терять влагу. Но чтобы действительно длительное время жить далеко от воды, нужно было ещё одно важное изменение, ведь земноводные, как и рыбы, метали икру, и их потомство должно было развиваться в водной среде. И около 330 млн. лет назад появились первые амниоты, т. е. животные, способные откладывать яйца. Оболочка первых яиц была ещё мягкой, а не твёрдой, тем не менее, их уже можно было откладывать на суше, а значит, потомство уже могло появляться вне водоёма, минуя стадию головастиков.
Учёные до сих пор путаются в классификации земноводных каменноугольного периода, а также в том, считать ли некоторые ископаемые виды уже ранними рептилиями, либо всё ещё земноводными, приобретшими лишь некоторые черты рептилий. Так или иначе, эти то ли первые рептилии, то ли рептилоподобные земноводные выглядели примерно так:
Вестлотиана — небольшое животное длиной около 20 см., сочетавшее черты рептилий и земноводных. Жило примерно 338 млн. лет назад.
А затем ранние рептилии разделились, дав начало трём большим группам животных. Палеонтологи выделяют эти группы по строению черепа — по числу отверстий, через которые могут проходить мышцы. На рисунке сверху вниз черепа анапсида, синапсида и диапсида:
При этом анапсидов и диапсидов часто объединяют в группу завропсидов. Казалось бы, отличие совершенно незначительное, тем не менее, дальнейшая эволюция этих групп пошла совершенно разными путями.
От завропсидов произошли более продвинутые рептилии, включая динозавров, а затем птицы. Синапсиды же дали начало ветви звероподобных ящеров, а затем и млекопитающим.
300 млн. лет назад начался Пермский период. Климат стал более сухим и холодным и на суше стали доминировать ранние синапсиды — пеликозавры. Одним из пеликозавров был Диметродон, имевший в длину до 4х метров. На спине у него был большой «парус», который помогал регулировать температуру тела: быстро охладиться при перегреве или, наоборот, быстро согреться, подставив спину солнцу.
Считается, что огромный диметродон является предком всех млекопитающих, а значит, и человека.
8) Цинодонты. Первые млекопитающие.
В середине Пермского периода от пеликозавров происходят терапсиды, больше уже похожие на зверей, чем на ящеров. Выглядели терапсиды примерно так:
Типичный терапсид Пермского периода
В течение Пермского периода возникло много видов терапсид, больших и маленьких. Но 250 млн. лет назад происходит мощный катаклизм. Из-за резкого усиления вулканической активности температура повышается, климат становится очень сухим и жарким, большие площади суши заливает лава, а атмосферу наполняют вредные вулканические газы. Происходит Великое Пермское вымирание, самое масштабное в истории Земли массовое вымирание видов, вымирают до 95% морских и около 70% сухопутных видов. Из всех терапсид выживает лишь одна группа — цинодонты.
Цинодонты были животными преимущественно небольшого размера, от нескольких сантиметров до 1-2 метров. Среди них были как хищники, так и травоядные.
Циногнат — вид хищных цинодонтов, живших около 240 млн. лет назад. Был в длину около 1.2 метра, один из возможных предков млекопитающих.
Однако, после того, как климат наладился, цинодонтам было не суждено захватить планету. Диапсиды перехватили инициативу — от мелких рептилий произошли динозавры, которые вскоре заняли большинство экологических ниш. Цинодонты не могли с ними тягаться, они измельчали, им пришлось прятаться в норах и выжидать. Реванш удалось взять нескоро.
Однако цинодонты выживали, как могли, и продолжали эволюционировать, всё больше становясь похожими на млекопитающих:
Наконец, от цинодонтов произошли первые млекопитающие. Они были маленькими и вели, предположительно, ночной образ жизни. Опасное существование среди большого количества хищников способствовало сильному развитию всех органов чувств.
Одним из первых настоящих млекопитающих считается Мегазостродон.
Мегазостродон жил примерно 200 млн. лет назад. Его длина была всего около 10 см. Мегазостродон питался насекомыми, червями и другими мелкими животными. Вероятно, он или другой похожий зверёк и был предком всех современных млекопитающих.
Дальнейшую эволюцию — от первых млекопитающих до человека — мы рассмотрим в следующем посте.
Что появилось раньше: клетки или вирусы?
Действительно ли люди знаменуют вершину эволюции, или это вирусы? В то время как мы развивались по пути все более усложняющегося развития, вирусы упростили и успешно избавлялись от всех основных генов, за исключением горстки, как показывают исследования, опубликованные в журнале Science Advances в сентябре.
Густаво Каэтано-Аноллес и его коллеги из Иллинойского университета пришли к такому выводу, впервые разработав новый способ отображения генеалогического древа микроорганизмов. Оказалось, что вирусы не эволюционировали первыми. Вместо этого вирусы и бактерии произошли от древней клеточной формы жизни. Но в то время как бактерии, подобно людям, эволюционировали, чтобы стать более сложными, вирусы стали проще.
Сегодня вирусы настолько малы и просты, что даже не могут размножаться сами по себе. Вирусы несут только необходимую генетическую информацию, необходимую для того, чтобы проникнуть внутрь клетки-хозяина и заставить ее делать новые копии вируса. Вирус гриппа, например, имеет всего 14 кодирующих белок генов. Поскольку вирусы, как правило, так просты, многие биологи не думали, что их можно даже классифицировать как форму жизни.
Но чуть больше десяти лет назад наше представление о вирусах начало меняться. Французские ученые, изучавшие загадочный микроб, похожий на бактерию, но генетически совершенно не похожий на бактерию, поняли, что обнаружили гигантский вирус. Они назвали эту бактерию похожей на «имитирующего микроб», или «мимивирус».
И мимивирус был не только физически велик. Они показали, что он несет более 1000 генов – огромный геном для вируса, всего на несколько сотен генов меньше, чем у некоторых бактерий. С тех пор было обнаружено несколько гигантских вирусов, причем пандоравирусы содержат около 1100 генов.
Чтобы попытаться решить вопрос об эволюции вируса, Каэтано-Аноллес разработал новый способ реконструкции микробного генеалогического древа и прослеживания бактерий и вирусов до их истоков.
Ученые обычно создают эволюционные генеалогические деревья, или «филогенетические деревья», сравнивая гены между видами. Чем больше общих генов у двух организмов, тем теснее они связаны. Но эта техника позволяет перемотать назад только миллион лет или около того. Еще немного, и ДНК мутирует так сильно, что невозможно увидеть сходство между видами.
Исследователи разработали алгоритмы для сравнения белковых форм 3460 вирусов и 1620 клеток. Они обнаружили, что 442 белковые складки были разделены между клетками и вирусами, но 66 складок были уникальными для вирусов.
Чтобы понять смысл полученных данных, команда собрала белковые складки в дерево, которое вырастало новой «веткой» каждый раз, когда появлялся новый тип белковой складки. Там, где это было возможно, команда использовала свидетельства окаменелости, чтобы указать приблизительную дату появления определенных веток. Например, одна конкретная белковая складка была впервые обнаружена у цианобактерий (сине-зеленые водоросли), а позже появилась у всех ее потомков. Сравнивая, когда цианобактерии впервые появились в летописи окаменелостей (2,1 миллиарда лет назад), с тем, когда позже появилось их потомство, они могли установить, что эта конкретная складка появилась около 2 миллиардов лет назад.
Согласно микробному генеалогическому древу Каэтано-Анолла, вирусы очень древни, но они не были первой формой жизни. Фактически, его генеалогическое древо предполагает, что вирусы и бактерии имеют общего предка-полностью функционирующую, самовоспроизводящуюся клетку, которая жила около 3,4 миллиарда лет назад, вскоре после того, как жизнь впервые появилась на планете. Из этой клетки бактерии эволюционировали в направлении возрастающей сложности, в то время как вирусы постепенно теряли гены, которые, как они обнаружили, им не были нужны – до тех пор, пока они больше не могли даже размножаться самостоятельно.
Ключевой шаг в эволюционном путешествии вируса, по – видимому, произошел около 1,5 миллиарда лет назад-именно в этом возрасте, по оценкам команды, появились 66 специфичных для вируса белковых складок. Эти изменения происходят в белках внешней оболочки вируса-механизмах, которые вирусы используют для проникновения в клетки хозяина.
А что касается более абстрактного вопроса о том, можно ли считать вирусы жизнью, Каэтано-Аноллес утверждает, что если вирусы произошли от живых клеток, то они все еще живы – но уникальным образом: когда вирусы заражают клетку, это воссоединение образует полную живую систему.
Какими были первые бактерии? Загадка, которой 3,5 млрд лет
Как сопоставить два типа клеточных стенок?
коллаж авторов статьи
Авторы
Редакторы
Каким был предок всех бактерий и почему теперь у них два типа клеточных оболочек? Для ответа на эти вопросы нужно взглянуть на историю возникновения различных гипотез и реконструировать геном общего предка всех бактерий.
Наверняка в различных статьях и новостях после упоминания какого-нибудь зловредного патогена вы встречали фразу: «Эта бактерия относится к грамположительному типу» или «Это грамотрицательная палочка». Но задумывались ли вы о том, зачем нужны такие уточнения?
У грамположительных бактерий поверх мембраны находится очень толстый слой пептидогликана (муреина), а у грамотрицательных этот слой тонок, и сверху его покрывает еще одна мембрана (рис. 1). Эти различия играют ключевую роль в медицинской микробиологии — в зависимости от типа клеточной стенки патогена будут различаться и методы борьбы с ним. Например, в случае грамотрицательных бактерий доставка антибиотика внутрь клетки осложняется тем, что клеточная стенка защищена дополнительной мембраной [3], [4].
Рисунок 1. Строение клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий. В обоих случаях поверх мембраны идет слой пептидогликана: у грамположительных бактерий этот слой толстый, а у грамотрицательных — очень тонкий, однако поверх него лежит еще одна мембрана.
Бактерий стали разделять на грамположительных и грамотрицательных в 1884 году, когда Ганс Христиан Грам разработал метод окрашивания для визуализации клеток пневмококка в легких пострадавших от пневмонии. Этот метод, известный как окрашивание по Граму, широко используется и поныне, хотя сам автор скромно заявлял: «Я опубликовал метод, хотя мне известно, что он пока очень несовершенен. Есть надежда, что и в руках других исследователей он будет полезным».
Как происходит окраска по Граму? Для начала на исследуемых бактерий капают краситель кристаллический фиолетовый и йод, который его проявляет, а также стабилизирует связь между клеточной стенкой и красителем. Затем образец промывают спиртом — мембрана лопается, и краситель вымывается наружу. При этом кристаллический фиолетовый застревает в толстой и пористой клеточной стенке грамположительных бактерий, а стенка грамотрицательных его не задерживает. Для окраски грамотрицательных бактерий можно использовать другой краситель — фуксин, он помогает отличить такие клетки от неживых частиц (рис. 2).
Рисунок 2. Способ окраски по Граму поэтапно
Первые бактерии: грамположительные или грамотрицательные?
Как, когда и почему у бактерий произошел переход от одномембранной клеточной оболочки к двухмембранной (или наоборот) — ключевые для микробиологов вопросы эволюционной биологии, на которые пока нет ответа.
На этот счет существуют несколько гипотез, которые в целом можно отнести к двум альтернативным сценариям: либо первыми появились предки грамположительных бактерий — монодермы (с одной мембраной); либо, наоборот, первыми были предки грамотрицательных бактерий — дидермы (с двумя мембранами) (рис. 3) [5].
Рисунок 3. Четыре основные гипотезы разделения двух типов клеточных оболочек
Одной из самых ранних была гипотеза Томаса Кавалье-Смита, который предположил, что потеря внешней мембраны была случайностью, произошедшей в результате мутации в генах, отвечающих за механизм роста клеточной стенки у дидерм [6]. Однако впоследствии оказалось, что бактерии Chloroflexi, которых Кавалье-Смит предложил поставить в основание филогенетического дерева бактерий, не являются ранней линией. Кроме того, внешняя мембрана грамотрицательных бактерий содержит большое количество важных для жизнедеятельности белков, поэтому едва ли она могла быть утрачена без последствий.
Согласно другой гипотезе, которую позже выдвинул Джеймс Лейк, первыми возникли монодермы, а дидермы образовались в результате слияния двух клеток монодерм. Однако эта гипотеза не имеет никаких филогенетических оснований, так что вряд ли в этом случае минус на минус дает плюс [7].
Еще позже новую гипотезу выдвинул Радхи Гупта. Согласно ей, первыми появились монодермы, а внешняя мембрана дидерм возникла для защиты от антибиотиков. Внешняя мембрана действительно от них защищает, однако не ясно, какое влияние имели антибиотики на таких ранних этапах эволюции бактерий [8].
И, наконец, совсем недавно Элиза Точева с коллегами выдвинула другую гипотезу, согласно которой переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм — предков грамположительных бактерий, — а затем теряется при их прорастании. По этому сценарию дидермы произошли от спорулирующего предка всех бактерий [9].
Эти гипотезы, пусть и представляют определенный интерес, далеко не совершенны, и у каждой есть свои слабые стороны. Лишь недавно ученые получили результаты исследований, которые позволяют сделать выбор в пользу одной из гипотез.
Собираем по кусочкам
Сбор и кластеризация (то есть объединение по тем или иным признакам) данных бактериальных геномов, проведенные Джоанной Ксавье и ее командой, могут рассказать нам про последнего общего предка бактерий (last bacterial common ancestor, LBCA) — и показать, каким он был сотни миллионов лет назад [10].
К сожалению, из-за постоянного горизонтального переноса генов между бактериями проследить происхождение отдельных ветвей — задача нетривиальная. Потому исследователи выбрали другой подход: сосредоточить внимание на геномах именно анаэробных бактерий и генах, которые широко распространены среди них. При этом анализировали геномы современных групп, наиболее похожие по своему метаболизму на группы, которые раньше всего отделились от LBCA.
Исследователи проанализировали основные эволюционные линии анаэробных бактерий и нашли их общие гены. В результате были выбраны 146 семейств генов: 122 из них присутствовали в 90% всех геномов анаэробных прокариот, то есть были достаточно универсальны. По этим генам можно получить примерное представление о физиологии и образе жизни LBCA.
Абсолютно обычная бактерия
С помощью выбранных 146 семейств генов можно построить почти полную метаболическую сеть LBCA. В ней встречаются гены, кодирующие важнейшие прокариотические метаболиты (например, это 20 аминокислот, азотистые основания ДНК и РНК, кофакторы, а также некоторые другие соединения). Но картина получилась неполной: гены, кодирующие синтез других соединений, могли присутствовать у LUCA, но затем потерялись в процессе эволюции и теперь встречаются только у клостридий и дельтапротеобактерий.
О том, что такое автотрофия и какие еще бывают типы питания, можно прочесть в статье: «Особая диета: молекулярный водород три раза в день, ионы сульфата перед едой» [18].
Ближе к истине
Исследователи проделали большую работу, восстанавливая облик самой древней бактерии. Но к какой из гипотез, упомянутых выше, это нас приближает?
Реконструировав метаболизм LBCA, авторы статьи пришли к выводу, что больше всего сходств он имеет с клостридиями (отдел Firmicutes). К похожему же выводу пришли и Элиза Точева с коллегами: напоминаем, что, согласно их гипотезе, переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм (как, например, у клостридий). Судя по всему, один из самых ранних предков всей клеточной жизни мог образовывать эндоспоры. Споры уже давно признаны исключительно устойчивыми формами жизни, они способны выдерживать экстремальные температуру и рН, обезвоживание и другие воздействия окружающей среды.
Работа молекулярных эволюционистов здорово напоминает детектив: по мельчайшим следам в геномах потомков необходимо собрать фоторобот предка. Современная наука делает большие успехи, расследуя происшествие, которому 3,5 млрд лет: мы многое можем сказать о предке всех бактерий, пусть никогда не увидим его вживую.