Ужасно интересно всё то, что неизвестно и невидимо
Кто такие хищные жгутиконосцы и где они обитают? Почему учёные считают, что именно они положили начало многоклеточности и стали нашими самыми древними предками? Об этих фантастических и мало изученных существах рассказывает доктор биологических наук Денис Тихоненков, профессор РАН, главный научный сотрудник Института биологии внутренних вод имени И. Д. Папанина РАН.
— Денис Викторович, вы занимаетесь хищными протистами-жгутиконосцами. Это целый мир, который мы не видим, не замечаем, тем не менее он существует, он удивителен и разнообразен. Можно ли сказать, что простейшие — это не значит простые?
— Совершенно верно. Это огромный, сложный мир невидимых нам живых существ, которые постоянно приносят новые открытия. Они связаны со многими фундаментальными проблемами — такими как эволюционные процессы, происхождение жизни на Земле, происхождение многоклеточных животных и растений. Есть тут связь и с сугубо практическими вещами — медициной и вопросами биобезопасности. Всё это находит отражение в наших исследованиях одноклеточных протистов.
— Каким образом крошечные объекты ваших исследований могут пролить свет на тайну происхождения жизни?
— Оказалось, что гетеротрофные, то есть не фотосинтезирующие жгутиконосцы (а работа нашей лаборатории в основном посвящена именно исследованиям данных одноклеточных) являются древнейшими эукариотами, которые наиболее похожи на гипотетического предка всех современных ядерных организмов. С них началась та жизнь, которую мы знаем, если мы говорим о той стадии, когда клетка приобрела ядро и стала более сложной, комплексной и похожей на наши клетки.
— Насколько важно то, что они хищные?
— Это важно, поскольку механизм фагоцитоза (захвата частиц), как предполагается, является в эволюции важнейшим фактором, с помощью которого происходил эндосимбиоз, когда формировалась жизнь одного организма внутри клетки другого организма. Древнейшая клетка вступила в симбиоз с альфа-протеобактерией, от которой произошла митохондрия, наша энергетическая станция, работающая в каждой клетке. Хотя тут нужно оговориться, что симбиоз с альфа-протеобактерией мог случиться не только благодаря фагоцитозу, но и благодаря синтрофии — совместному питанию и обмену веществами между разными микроорганизмами.
— Допустим, если бы не было их, протистов, то не было бы и нас. Но откуда взялись они?
— От архей, как предполагается. Это ещё более древние живые организмы, очень мало изученные. Только недавно научились их культивировать, и в основном данные по археям включают результаты метагеномных исследований — это последовательности ДНК в природе. По этим последовательностям учёные реконструируют их метаболизм, биохимические особенности, образ жизни. Постепенно архееподобные организмы каким-то образом приобрели ядро. Каким — это пока нерешённый в науке вопрос.
— А что было до архей?
— До архей была какая-то другая субстанция, её называют Лука (LUCA, Last Universal Common Ancestor) — последний универсальный общий предок всего живого, который обладал признаками как архей, так и бактерий. Бактерии — это несколько другая ветвь эволюции.
— У вас есть представление, с кого и как всё началось, откуда вообще возникла жизнь?
— Это тайна за семью печатями, не со-всем связанная с нашими исследованиями. Наши исследования начинаются от более высокой ступени эволюции, когда уже появились эукариотические клетки, и мы распутываем, как могла выглядеть эта клетка, как она диверсифицировала в эволюции, какие эволюционные линии возникли и как от различных линий происходили более сложные организмы: растения, животные, грибы, которые нас окружают и определяют облик биосферы.
— Вернёмся к вопросу хищности: это было принципиально важно в эволюции? И почему от жгутиконосцев произошли не только хищные организмы, а самые разные?
— Хищничество дало несколько эволюционных преимуществ. О митохондриях я уже сказал, но то же самое можно сказать и о приобретении пластид, фотосинтетических органелл, без которых не было бы современной биосферы, насыщенной кислородом. Пластиды на самом раннем этапе имеют цианобактериальное происхождение, они произошли путём симбиоза цианобактерий с эукариотической клеткой. Нам посчастливилось открыть такого хищного жгутиконосца, он называется родельфис и, как показывают результаты филогеномных реконструкций, может являться современным аналогом того гипотетического древнего организма, который когда-то съел цианобактерию, но не стал её переваривать. Он вступил с ней в симбиотические отношения, и именно эта цианобактерия стала первичной пластидой, давшей начало всем пластидным органеллам других фотосинтетических организмов, которые в дальнейшем эволюционировали.
— Как давно существуют на нашей планете организмы, которые вы изучаете?
— Палеонтологических свидетельств по понятным причинам не существует, они не сохраняются в каких-то отложениях, просто разрушаются. Но ДНК и метод молекулярных часов, основанный на скорости мутации нуклеотидных замен, свидетельствуют, что первые живые организмы могут иметь возраст порядка 4 миллиардов лет, а первые эукариоты — 2,5 миллиарда лет.
— Ничего себе! Они почти что ровесники нашей планеты?
— Практически да. Более серьёзные эволюционные сценарии по происхождению пластид случались примерно 1,5 миллиарда лет назад.
— Но ведь Земля изначально была совершенно другой, чем сейчас. Даже кислорода не было в атмосфере, и вода появилась не сразу. Как же они выжили?
— Их становление и развитие происходили в бескислородных средах обитания, а кислородом наша биосфера обогатилась после того, как появился фотосинтез, это произошло значительно позже.
— То есть им вообще не нужен кислород?
— Тогда был не нужен, а сейчас они приобрели митохондрии, они дышат, то есть кислород стал нужен. Но до сих пор есть группы протистов, которые живут в бескислородных средах в морских и пресноводных донных осадках. Или же это могут быть паразитические протисты, им тоже не нужен кислород. Они живут буквально повсюду, даже в Арктике или в пустыне Сахара. Мы везде находили жизнеспособных протистов. В стадии цист, например: они образуют покоящиеся стадии, которые могут переживать годы, десятки лет, а по некоторым данным — даже сотни тысяч лет. Таких протистов мы находили в многолетних мёрзлых отложениях, возраст которых, согласно радиоуглеродному методу датирования, составляет десятки, иногда до сотни тысяч лет.
— Сколько на сегодня известно видов протистов?
— Очень сложный вопрос, на который тяжело дать ответ. Есть, например, такие группы — фораминиферы, радиолярии. Среди них могут быть сотни тысяч видов, при этом различающихся по морфологии. Если брать ныне живущих, то это десятки тысяч морфологических видов — то, что исследователи видят в микроскоп. Но анализ природной ДНК показывает, что по многим оценкам реальное разнообразие одноклеточных может быть во много раз больше наших современных представлений. Девять десятых мы вообще никогда не видели. Мы не знаем, что это такое, но можем догадываться по последовательности ДНК, что они собой представляют, кому родственны и так далее.