Таємниця біорізноманіття: еволюційна роль мітохондрій поставлена ​​під сумнів

Нове дослідження, що описує етапи виникнення перших складних клітин, кидає виклик ортодоксальної біології.

Розгадуючи головоломку виникнення еукаріотів – і розмаїтого життя на нашій планеті

Спочатку була монотонна нудьга. Після появи клітинного життя на Землі близько 3,5 мільярда років тому на планеті довго домінували примітивні клітини без ядра та складної внутрішньої структури.

Потім раптом сталося щось чудове та безпрецедентне – зʼявилися клітини нового типу, еукаріоти. У них було багато складних внутрішніх модулів \\ органел: ендоплазматичний ретикулум, комплекс Гольджі і, звичайно ж, мітохондрії.

А безʼядерні клітини так і залишилися структурно простими організмами.

Згідно з традиційними уявленнями, всі види рослин і тварин походять від останнього загального еукаріотичного загального предка (Last Eukaryote Common Ancestor або LECA).

Все просто, крім одного моменту: як і чому раптом стався перехід від прокаріотів до еукаріотів? Це одна із ключових загадок біології.

Цього разу її спробувала розгадати команда біологів із США та Франції. Їхнє дослідження кидає виклик популярному сценарію, що пояснює появу перших еукаріотичних організмів.

Нова робота була зосереджена на вивченні енергетичних потреб еукаріотичних клітин, які в середньому вищі порівняно з прокаріотами. Ці потреби забезпечують мітохондрії – енергетичні станції еукаріотів. Згідно з популярною гіпотезою, ці органели стали фактором організаційного переходу від примітивних прокаріотів, таких як бактерії та археї, до більших і складніших ядерних організмів.

Недосконала ендосимбіотична теорія

Найбільш широко визнана версія походження мітохондрій – ендосімбіотична теорія. У її рамках мітохондрії є нащадками бактерій, які якось потрапили всередину древніх еукаріотичних клітин і, зрештою, «перекваліфікувалися» на своєрідні електростанції, що виконують корисні для своїх нових господарів функції.

Тобто імпульс розвитку примітивних клітин, які почали зростати тадиверсифікуватися — і в результаті зайняли кожну екологічну нішу на планеті, дала певну грандіозну та загадкову подію.

Велика диверсифікація трапилася, коли вільно-живуча (тобто не паразитуюча) прокаріотична клітина «обзавелася» крихітним структурним елементом (ендосимбіонтом) у власних «начинках». Завдяки процесу, відомому як ендосимбіоз, цей протоеукаріот, що одержав апгрейд, обзавівся додатковою енергією, що забезпечило його подальшу трансформацію. Структурний елемент, який він придбав, зрештою еволюціонував у мітохондрії – органели, які працюють у ядерних клітинах «енергетичними станціями» і досі.

До цього часу передбачалося, що ця випадкова подія унікальна – вона відбулася лише один раз протягом усієї історії життя на Землі.

Іншими словами, відповідь на запитання, чому ми всі тут — завдяки «аварії природи». Адже без «випадкових» мітохондрій утворення складних організмів було неможливо.

Однак автори нового дослідження стверджують, що між цим еволюційним ривком не існувало чіткого кордону. Жодних аварій.

Справжня картина подій туманна, але з погляду складності внутрішньої організації чи кількості генів між прокаріотами та еукаріотами чіткої межі немає. От як автори цього дослідження дійшли такого висновку. Вони виміряли діапазон прокаріотів та еукаріотів, щоб визначити

• як обсяг прокаріотичної клітини може обмежувати площу її мембрани, необхідної для дихання,
• скільки енергії має виділити клітина на активність ДНК з урахуванням розташування свого геному,
• витрати та переваги ендосімбіонтів для клітин різного обʼєму.

Виявляється, клітини можуть зрости до значного обсягу і набувати, принаймні, деяких характеристик складних клітин, залишаючись при цьому по суті прокаріотичними, без будь-яких мітохондрій.

Енергетичні потреби: справа не тільки в мітохондріях

Дослідники описали, як енергетичні потреби клітини масштабують площу її поверхні.

Респіраторні потреби клітини, що масштабуються залежно від її обсягу, оцінювали за кількістю молекул АТФ-синтази. Оцінюючи площі клітинних мембран виявилося, що кількість молекул АТФ-синтази зростає швидше, ніж поверхню клітини. Це означає, що в якийсь момент збільшення розміру клітини буде досягнуто межі обʼєму, при якому АТФ-синтази не зможуть забезпечити достатню кількість АТФ для поділу клітини з певною швидкістю. (Молекули АТФ-синтази знаходяться на мембрані, при збільшенні клітини її обсяг зростає пропорційно до третього ступеня розміру, а площа поверхні — пропорційно другого ступеня, тому в якийсь момент обʼєм «утікає»). Еукаріоти долають цей барʼєр за рахунок додаткової площі дихальної поверхні, яку забезпечують внутрішні мембранні структури, такі як мітохондрії.

Але така межа обсягу клітини не досягається на межі прокаріотів і еукаріотів, як говорить класична теорія — прокаріоти ще можуть рости й рости і при цьому не ʼзадихатисяʼ. Межа досягається при набагато більших обсягах, у клітинах близько 103 кубічних мікронів, що перевищує розміри багатьох еукаріотів.

Це змушує думати про те, що мітохондрії були абсолютно необхідними елементами для «раптового» прото-еукаріотичного переходу.

Жодних аварій

Нова картина ранньої еволюції еукаріотів є правдоподібною альтернативою «мітохондріальній гіпотезі». Природа не відкривала епоху еукаріотів одним випадковим і широким жестом, що дарує клітин мітохондріальний прототип.

Швидше за все, це був повільний, млявий процес — серія поступових, ступінчастих змін, що відбувалися протягом величезних проміжків часу і зрештою призвели до появи складних клітин, напханих складними внутрішніми структурами та здатних до вибухової диверсифікації.

Більш раннє дослідження цих авторів, цитоване у новій роботі, висловлює дещо радикальнішу точку зору. У ньому стверджується, що мітохондрії приносили раннім еукаріот мало користі (якщо взагалі її приносили).

Нове дослідження дозволять зайняти більш помірковану позицію: крім критичного обсягу клітини, мітохондрії і, можливо, інші «надбудови» сучасних еукаріотів були необхідні для задоволення енергетичних потреб великих клітин, але ряд більш дрібних протоеукаріот чудово обходилися без цих «нововведень».

Отже, появі загадкового загального предка LECA могла передувати серія організмів, які спочатку не мали мітохондрій.

Життя без мітохондрій

Хоча мітохондрії є своєрідною візитною карткою еукаріотів, вчені давно задавалися питанням, чи незамінні ці органели для ядерних клітин. І описане дослідження ставить під сумнів цю ідею не вперше – кілька років тому було виявлено перший в історії біології клас еукаріотів (Monocercomonoides), який у процесі еволюції втратив мітохондрію.

Нове дослідження також ставить під сумнів час еукаріотичного переходу. Можливо, великий перехід розпочався з розвитку еукаріотичного цитоскелета чи якоїсь іншої розвиненої структури. Внутрішні мітохондрії з їх додатковим геномом могли почати зʼявлятися, коли менший прокаріот був поглинений більшим у результаті старого доброго фагоцитозу. Або, можливо, мітохондрії вторглися в клітини як паразити. Або ж у розвитку життя землі був замішаний эндоплазматический ретикулум. Ясно лише одне: появі складних клітин передував довгий багатоступінчастий процес, а перші протоэукариот взагалі був мітоходрій.

Щоб з упевненістю розставити на тимчасовій шкалі ряд цих важливих подій, що ведуть до появи повноцінних еукаріотів, та ще й у правильній послідовності, потрібно буде провести ще чимало досліджень.