Живые организмы не всегда выглядели так, как сегодня. Примерно 3,5–4 миллиарда лет назад на Земле существовали только простейшие одноклеточные — без ядра и сложных мембранных органелл. 

В какой-то момент ситуация изменилась. Приблизительно два миллиарда лет назад клетки стали настолько зависеть друг от друга, что начали жить вместе, формируя более сложные структуры. Именно тогда появились эукариоты — клетки с ядром, из которых позже возникли растения, животные и люди.

Ученые давно спорят, как произошел этот переход. По одной из гипотез, ключевую роль сыграл союз двух простых форм жизни — бактерий и архей. Но прямых доказательств до сих пор не находили. Теперь команда австралийских биологов под руководством Брендана Бернса (Brendan Burns) из Университета Нового Южного Уэльса приблизилась к разгадке.

Статья по теме: В древней пещере найдены ранее неизвестные науке бактерии, которым миллионы лет

В заливе Шарк у берегов Западной Австралии микроорганизмы уже десятки тысяч лет образуют цианобактериальные маты — многослойные микробные сообщества, состоящие из собственно цианобактерий, некоторых других бактерий и архей. Там суровые условия: высокая соленость, резкие перепады температуры, сильное ультрафиолетовое излучение и даже циклоны. 

Если такие маты длительное время «захватывают» минеральные частицы (песчинки, ил, растворенные соли), которые находятся в морской воде, а также минерализуются за счет биохимической активности микробов (например, осаждения карбоната кальция), то со временем они превращаются в строматолиты — твердые слоистые структуры, похожие на каменные пласты.

Эти сообщества — современные аналоги тех «микробных миров», что существовали миллиарды лет назад. Именно тогда, как считают ученые, бактерии и археи объединились, что дало начало эукариотическим клеткам.

Сатья по теме: Некоторые археи в организме людей оказались связаны с раком кишечника

Бернс и его коллеги перенесли часть цианобактериальных матов в лабораторию и поместили в условия с высокой концентрацией соли и низким содержанием кислорода. То есть ученые стали выращивать микроорганизмы в условиях, имитирующих природные. Только так можно отследить настоящие связи и обмен веществ в микробных сообществах, а не искусственные реакции, возникающие в «комфортных» условиях лаборатории.

Во время эксперимента выжили только два микроорганизма: бактерия Stromatodesulfovibrio nilemahensis и прежде неизвестная архея, которую назвали Nerearchaeum marumarumayae. Эта архея относится к группе Асгард – названной в честь небесного города богов из скандинавских мифов. Археи Асгард — главные кандидаты в предки эукариот.

Дальнейшие наблюдения показали, что Stromatodesulfovibrio nilemahensis и Nerearchaeum marumarumayae взаимодействуют друг с другом и обмениваются питательными веществами. Бактерия производит аминокислоты и витамины, архея выделяет водород и соединения вроде ацетата, формиата и сульфита. То, чего не может синтезировать один организм, производит другой. Исследователи подтвердили это, полностью расшифровав геномы обоих микроорганизмов. То есть это классический случай симбиоза — взаимовыгодного сотрудничества.

Но главное открытие ждало впереди. Биологи заметили, что бактерии образуют тончайшие нити — нанотрубки, которые напрямую соединяют бактерии с археями. Параллельно археи выпускают цепочки пузырьков — везикул, соединенных волокнами. Эти пузырьки словно взаимодействуют с бактериальными нанотрубками. Бернс предположил, что трубки могут быть не каналами, а чем-то вроде крепежа, который помогает микроорганизмам держаться вместе и обмениваться веществами. Вероятно, это сложная система обмена ресурсами прямо на клеточном уровне.

Однако пока до конца неясно, могут ли действительно нанотрубки служить полноценными каналами для передачи веществ – их диаметр может быть слишком мал. 

Дополнительный геномный анализ преподнес еще один сюрприз. Ученые обнаружили гены, кодирующие белки, которых раньше никогда не видели. Один из них оказался очень большим — почти 5500 аминокислот. Для архей это необычно, потому что у них белки гораздо короче. Но что еще удивительнее, этот белок напомнил исследователям белки, встречающиеся в человеческих мышцах. Иными словами, эти древние микроорганизмы создали структуру, неожиданно похожую на то, что позже оказалось в наших телах. 

Сходство с человеческими белками заставляет предположить, что подобные молекулы (или их предшественники) возникли невероятно давно. Открытие раскрывает глубокие корни механизмов, которые со временем стали основой для сложной жизни.

Статья по теме: Предложена новая гипотеза, объясняющая, почему возникло половое размножение

Отметим, до открытия команды Бернса прямых доказательств передачи веществ через такие структуры ни в лаборатории, ни в природе ученые не наблюдали. Однако это не значит, что связь между этими микроорганизмами бесконфликтная. Известно, что отношения у бактерий и архей достаточно сложные. Они могут делиться питательными веществами и помогать друг другу, но одновременно и соперничать. 

Бернс подчеркнул, что в данном случае речь идет о сотрудничестве. Если два вида уживаются в культуре долгое время, значит, они научились сосуществовать.

Авторы исследования предположили, что наблюдаемая связь напоминает первый шаг к формированию эукариотических клеток. Новый вид архей напрямую взаимодействует с бактериями, и такой союз может привести к еще более тесной зависимости.

При этом стоит напомнить, что речь идет о современных организмах, пусть и живущих в условиях, близких к древним. Ученые не могут с уверенностью сказать, насколько Stromatodesulfovibrio nilemahensis и Nerearchaeum marumarumayae похожи на те микроорганизмы, которые миллиарды лет назад породили сложную жизнь. Но, ученые, вероятно, ближе, чем когда-либо, к пониманию того, как зародились эукариоты.

Выводы австралийских биологов представлены в статье, опубликованной на сайте электронного архива научных работ по биологии bioRxiv.org.