Еволюцията на бактериите за трикър на живота разтърсва родословното дърво на спектъра на
Еволюция на живота: трикстерите разтърсват родословното дърво на живота
Във всяка добра митология някой играе ролята на измамник и измамник - и никой не влиза в нея по-добре от Локи, легендарната фигура на древното скандинавско небе. Локи винаги предизвиква гняв и обидени колеги богове. Едва ли може да бъде попитан, анархичен е и амбициозен. Той е и това ни отвежда към темата, идеалният съименник на бактериалната група на «Lokiarchaeota», която в момента се подготвя да пренапише фундаментално историята на развитието на ранния живот на нашата земя.
Неуловимите Локиархеота принадлежат към подкатегория едноклетъчни живи същества, наречена Архея. Под микроскопа те може да изглеждат като бактерии, но в някои отношения те се различават точно толкова ясно, колкото и ние хората. Локите, както са получили прякора, са описани за първи път с помощта на ДНК последователности, изолирани от проби от калното морско дъно край Гренландия. Днес, заедно с няколко свързани микроба, те принуждават биолозите да отговорят на много основен въпрос за ранното развитие на живота: появата на еукариоти, т.е. тези организми, които включват всички растения, животни и гъби.
Откриването на археите в края на 70-те години е породило представата в изследователския свят, че животът на земята е разделен на три клона или „области“. Единият клон водеше до живеещите днес бактерии, вторият до археите, а третият - до всички еукариоти. Скоро обаче се разгорещиха разгорещени дискусии за точното разпределение към тези странични клонове на живота. Широко споделен модел на живот предполага, че еукариотите и археите произхождат от общ прародител. За разлика от това, конкуриращата се школа на „двудоменен“ подход предполага, че линията на еукариотите се е отцепила от гол страничен клон на археите.
Спорът за това на моменти беше ожесточен, но с времето заспа, припомня Фил Хюгенхолц от университета в Куинсланд в Бризбейн, Австралия. Тогава Локис го стимулира отново "като нов порив на вятъра", казва Хугенхолц - и осигури завръщане на теорията за два домена. Защото: Новооткритите археи показаха генни последователности, които дотогава се смятаха за типична характеристика на еукариотите. В допълнение, задълбочен анализ на генетичния им състав разкрива, че еукариотите трябва да принадлежат към група с тях. Ако случаят е такъв, тогава всяка форма на сложен живот - от зелените водорасли до синия кит - по принцип би принадлежала към групата на археите.
Много изследователи все още не са убедени в това. Съставянето на родословни дървета е изключително сложна и оспорвана област на изследване. Освен това обаче никой никога не е успявал да задържи щамовете на Локи в лабораторията, което драстично ограничава възможностите за разследване. И така горчивите аргументи продължават, като опонентите са „изключително враждебни“, обобщава Хугенхолц: „Всички са на сто процента сигурни, че противниковата страна наистина не е права по нито един въпрос.“ Като предпазна мярка някои вече не коментират темата за да не рискувате да настъпите някой от доайените на сцената.
Тук е заложено нещо фундаментално: по-задълбочено разбиране на еволюционния скок, който в крайна сметка доведе до еукариотите. С други думи, „най-великото нещо, което се е случило от началото на живота“, казва еволюционният биолог Патрик Кийлинг от Университета на Британска Колумбия във Ванкувър. Разкривайки произхода на еукариотите, той смята „за един от най-фундаменталните въпроси за разбиране на биологичното разнообразие в природата“. За да се отговори на тях, според Кийлинг трябва ясно да се установи кой с кого е свързан.
Направете три от две
Преди половин век науката беше прецизно разделила живота на земята на две категории: От една страна имаше еукариоти - клетъчни организми, които също съдържат мембранни вътрешни структури като клетъчното ядро; и от друга страна прокариоти, които като чисто едноклетъчни организми обикновено нямат вътрешни мембрани. По това време биологията познава бактериите само като прокариоти.
През 1977 г. еволюционният биолог Карл Уиз и неговите колеги описват археите като третата форма на живот, която очевидно се е появила преди милиарди години. Според Woese всички организми на земята трябва да бъдат разделени на три, а не на две подкатегории.
Това не остана без съмнение. Например, еволюционният биолог Джеймс Лейк от Калифорнийския университет в Лос Анджелис разпространява през 80-те години, че еукариотите и археите ще образуват сестринска група, наречена „еоцити“, буквално „клетките от изгрева (на времето)“. Сценарият с два домейна се разви от тази идея. Лейк и Уос сега яростно се бориха за конкурентните си модели, които най-накрая завършиха с дълго легендарен пищящ дуел в средата на 80-те. След това Уоуз „изобщо не искаше да се среща с Джим Лейк“, припомня микробиологът Патрик Фортере от Института Пастьор в Париж. Лейк потвърждава тежестта на аргумента: "Това наистина беше доста дебат, придружен от огромно количество политика."
Карл Уиз почина през 2012 г. Днес спорът за произхода на еукариотите е малко по-цивилизован. И от двете страни мнозина смятат, че еукариотите някак са възникнали в хода на така наречената ендосимбиоза. Тази теория беше известна от покойния биолог Лин Маргулис: Според нея обикновена клетка е погълнала бактерия преди еони и след това е станала неин домакин. Това би довело до взаимноизгодни отношения. Уловените бактерии в крайна сметка се превърнаха в митохондрия - клетъчната субструктура, която произвежда енергия. В крайна сметка хибридните клетки се превърнаха в днешни еукариоти.
Обаче една допирна точка разделя двата лагера и до днес: Те спорят за точния характер на първоначалната клетка. Според поддръжниците на теорията за три домена това е бил (сега изчезнал) микроб. Фортер например ги разглежда като „прото-еукариот“, тоест като смес, която не е била нито напълно модерен еукариот, нито напълно модерна архея. Според този подход в ранната история на еволюцията са настъпили няколко основни разделения: първо преди милиарди години, когато организмите-предшественици са произвели както бактерии, така и група микроби, които сега са изчезнали. След това тази група се раздели на археи и по-късните еукариоти.
Според двудоменния свят обаче бактериите и археите са еволюирали от древен предшественик и именно археите са погълнали и прибрали бактерията. Това би направило всички еукариоти един вид преливаща издънка на археите - или, както някои учени го наричат, „вторичен домейн“.
Шифровани съобщения
Без шанс да се върнем назад във времето до произхода на микробите, ще бъде трудно да оценим тези хипотези. Известни са много малко изкопаеми следи от първите еукариоти и те също са трудни за четене. Така че учените трябва да разчитат на генома на съвременните организми като архив на еволюцията - архив, който е разклатен с течение на времето. „Опитваме се да разрешим пъзел, който вероятно е на няколко милиарда години, със съвременни данни за последователността“, казва биоинформатикът Том Уилямс от университета в Бристол. Не е лесна задача.
В крайна сметка дебатите са усъвършенствали съвременните технологии за секвениране на гени. Доскоро учените трябваше да държат щамове бактерии или археи от конкретно местообитание в лабораторията, за да ги идентифицират. Сега изследователите могат да оценят микробното разнообразие във водни или почвени проби, използвайки ДНК следи, изловени от тях и анализирани с помощта на математически методи - използвайки „метагеномика“. И така се случва, че науката, която през 2002 г. е познавала само два щама (или фила) на археите, сега е драматично по-добре информирана благодарение на метагеномиката.
Изследователите на еволюцията също бързо се възползваха от нарастващия добив: Новите, мощни техники за моделиране създават гора от еволюционни клонове, които очертават подробни връзки в археите. И: В много случаи еукариотите се поставят в разширеното семейство археи. Тежестта на доказателствата, казва Уилямс, „наистина наклони везните към двудоменното дърво на еоцитите от наша гледна точка“.
Други все още намират данните за твърде тънки, за да оставят дебата настрана. През 2015 г. група, ръководена от Тийс Етема, тогава еволюционен микробиолог от университета Упсала в Швеция, публикува ДНК последователности от Lokiarchaeota, които са възстановили от проби от утайки пет години по-рано. Само след още две години екипът на Ettema и други изследователи най-накрая успяха да представят три нови фили на археите, свързани с Локите. Изследователите нарекли групирането на тези находки „Асгард“ на името на митичното царство на скандинавските богове.
Asgard Archaea са малки, но е доказано, че са мощни за оживяване на древния дебат за истинския брой области на живота. Преди всичко те предоставиха на поддръжниците на двудоменната хипотеза мъчителни улики за клетъчния тип, от който са възникнали първите еукариоти. Подобно на Локи, техният съименник, Локиархеота и техните роднини избягват прекалено ясна интерпретация: те несъмнено са археи, но техният геном е смесица от гени, които също се срещат в еукариотите. Loki-DNA, например, съдържа инструкции за генетично изграждане на актини, типичните протеини на скелето на еукариотните клетки. Тези гени изглеждаха толкова неуместни, че изследователят, който ги откри първоначално, просто предположи, че причината е замърсяването: „Казах, хмм, как е възможно това? Наистина ли това може да е археален геном? “Припомня микробиологът Аня Спанг от Кралския холандски институт за морски изследвания в Тексел. Моделите на еволюция обаче потвърждават тясна връзка между археите от Asgard и еукариотите: Например, всички родословия, изчислени от екипа на Ettema, поставят всички еукариоти в групата на Asgard.
Междувременно много изследователи използват такива археални набори от данни, за да получат по-добра картина на еукариотния предшественик. Може би вече е имало някои характеристики, характерни за еукариотите, преди да поеме митохондриалния предшественик: Еттема обяснява, „вероятно вече имаше някои много примитивни мембранно-биологични процеси“. Според анализ, публикуван през 2018 г., предшественикът на Asgard Archaea вероятно е ял органични молекули като мастни киселини и бутан. Тази диета би произвела крайни продукти, с които свързаните партньорски бактерии биха могли да се хранят. Такъв обмен на хранителни вещества, често срещан в микробната сфера, може постепенно да се превърне във все по-близки взаимоотношения. Не може ли приближаването на археите и бактериите на пухкаво разстояние, което има смисъл за по-лесния обмен на хранителни вещества, накрая и накрая да насърчи усвояването на едно от друго?
Въпреки това сценарии като този все още се съмняват. Най-големият скептик е Патрик Фортере: След като премина през проучването на Асгард, той първо публикува фундаментално противопоставяне с колегите си.
Подвеждащи маркери?
Еттема беше вбесен от техния подход: Фортере и неговата група предположиха, че някои от еукариотните последователности, открити в Локис, може да се дължат на замърсяване. Протеинът на Loki, "фактор на удължаване 2", например, е "вероятно замърсен от еукариотни последователности", пише екипът на Forterre в статията си. Днес Фортере казва, че не е напълно сигурен в това, но той и колегите му отстояват своята критика към еволюционните дървета на Асгард. Дори създателите на критикуваните родословни дървета признават, че е трудно да се разгадае връзката между организмите, живели преди два милиарда години.
Биолозите обикновено реконструират такива взаимоотношения, като моделират промените в определени „маркери“ - обикновено протеин или ген - с течение на времето. Групата на Фортере казва, че екипът на Етема случайно е включил подвеждащи маркери в изчислението на родословното дърво. Групата на Фортере извърши свой собствен конкуриращ се анализ на родословното дърво с два особено големи маркера протеини, тъй като по-големите протеинови структури обикновено носят и повече информация за тяхната история на развитие. Така че измислите родословно дърво с три домейна.
Ettema контрира, че двата маркера, използвани от Forterre, не позволяват да се направят достатъчно заключения относно отдавна отминали събития - критика, която със сигурност споделят и други учени. Той също така се опита да възпроизведе откриването на Фортере с въпросните два маркера и стигна до различен, макар и непубликуван резултат, а именно отново родословно дърво с два домейна.
Дали подобни отклонения се дължат на различия в академичния опит на участниците? Еттема подозира това: Патрик Фортере е „брилянтен учен - в своята област“. С Локи обаче той "малко надхвърли границите на професионалната си експертиза". Фортере казва, че вече има известни познания по филогенетика - а съавторите му дори повече.