Происхождение эвкариот как закономерный итог эволюции прокариотных сообществ

Очевидно, что все основные этапы формирования эвкариотической клетки могли происходить только в сложном и высоко интегрированном прокариотном сообществе, включавшем различные виды авто- и гетеротрофных микробов. Полученные данные согласуются с общепринятым мнением о том, что важной движущей силой в процессе эвкариотической интергации был рост концентрации молекулярного кислорода, связанный с переходом цианобактерий от бескислородного фотосинтеза к кислородному.

Мы предполагаем, что «предковое сообщество» эвкариот состояло как минимум из трех слоев. В верхнем обитали цианобактерии (среди которых были и предки пластид), использовавшие для фотосинтеза световые волны длиной до 750 нм. Эти волны имеют небольшую проникающую способность, поэтому события должны были разворачиваться на мелководье. Изначально донором электронов служила не вода, а восстановленные соединения серы, в первую очередь – сероводород. В качестве побочного продукта выделялись во внешнюю среду продукты окисления сероводорода (сера и сульфаты).

Во втором слое обитали пурпурные фотосинтезирующие бактерии, в том числе – альфапротеобактерии, предки митохондрий. Пурпурные бактерии используют свет с длиной волны более 750нм (в основном красный и инфракрасный). Эти волны обладают лучшей проникающей способностью, поэтому они легко проходили сквозь слой цианобактерий. Пурпурные бактерии и сейчас обычно живут в водоемах под более или менее толстым слоем аэробных фотосинтетиков (цианобактерий, водорослей, высших растений) (Федоров, 1964). Пурпурные альфапротеобактерии обычно используют в качестве донора электрона сероводород, окисляя его до сульфата (причем молекулярного кислорода для этого не требуется).

В третьем слое обитали нефотосинтезирующие бактерии и археи. Среди них могли быть разнообразные бактерии-бродильщики, перерабатывающие производимую фотосинтетиками органику; некоторые из них в качестве одного из конечных продуктов брожения выделяли водород. Это создавало базу для существования сульфатредуцирующих бактерий и архей (они восстанавливают сульфаты до сульфидов при помощи молекулярного водорода и потому представляют собой полезное «дополнение» к сообществу бескислородных фотосинтетиков, потребляющих сульфид), для метаногенных архей (восстанавливают углекислоту до метана) и других анаэробных форм жизни. Среди обитавших здесь архей находились и предки ЯЦК.

Сообщество, подобное описанному выше, могло существовать на хорошо освещенном мелководье при средней температуре 30-40⁰ С. Именно эта температура является оптимальной для подавляющего большинства прокариот, включая и группы, входившие в состав данного сообщества. Мнение о том, что происхождение эвкариот было связано с экстремально термофильными местообитаниями, появилось из-за того, что первым прокариотическим организмом, у которого удалось обнаружить гистоны, была архея Thermoplasma acidophila, ацидотермофил. Это наводило на мысль, что появление гистонов (одного из важных отличительных признаков эвкариот) было связано с приспособлением к высоким температурам. Сейчас гистоны обнаружены у многих архей с самой разной экологией. В настоящее время нет оснований полагать, что температура в «первичном биотопе» эвкариот была выше 30-40 градусов. Указанная температура, повидимому, является оптимальной для большинства эвкариотических организмов. Косвенно это подтверждается тем, что именно такую температуру «избрали» для себя те эвкариоты, которым удалось достигнуть уровня организации, достаточного для перехода к гомойотермии. Биотоп «предкового сообщества», возможно, время от времени подвергался перегреву, о чем свидетельствует сохранение у эвкариот нескольких бактериальных хит-шоковых доменов и архейных белков, участвующих в посттранскрипционных модификациях тРНК. Подверженность периодическому перегреву согласуется с предположением о мелководности «предкового биотопа» эвкариот.

Прокариотное сообщество вышеописанного типа может оставаться вполне устойчивым до тех пор, пока не будет подорвана его ресурсная база.

Начало кризисным преобразованиям положил переход цианобактерий к кислородному фотосинтезу. Суть преобразования заключалась в том, что в качестве донора электрона цианобактерии начали использовать воду вместо сероводорода (Федоров, 1964). Возможно, это было связано с уменьшением концентрации сероводорода в океане. Переход к использованию такого практически неограниченного ресурса, как вода, открывал перед цианобактериями большие эволюционно-экологические возможности, но имел и негативные последствия. Вместо серы и сульфатов при фотосинтезе стал выделяться молекулярный кислород – вещество крайне токсичное и с древнейшей земной жизнью плохо совместимое.

Первыми с токсическим действием кислорода столкнулись его непосредственные производители – цианобактерии. Они же, вероятно, первыми стали вырабатывать средства защиты от нового яда. Электронно-транспортные цепи, создававшиеся для фотосинтеза, были модифицированы и начали служить для аэробного дыхания, изначальная цель которого, по-видимому, заключалась не в получении энергии, а только в нейтрализации молекулярного кислорода, причем на это тратились (окислялись) большие количества органики. Ферментные системы азотфиксации, для которых действие кислорода особенно губительно, были «упрятаны» в специализированные клетки – гетероцисты, защищенные толстой оболочкой и не фотосинтезирующие.

Вскоре и обитателям второго слоя сообщества – пурпурным бактериям – пришлось вырабатывать аналогичные системы защиты. Так же, как и цианобактерии, они сформировали ферментные комплексы аэробного дыхания на основе фотосинтетических электронно-транспортных цепей. Именно у пурпурных альфапротеобактерий развилась наиболее совершенная дыхательная цепь, которая ныне функционирует в митохондриях всех эвкариот. По-видимому, в этой же группе впервые сформировался замкнутый цикл трикарбоновых кислот – наиболее эффективный метаболический путь полного окисления органики, позволяющий извлечь максимум энергии (Гусев, Минеева, 1992). У нынеживущих пурпурных бактерий фотосинтез и дыхание представляют собой два альтернативных варианта энергетического метаболизма, обычно работающие в противофазе. В бескислородных условиях эти организмы фотосинтезируют, а в присутствии кислорода синтез веществ, необходимых для фотосинтеза (бактериохлорофиллов и ферментов цикла Кальвина), подавляется, и происходит переключение клеток на гетеротрофное питание, основанное на кислородном дыхании. По-видимому, механизмы этого «переключения» сформировались уже в рассматриваемую эпоху.

В третьем слое сообщества появление свободного кислорода должно было вызвать серьезный кризис. Метаногенные, сульфатредуцирующие и другие формы, утилизирующие молекулярный водород при помощи ферментов-гидрогеназ, не могут существовать в аэробных условиях, поскольку кислород оказывает на гидрогеназы ингибирующее действие. Многие бактерии, выделяющие водород, в свою очередь, не могут расти в среде, где нет микроорганизмов, его утилизирующих (Заварзин, 1993). Из бродильщиков в составе сообщества, по-видимому, остались формы, выделяющие в качестве конечных продуктов низкоорганические соединения, такие как пируват, лактат или ацетат. Эти бродильщики выработали некоторые специальные средства защиты от кислорода и превратились в факультативных анаэробов или микроаэрофилов. К числу выживших относились и археи - предки ЯЦК. Возможно, поначалу они «прятались» в самых нижних горизонтах сообщества, ниже слоя бродильщиков. Каким бы ни был изначально их метаболизм, в новых условиях он уже не обеспечивал поддержания жизни. Поэтому он был вскоре полностью заменен, и у современных эвкариот не осталось никаких его следов. Не исключено, что изначально это были метаногенные формы, потому что из современных архей именно они являются наиболее ценофильными (прежде всего из-за зависимости от производимого бродильщиками молекулярного водорода), а предок ЯЦК, несомненно, должен был быть облигатным ценофилом. Метаногенез является наиболее распространенным типом энергетического метаболизма у современных архей и не встречается в двух других надцарствах.

Возможно, именно в этот кризисный момент и произошло ключевое событие – ослабление генетической изоляции у предков ЯЦК и начало бурного эволюционного экспериментирования. Предки ЯЦК (возможно, перешедшие к активному хищничеству) инкорпорировали генные комплексы разнообразных бродильщиков до тех пор, пока не заменили себе значительную часть архейной «периферии» и не стали сами микроаэрофильными бродильщиками, сбраживающими углеводы по гликолитическому пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса до пирувата и молочной кислоты. Заметим, что современные аэробные археи, по-видимому, произошли от метаногенов, а необходимые для кислородного дыхания ферментные системы приобрели сравнительно поздно, причем важную роль в этом сыграл латеральный перенос генов от аэробных бактерий (Brochier et al., 2004).

В этот период у ЯЦК, по-видимому, сменились мембраны (с «архейных», содержащих эфиры терпеноидных кислот, на «бактериальные», основанные на эфирах жирных кислот), появились мембранные стеролы и зачатки актин-тубулинового цитоскелета. Это создавало необходимые предпосылки для развития фагоцитоза и приобретения эндосимбионтов.

В палеонтологической летописи начало описываемых событий, связанное с появлением кислородного фотосинтеза и выходом нескольких групп бактерий из активного круговорота серы, вероятно, может быть маркировано более или менее резкими колебаниями содержания сульфидов и сульфатов в биогенных отложениях, особенно в строматолитах. Подобные маркеры следует искать в слоях возрастом более 2,7 млрд лет, так как нарушения серного круговорота должны были предшествовать появлению стеролов.

Таким образом, появление молекулярного кислорода изменило структуру «предкового сообщества». Обитатели третьего слоя сообщества - микроаэрофильные, способные к фагоцитозу, выделяющие лактат и пируват ЯЦК - теперь непосредственно контактировали с новыми обитателями второго слоя - аэробными альфапротеобактериями, которые не только выработали действенные средства защиты от кислорода, но и научились его использовать для получения энергии при помощи дыхательной электроннотранспортной цепи и цикла трикарбоновых кислот. Таким образом, метаболизм ЯЦК и аэробных альфапротеобактерий стал взаимодополнительным, что создавало предпосылки для симбиоза. Кроме того, само топографическое расположение альфапротеобактерий в сообществе (между верхним, выделяющим кислород, и нижним микроаэрофильным слоем) предопределяло их роль как «защитников» ЯЦК от избытков кислорода.

Вероятно, ЯЦК заглатывали и приобретали в качестве эндосимбионтов многих разных бактерий. Активное экспериментирование такого рода и сейчас продолжается у одноклеточных эвкариот, обладающих огромным разнообразием внутриклеточных симбионтов (Duval, Margulis, 1995; Bernhard et al., 2000). Из всех этих экспериментов союз с аэробными альфапротеобактериями оказался наиболее удачным и открыл перед новыми симбиотическими организмами огромные эволюционные перспективы.

По-видимому, в первое время после приобретения митохондрий происходил массированный перенос генов эндосимбионтов в центральный геном ЯЦК (Dyall et al., 2004). В основе этого процесса, очевидно, лежали те механизмы инкорпорации чужеродного генетического материала, которые сложились у ЯЦК в течение предшествующего периода. Крайне интересны недавно полученные данные, свидетельствующие о том, что перенос митохондриальных генов в ядерный геном мог происходить целыми большими блоками (Martin, 2003), т.е. именно так, как, по нашим предположениям, происходила инкорпорация чужеродных генов ядерно-цитоплазматическим компонентом еще до приобретения митохондрий. Другой возможный механизм инкорпорации генов в центральный геном ЯЦК включал обратную транскрипцию (Nugent, Palmer, 1991).

Все предполагаемые трансформации ЯЦК, вплоть до приобретения эндосимбионтов-альфапротеобакетрий, едва ли могли происходить медленно, постепенно и на обширных территориях. Скорее, они происходили достаточно быстро и локально, т.к. организмы (ЯЦК) находились в это время в крайне неустойчивом состоянии - стадии дестабилизации (Раутиан, 1988). Возможно, возврат к эволюционно-стабильному состоянию и восстановление изоляционных барьеров произошли вскоре после приобретения митохондрий, и только в той линии ЯЦК, в которой возник этот наиболее удачный симбиоз. Все прочие линии, скорее всего, быстро вымерли.

Приобретение митохондрий сделало эвкариот полностью аэробными организмами, которые обладали теперь всеми необходимыми предпосылками для осуществления финального акта интергации – приобретения пластид.