Сложная жизнь может быть на миллиард лет старше, чем считалось

Истоки сложной, ядерной клеточной жизни — от амеб до людей — могли возникнуть гораздо раньше в истории Земли, чем считалось. Новое исследование, прослеживающее самые ранние шаги к сложной жизни, предполагает, что эта трансформация от более простых предков началась почти 3 миллиарда лет назад — задолго до того, как на нашей планете появился уровень кислорода, необходимый для поддержания процветающей эукариотической биосферы. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Это почти на миллиард лет раньше, чем, по некоторым оценкам, произошло возникновение сложных клеток, что указывает на удивительно длительный и затяжной эволюционный процесс, а не на быстрый скачок сложности.

Существует множество способов классифицировать жизнь на Земле, но, возможно, самое основное различие — между прокариотами и эукариотами.

Прокариоты, группа, включающая бактерии и археи, были первой жизнью, появившейся на Земле около 4 миллиардов лет назад. Прокариоты относительно просты и состоят, по сути, из клеточной мембраны, нескольких прочных белков и свободно плавающей ДНК.

Эукариоты, напротив, появились позже и являются гораздо более сложными, с ядрами, органеллами, тонкими внутренними мембранами и более крупными, более структурированными геномами.

Насколько позже и в каком порядке развивались эти компоненты, долгое время оставалось открытым вопросом. Одна из самых больших загадок — место митохондрий в этой хронологии — так называемых «энергетических станций» клетки, которые помогают преобразовывать энергию глюкозы в вещество под названием аденозинтрифосфат (АТФ), обеспечивающее клеточные процессы.

Учёные полагают, что митохондрии изначально были свободноживущей бактерией, которая поселилась внутри другой клетки и в конечном итоге слилась с ней. Время этого слияния имеет значение: появились ли митохондрии первыми и запустили остальные изменения, направленные на усложнение, или же сложность возникла первой, а митохондрии появились позже.

Чтобы выяснить это, группа под руководством палеобиолога Кристофера Кея из Бристольского университета в Великобритании провела анализ молекулярных часов генов широкого спектра организмов.

«Подход был двусторонним: собрав данные о последовательностях сотен видов и объединив их с известными ископаемыми свидетельствами, мы смогли создать древо жизни с временным разрешением», — говорит Том Уильямс, специалист по вычислительной эволюционной биологии из Университета Бата в Великобритании. «Затем мы могли бы применить эту схему для более точного определения хронологии исторических событий в рамках отдельных семейств генов».

Молекулярные часы — это метод, позволяющий учёным оценить, когда организмы разделились и когда впервые появились новые признаки. По сути, все формы жизни на планете имеют несколько общих черт, таких как универсальный генетический код, практически универсальный набор аминокислот и универсальная зависимость от АТФ для получения энергии.

Учёные могут оценить скорость возникновения мутаций в определённой последовательности ДНК, сравнить одну и ту же последовательность у разных видов и, проведя обратный анализ, определить, когда у этих видов последний раз был общий предок. Они также могут использовать молекулярные часы, чтобы определить, когда впервые проявились признаки или функции генов.

Сосредоточившись на различиях между эукариотами и прокариотами, исследователи использовали гены сотен организмов, чтобы реконструировать временную шкалу развития эукариотических признаков. Свою модель они назвали CALM (сокращение от Complex Archaeon, Late Mitochondrion, сложный археон, поздний митохондрий).

Удивительно, но некоторые из первых генетических сигнатур появились примерно 2,9–3 миллиарда лет назад, когда появились первые заметные шаги к образованию белков актина и тубулина, простого цитоскелета и ранних признаков протонуклеуса.

За этим последовали изменения, которые привели к появлению цитоплазматических мембран, органелл, называемых аппаратом Гольджи, и диверсификации систем экспрессии генов, таких как РНК-полимеразы.

Митохондрии появились сравнительно поздно — около 2,2 миллиарда лет назад.

Но это время совпадает со временем, когда уровень кислорода на Земле быстро увеличивался, что говорит о том, что, хотя эукариотическая жизнь уже была на пути к своему нынешнему развитию до Великого окислительного события, ей требовался небольшой толчок со стороны изменений окружающей среды, чтобы достичь того состояния, в котором она находится сегодня.

«Это исследование отличается тем, что оно подробно рассматривает, что именно делают эти семейства генов, и какие белки с какими взаимодействуют, и все это в абсолютном времени», — говорит Кей. «Для этого потребовалось объединение ряда дисциплин: палеонтологии для составления временной шкалы, филогенетики для создания точных и полезных древ и молекулярной биологии для придания этим семействам генов контекста».