В главе 4 я рассказывала, как определение последовательностей ДНК обитателей земных глубин позволило узнать о существовании новых ранних ветвей на древе жизни, о которых мы даже не подозревали. Однако одна группа последовательностей выделялась, отличалась от остальных, и именно ее я и обнаружила в образцах из гидротермальных источников. Как ни пыталась, я не могла построить филогенетическое дерево, на котором обладатели этих последовательностей ДНК однозначно относились бы к археям, бактериям или эукариотам. В то время считалось, что все формы жизни на Земле относятся к одной из этих трех групп. Поэтому я сразу подумала: до чего же я никудышный ученый, напутала что-то в алгоритме! Но на самом деле выяснилось, что я наткнулась на один очень странный организм.
Я начала прочесывать научную литературу, чтобы понять, находил ли кто-нибудь еще эту необычную ДНК. Действительно, ее находили в других глубоководных гидротермальных источниках и в подповерхностных участках, однако, поскольку этих микробов никто не культивировал, общепринятого наименования у них не было. Костантино Ветриани из Ратгерского университета называл их “группой морских придонных организмов B” (Marine Benthic Group B, MGB-B), Фумио Инагаки из JAMSTEC – “группой глубоководных архей” (Deep-Sea Archaeal Group, DSAG), а Кен Такаи из JAMSTEC – “группой из морских гидротермальных источников” (Marine Hydrothermal Vent Group, MHVG). Кэтрин Книттель из Института морской микробиологии Общества Макса Планка в Германии решила сфотографировать этих микробов, что не так уж просто. Конечно, если у вас есть хорошо растущая культура, вы можете размазать ее по предметному стеклу, окрасить, поместить под окуляр микроскопа и сфотографировать. Но когда вы пытаетесь обнаружить новых загадочных микробов с океанского дна, которые отказываются расти на чашке Петри, задача сильно усложняется. Если вы размажете по предметному стеклу свежий ил, краситель не позволит отличить один тип микробов от другого – и это большая проблема, поскольку в каждом грамме отложений содержатся миллиарды различных типов микробов.
Чтобы обойти эту проблему, Кэтрин уселась за компьютер и стала сравнивать последовательности гена 16S рРНК странных микробов без названия со всеми известными на тот момент генами бактерий и архей. Она заметила цепочку из восемнадцати нуклеотидов, которая соответствовала только этой необычной группе организмов. А затем Кэтрин присоединила к этой последовательности из восемнадцати нуклеотидов флуоресцентную метку и смешала с донным илом. Каким-то образом ДНК-зонды нашли свои цели: они прикрепились к клеткам MGB-B/DSAG/MHVG и заставили их светиться, что позволило Кэтрин и ее коллегам впервые взглянуть на этих загадочных существ2. Когда ученые поглядели на них в микроскоп, то в первую очередь обнаружили, что это чрезвычайно мелкие клетки: их размер сравним с длиной волны синего света (550 нанометров). Однако важнее всего (и это может иметь колоссальное значение для нашего собственного существования), что эти клетки образуют глобулярные агрегаты с другими клетками. Для любых других микробов способность формировать агрегаты вполне типична. Но это необычные микробы. Это не бактерии, не совсем археи и не совсем эукариоты. Они стоят особняком на древе жизни. Чтобы понять, почему это так важно (почему слипание этих специфических клеток вызывает учащение пульса), нужно обсудить кое-что о самой ранней истории нашей ветви на древе жизни – ветви эукариот.
Одна из отличительных особенностей эукариот заключается в том, что внутри их клеток есть микроскопические органеллы, называемые митохондриями, которые захватывают богатые электронами молекулы пищи (поступающие через кишечник и кровь) и заставляют их взаимодействовать с кислородом (поступающим с кровью от легких). Как я упоминала в предыдущих главах, аэробное дыхание – мощный термодинамический процесс, и митохондрии вовсю используют его для синтеза молекул АТФ, служа энергетическими станциями клетки. Однако наши митохондрии не совсем “наши”: это бывшие бактерии, которые по неизвестным причинам оказались внутри эукариотических клеток и остались так надолго, что получили постоянную прописку.
Эту теорию эндосимбиоза выдвинула биолог Линн Маргулис, наряду со схемой подразделения всех живых организмов на пять царств. И в отличие от классификации по пяти царствам, теория эндосимбиоза подтверждается современными открытиями. Если вы под микроскопом посмотрите на клетки человека, тупика, какого-нибудь растения или большинства других эукариот[60], вы увидите, что митохондрии действительно очень напоминают клетки бактерий. У них свои собственные клеточные мембраны и даже исходная бактериальная ДНК. Это означает, что прямо сейчас внутри клеток, которые мы считаем своими, содержится бактериальная ДНК[61]. И она весьма похожа на ДНК современных бактерий, так что мы даже можем сказать, микроорганизмам какого типа она принадлежала изначально. Это довольно обычная группа бактерий, которых называют альфа-протеобактериями, они часто встречаются во многих средах, включая морскую воду. Такая бактерия каким-то образом проникла в эукариотическую клетку и стала настолько полезной, что потеряла способность жить независимо от хозяина и сократила свой геном до нескольких самых важных элементов. Оставшихся генов недостаточно, чтобы бактерия могла жить независимо, и теперь мы неразлучны. Мы ничего не можем делать без помощи этих маленьких непрошеных гостей. Слушаем ли мы музыку, размышляем, читаем книгу или согреваем тело – они помогают нам во всех делах. И то же самое справедливо для всех растений и животных на нашей планете.
Но если все действительно произошло таким образом – если древние бактерии внедрились в наши клетки и там остались, – возможно, мы могли бы обнаружить и другие примеры такого рода. Если природа изобретает что-то работающее, она использует это не один раз. Посмотрите на форму плавников у китов и китовых акул. Они напоминают крылья “Боинга-767”, однако плавники этих двух видов животных возникли совершенно разными эволюционными путями.
К счастью, прямо у нас перед глазами есть второй пример эндосимбиоза, давшего начало новым органеллам: речь идет о растениях. Как мы своей способностью бегать и прыгать обязаны не себе самим, так и способность растений к фотосинтезу обеспечивается не самими растениями. Хлоропласты (элементы растительных клеток, осуществляющие фотосинтез), как и митохондрии, представляют собой бактериальных пришельцев из древних времен. Хлоропласты сохранили свою ДНК достаточно хорошо, поэтому мы знаем, что они ведут свое начало от цианобактерий. Как и митохондрии, хлоропласты теперь неразрывно связаны с эукариотическими клетками, в которых живут. Однако, в отличие от хлоропластов, митохондрии есть у всех главных групп эукариот, а не только у растений, а это означает, что возникновение митохондрий может быть ключом к эволюции всей нашей ветви на древе жизни.
Как началась эта связь между ранними эукариотами и бактериями, позднее превратившимися в митохондрии? Может быть, древняя эукариотическая клетка съела древнюю бактерию, которая при этом не умерла, а стала сотрудничать с тем, кто ее проглотил? Или хитрый микроб инфицировал древнюю эукариотическую клетку, но потом передумал и решил жить в гармонии со своей жертвой всю оставшуюся жизнь? Или же две клетки просто сосуществовали рядом, обмениваясь пищей и другими ресурсами, так долго, что решили навсегда закрепить свою связь? Забавно рассуждать о таких возможностях, однако биологические процессы слишком запутанны, чтобы делать какие-то выводы исключительно на основании мысленных экспериментов. Кровь биологических теорий – экспериментальные данные.
К счастью, у нас полно данных о древних альфа-протеобактериях, превратившихся в митохондрии. Но к несчастью, мы почти ничего не знаем о древних клетках, которые стали их хозяевами. Выполняя свою аспирантскую работу в комнате без окон сразу после возвращения из экспедиции в море Кортеса и безуспешно пытаясь заставить компьютерные программы сказать мне, что же это за странные микробы, я, возможно, исследовала одного из самых первых прямых потомков того хозяина, что поглотил альфа-протеобактерию и в итоге стал человеком. Вот почему нас так интересовали эти микробы с невыразительными названиями MGB-B/DSAG/MHVG[62]. Вдруг они сохранили какие-то признаки той первой ступени перехода к эукариотической жизни на нашей планете?
И вот почему меня так взволновало, когда Кэтрин Книттель показала, что эти микробы образуют маленькие кластеры с другими клетками. Быть может, склонность этих микробов сбиваться в кучки способствовала тому, что некоторые из них вступили в связь с альфа-протеобактериями и положили начало пути, приведшему к нашему появлению на свете. Однако сложно узнать своих “прабабушек” по единственному гену и нескольким фотографиям. К сожалению, почти два десятка лет у нас не было ничего другого. Но затем, в 2015 году, Аня Спанг и Тийс Эттема из Уппсальского университета в Швеции впервые полностью прочли геном этих загадочных организмов3. Они дали им полное, а не сокращенное название (за что все ученые вроде меня чрезвычайно им благодарны): они окрестили их Lokiarchaeota – по названию гидротермального источника “Замок Локи”, где их обнаружили (а не в честь скандинавского бога Локи).
Когда ученые сравнили геном локиархей с геномами других организмов, они выявили удивительное сходство с нашей линией – эукариотами. Такое близкое родство с нами позволяет предположить, что они действительно могут быть прямыми потомками наших древних предшественников. Кроме того, ученые из Швеции обнаружили в геноме этих клеток особенности, которых никогда раньше не замечали в геноме прокариот. Одно из важнейших различий между эукариотами (людьми, растениями, грибами и так далее) и прокариотами (бактериями и археями) заключается в том, что мы, эукариоты, способны перемещать внутриклеточные вещества по маленьким конвейерным лентам с помощью специализированных белков. У локиархей гены таких белков есть, и это еще одно доказательство, что они с нами в одной команде. Еще исследователи нашли гены, которые, вероятно, позволяли клеткам локиархей обмениваться водородом со своими эндосимбионтами (возможно, с протомитохондриями), а также поверхностные структуры, вероятно, помогавшие прикрепляться к дружественным клеткам альфа-протеобактерий.
Чтобы больше узнать об этих интересных существах и об их внутренней организации, ученым нужны более качественные изображения. Но единственный способ получить такие изображения – научиться культивировать локиархей. Несмотря на все усилия по культивированию микроорганизмов из гидротермальных источников, локиархей ни разу не удавалось вырастить в лаборатории… до 2020 года.
Попытки культивировать локиархей начались в 2006 году, примерно за десять лет до того, как Спанг и ее коллеги объявили о расшифровке первого генома Lokiarchaeota. Хироюки Имати и его коллеги из JAMSTEC решили опробовать новый метод выращивания. Они сконструировали специальную камеру размером со шкаф и развесили в ней на нейлоновых нитях кусочки стерильных кухонных губок. Губки обмакивали в жидкость из глубоководных гидротермальных источников у берегов Японии. А потом на верхнюю губку медленно капали средой для роста клеток. Когда первая губка насыщалась, жидкость томительно долго стекала на вторую губку и так далее. А ученые терпеливо ждали. Через четырнадцать лет японские ученые сообщили о получении первой культуры локиархей, которую им удалось сфотографировать с высоким разрешением4.
Результаты оказались такими, о каких ученые могли лишь мечтать: выяснилось, что от каждой маленькой клетки локиархей отходят крупные отростки. Подключите воображение и представьте, как такая клетка обхватывает своими щупальцами альфа-протеобактерию, заглатывает ее и в конечном итоге превращается в… жирафа. Я дистанционно смотрела выступление Хироюки, когда он рассказывал о своей работе во время получения награды за это открытие от китайского Международного центра исследований глубоководной жизни. Он отметил, что состав культуральной среды отчасти определялся результатами некоторых моих исследований, и я была очень горда, что хотя бы косвенно способствовала его научным достижениям. Новый микроорганизм был назван Prometheoarchaeum syntrophicum в честь греческого бога Прометея, который вылепил людей из глины и даровал им огонь (название вполне подходящее, если мы правильно полагаем, что эти клетки были предшественниками всех эукариот и дали нам огневую мощь митохондрий). Тот факт, что мы вновь и вновь находим локиархей в гидротермальных источниках, похоже, подтверждает, что древнейшие ветви на древе жизни зародились в этой среде. Однако мы не можем отправиться на миллиард лет назад и проверить эту гипотезу. В поисках источника жизни нам приходится мириться с некоторой степенью неопределенности, особенно в отношении наиболее сложных вопросов. В этой главе я рассказала о нескольких возможных сценариях, описывающих, где и как зародилась жизнь. А теперь перейдем к более сложным вопросам. Когда и почему возникла жизнь?