Найдавніший одноклітинний організм «проковтнув» бактерію і зробив з неї «сонячну електростанцію».
Земля - планета рослин. Все розмаїття цих фотосинтетиків нашого світу - від величезних секвою до найдрібніших діатомових водоростей - стало можливим багато мільйонів років тому завдяки крихітному одноклітинному організму, який «проковтнув» ціанобактерію і змусив її «працювати» на себе в якості внутрішньої сонячної електростанції.
Міжнародна група вчених - 30 осіб з 22 найбільших дослідницьких центрів світу - виконала колосальну роботу з аналізу геному і транскриптома (всієї матричної РНК, з якою рибосоми зчитують інформацію для синтезу білка) унікальної мікроскопічної водорості, відомої серед дослідників як «живе копалина» - Cyanophora paradoxa. Їх головний висновок - всі рослини на Землі сталися від єдиного предка.
Виявилося, що Cyanophora paradoxa зберегла в своєму геномі «пам'ять» про спільні для всіх фотосинтезуючих еукаріотичних водоростей і рослин біохімічних процесах, пов'язаних з фотосинтезом: етапах біосинтезу крохмалю, гліколізу, пластидних білках-транслокаторах, але не «вміє» синтезувати деякі складні білки світлособираючого комплексу, притаманні рослинам. Крім того, як у геномі Cyanophora paradoxa, так і в геномі зелених рослин вчені виявили «присвоєні» ними гени паразитичних одноклітинних організмів, близьких родичів хламідій. Вони припустили, що гени хламідій були запозичені для того, щоб можна було транспортувати вироблені хлоропластом корисні речовини - цукру - в цитоплазму. Еволюція еукаріот почалася, коли одна клітина «зметикувала» проковтнути іншу, з якої потім вийшли клітинні органели - хлоропласт або мітохондрія. (Саме тому мембрани органелл подвійні.) Ціанобактерія - прародичка хлоропластів фотосинтезуючих еукаріот була «захоплена» лише один раз і всі еукаріотичні фотосинтетики на нашій планеті - і група глаукофітів, до якої належить Cyanophora paradoxa, і червоні водорості, і зелені, і всі наземні вищі рослини мають єдине походження від одного предка. Результати дослідження, виконаного під керівництвом молекулярного біолога Дани Прайс з Ратгерського Університету, Нью Джерсі, США, були недавно опубліковані в журналі Science.
Глаукофіти (Glaucophyte) - одна з груп мікроскопічних прісноводних водоростей, що складається всього лише з 13 унікальних представників. Чому їх називають «живими копалинами»? Біля водорості Cyanophora paradoxa досі зберігається менш «одомашнений» генетичний матеріал, що дістався від «прародички хлоропластів» більшості рослин. Її «хлоропласти» вчені називають ціанелами, оскільки вони мають унікальну будову - наприклад, між мембранами цих органелл зберігається шар мукопептида. Їх мітохондрії також відрізняються від типових еукаріотичних плоскими крістами. У Cyanophora paradoxa є два джгутики нерівної довжини, що функціонують завдяки багаторівневій системі мікротрубочок. У цих водоростей відсутні центріолі.
Дослідники проаналізували геном C. paradoxa, що складається приблизно з 70 мільйонів пар підстав, і вважають, що «захоплення» ціанобактерії, повинно бути, відбулося тільки один раз, незважаючи на те, що у більшості сучасних рослин досі збереглися гени, які роблять ендосимбіоз фотосинтезуючої клітини і клітини-господаря можливим.
Для виникнення такого «союзу» потрібна кооперація не тільки клітини-господаря і перш вільної фотосинтезуючої клітини, але і, по всій видимості, бактерії-паразита. Хламідієподібні клітини, такі, як Legionella (серед представників цього роду бактерій є збудники «хвороби легіонерів»), надали клітці-господареві гени, які дозволили доставляти продукти фотосинтезу з «одомашнених» ціанобактерій, які ми зараз іменуємо пластидами, в цитоплазму клітини-господаря. "Ці три групи організмів і брали участь у створенні хлоропласту. Цьому процесу сприяло багаторазово повторюване горизонтальне перенесення генів (коли організм передає свій генетичний матеріал іншому організму, який не є його нащадком), - пояснює один з учасників дослідження біолог Дебашиш Бхаттачарья з Ратгерського Університету, Нью Джерсі, США, в інтерв'ю журналу Nature. - Таке "захоплення" генетичного матеріалу, можливо, відбувалося безперервно, до тих пір, поки у більшості рослин не виникла клітинна стінка, і нова життєва стратегія не стала такою вигідною ".
Справді, такий збіг обставин трапляється настільки рідко, що біологи досі знайшли лише один приклад: фотосинтетичну амебу Paulinella, яка «одомашнила» ціанобактерій приблизно 60 мільйонів років тому. "У пластидах цих амеб досі йдуть активні еволюційні процеси. З цієї точки зору вони знаходяться ще «в роботі», - пояснює доктор Бхаттачар'я. - Зараз ми аналізуємо послідовності геному Paulinella, щоб отримати відповіді на деякі питання про те, як ці події відбуваються ".
Дана робота, крім усього іншого, підтверджує гіпотезу Лінн Маргуліс, яка вперше в 1960-ті роки винесла на широке обговорення теорію (задовго до того, як вона була прийнята офіційно) про те, що сучасні рослинні клітини виникли в результаті такого симбіозу. Це теорія передбачає, що всі рослини насправді є химерами, що складаються з генетичного матеріалу, об'єднаного в результаті виникнення стародавнього «союзу» предкових організмів, у тому числі і паразитичних бактерій. Яскрава життєрадісна людина і всесвітньо визнаний дослідник, Лінн Маргуліс пішла з життя 22 листопада 2011 року, так і не дочекавшись такого переконливого експериментального підтвердження власному геніальному передбаченню.
Тепер вченим залишається тільки вирішити питання про те, чому виник цей «союз», що мав місце приблизно 1,6 млрд. років тому. Одне з припущень полягає в тому, що локальні умови існування могли зробити симбіоз вигідним, насамперед, для хижих одноклітинних організмів. Наприклад, дефіцит «їжі» і велика кількість сонячного світла змусили їх «поглинути» ціанобактерій, припинити хижацтво і почати поглинати речовини шляхом абсорбції. «Коли їжа закінчується, а сонячного світла багато, то за допомогою фотосинтезу легше прогодуватися», - пояснив доктор Бхаттачарья. Внаслідок цього «примусового» союзу і виникли надзвичайно еволюційно успішні організми - рослини.
Ріс. 1. Схема будови водорості Cyanophora paradoxa.
Ріс. 2. А - мікроскопічна будова Cyanophora paradoxa. B - RaxML-аналіз схожості окремих білків фотосинтетичного апарату C. paradoxa з такими інших споріднених організмів. С - філогенетичне дерево, побудоване за фруктозо-1,6-бісфосфатазою (що синтезується в цитоплазмі і транспортується в хлоропласти). D - філогенетичне дерево, побудоване за тіамінпірофосфатазою (ферментом гліколізу).
Ріс. 3. Лінн Маргуліс (5.03.1938 - 22.11.2011). Американський біолог, творець сучасної теорії симбіогенезу.