Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан


Д. Никифоров и др.
ЭКО: длинная история короткой встречи


А. Никонов
Небывалое бедствие в селе Кашкаранцы


Л. Сасскинд, Дж. Грабовски
«Теоретический минимум». Глава из книги


А. Сергеев, А. Благодатский
Насекомые и бионика: загадки зрительного аппарата


Л. Смолин
«Возвращение времени». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Общий предок бактерий и архей предпочитал прохладу


Реконструкция последнего общего предка бактерий, архей и эукариот, именуемого LUCA, занимает ученых всего мира. Усилия направлены на выяснение его облика, метаболизма, генома, условий и времени его существования — всё это связано с проблемой возникновения жизни на Земле
Реконструкция последнего общего предка бактерий, архей и эукариот, именуемого LUCA, занимает ученых всего мира. Усилия направлены на выяснение его облика, метаболизма, генома, условий и времени его существования — всё это связано с проблемой возникновения жизни на Земле

Французские исследователи по реконструированным геномным последовательностям оценили оптимальную температуру для роста гипотетических предков бактерий, архей и эукариот. Они показали, что эта температура не превышала 50-60°C. Зато предки бактерий и архей предпочитали перегретые условия (>80°C). Адаптация к гипертермофильности у бактерий и архей была достигнута независимо — вероятно, вследствие замены РНК-наследования ДНК-наследованием.

Французские ученые из Лаборатории биометрии и эволюционной биологии Лионского университета Клода Бернара и Лаборатории информатики, робототехники и микроэлектроники в Монпелье при Национальном центре научных исследований (CNRS) в своей статье, опубликованной в журнале Nature, предложили метод измерения температур в архее, в те времена, когда существовал предок архебактерий (архей), бактерий и эукариот. Этот предок — Лука (LUCA, от англ. last universal common ancestor) дал две ветви потомков — бактерий с одной стороны, и архей + эукариот с другой. От последней ветви, используя возможности симбиоза, отделилась линия ядерных организмов. Предположительно, ядерные организмы отделились от архебактерий около 2,4 млрд лет назад. Появление бактериальных потомков Луки и самого Луки пока оценить очень трудно, так как нечем проверить «точность» молекулярных часов. Но если время существования Луки пока узнать не удается, то условия его жизни поддаются расшифровке. Обычно такого рода проекты базируются на свойствах геномов и белков общих предков.

Для реконструкции геномной последовательности Луки ученые построили филогенетическое древо бактерий, архебактерий и эукариот. Читателям, желающим подробнее познакомиться с методикой построения филогенетических деревьев, послуживших основой для восстановления генома общих предков, я рекомендую внимательно изучить дополнительные материалы к статье, которые находятся в открытом доступе. Авторы использовали довольно сложный, но вполне реалистичный метод построения филогенетических деревьев; этот метод может оказаться полезным сам по себе, безотносительно к результатам данного исследования.

Далее, они привлекли две известных зависимости, выявленных для современных организмов. Первая — это зависимость оптимальной температуры роста от количества Г–Ц-связей («гуанин–цитозин») в рибосомных РНК (рРНК), вторая — связь оптимальной температуры роста с композицией аминокислот в общем банке белков того или иного организма (протеоме). Первая зависимость основана на большей термоустойчивости связи Г–Ц по сравнению с А–Т («аденин–тимин»), а вторая — на различной термотолерантности аминокислот в белках. Эти два фактора — прочность Г–Ц-связей и термотолерантность аминокислот — имеют разную природу и потому независимы друг от друга. Поэтому их можно рассматривать в качестве двух отдельных температурных шкал. На эти шкалы (графики обеих зависимостей) осталось наложить точки, соответствующие показателям Луки, для полноты картины дополнив графики точками, соответствующими общему предку архебактерий и эукариот, предку бактерий и предку архебактерий.

«Элементы» уже писали о достижениях в области изучения древнейших температур (см. Экспериментальные белки помогают узнать о климате древнейших эпох, 09.02.2008). Около года назад американские специалисты обосновали оптимальную температуру для работы факторов элонгации (ферментов, участвующих в последовательном присоединении аминокислот на матричную РНК во время синтеза белковой молекулы; см. elongation factors) у реконструированных предковых бактерий; они пришли к выводу, что эта температура составляла 70°C. Из этой цифры логично вытекала концепция о постепенном охлаждении земного климата от момента появления бактерий и до настоящего времени, этот тренд естественно экстраполировался и в архейские времена. Таким образом, американская группа исследователей склонялась к термофильности Луки (оптимальные условия роста 50–80°C). Однако наряду с этой точкой зрения существует мнение о мезофильности Луки (оптимальная температура роста мезофиллов < 50°C). Эта позиция основывается на том, что рРНК Луки содержал небольшую долю Г–Ц-нуклеотидов. Французским ученым удалось найти пути к разрешению противоречия между этими двумя точками зрения.

Эти два графика показывают связь оптимальной температуры и доли Г + Ц в рНК (a) и оптимальной температуры и вариабельности аминокислотного состава (в условных статистических единицах; b). Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Эти два графика показывают связь оптимальной температуры и доли Г + Ц в рНК (a) и оптимальной температуры и вариабельности аминокислотного состава (в условных статистических единицах; b). Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Сравнив графики, легко увидеть, что рРНК Луки была лучше приспособлена к более высоким температурам (60°C), чем его белковая составляющая (около 20°C). В его аминокислотной композиции доля термоустойчивых аминокислот — изолейцина, валина, тирозина, глутаминовой кислоты, триптофана — была еще невысока.

Это значит, во-первых, что Лука ни по каким показателям не был гипертермофилом или термофилом, а во-вторых, что предки бактерий, также как и предки архей и общий предок архей и эукариот, были термофилами или гипертермофилами. Кроме того, важно, что в пределах бактериальной ветви термостабильность постепенно снижалась, то есть бактерии по мере развития учились существовать в условиях всё более прохладного климата.

Таким образом, данное исследование выдвигает гипотезу о параллельном увеличении термостабильности в двух линиях — бактериальной и архейно-эукариотной. При этом их общий предок Лука предпочитал не перегреваться. Авторы исследования выдвигают два возможных механизма для параллельного появления гипертермофильности в двух различных линиях.

Согласно первой, всё это — естественный ответ организмов на изменение окружающей среды. Сначала, во время существования Луки, Земля была прохладной, и он был хорошо адаптирован к этим условиям. Затем, в результате серии метеоритных катастроф, Земля разогрелась. Живые существа в основной массе не выдержали резкой смены обстановки, оставив после кризиса только гипертермофильных маргиналов и тех, кто смог быстро среагировать на эти изменения. В дальнейшем, по мере остывания Земли, их адаптации постепенно вернулись к мезофильности. Ясно, что эта умозрительная конструкция нуждается в одобрении геологов, а также требует хоть сколько-нибудь точной оценки момента происхождения и существования Луки.

Второй механизм более симпатичен, по крайней мере именно к нему апеллируют авторы пресс-релиза этой работы. Они предполагают, что Лука мог быть представителем РНК-мира, обладателем РНК-наследственного аппарата. Местом его обитания были особые биотопы с пониженной температурой (например, приполярные области). Затем две группы его наследников независимо приобрели ДНК — вероятно, с помощью горизонтального переноса от вирусоподобных организмов. ДНК более устойчивы к высоким температурам, чем РНК, поэтому драгоценное приобретение позволило бактериям и археям расселиться широко по всей Земле.

Источник: Bastien Boussau, Samuel Blanquart, Anamaria Necsulea, Nicolas Lartillot, Manolo Gouy. Parallel adaptations to high temperatures in the Archaean eon // Nature. V. 456. P. 942-945 (18 December 2008); doi:10.1038/nature07393.

Елена Наймарк


Комментарии (3)



Последние новости: ГенетикаЭволюцияЕлена Наймарк

18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
16.05
Уровень полученного образования отчасти зависит от генов
13.05
Удалось проследить зарождение и развитие меланомы от первой раковой клетки
12.05
Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного
10.05
ГМО будут совершенствоваться при помощи искусственной эволюции
3.05
Создан семантический атлас человеческого мозга
28.04
Малыши гигантских динозавров росли очень быстро
25.04
Расшифрованы генетические основы быстрых эволюционных изменений размера клюва у дарвиновых вьюрков
20.04
Расшифровка древней ДНК рассказала о происхождении южноамериканских индейцев
19.04
Птицы учатся строить гнезда у своих знакомых


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия