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


3
Показать комментарии (3)
Свернуть комментарии (3)

  • PavelS  | 26.12.2008 | 04:11 Ответить
    Очень интересная статья, жалко что понял мало. Но свои "5 копеек" таки добавлю.

    В статье подразумевается довольно прямая связь термофильности организмов с температурой планеты. Т.е. якобы организмы "хотели" расселиться пошире, вот и приспосабливались к наиболее типичным условиям, которые тогда были на планете. Точнее, делается необоснованное предположение, что общий предок современных видов является наиболее типичным представителем видов своего времени, таким что эти виды наиболее широко расселились. Но как-то сдаётся мне что из видов выживает не тот, который расселится шире всего, а тот, который быстрее всего пройдёт эволюционную цепочку превращений и вытеснит остальных. Это в частности проявляется в том, что в современном мире работает "экваториальная помпа": виды формируются в тропиках.

    Большое количество копий во много раз ускоряет эволюцию (для микроорганизмов с бесполым размножением уж точно), но возможно что этого мало. Возможно что термофилы просто имели более интенсивный обмен веществ и более короткий жизненный цикл и успели обогнать "термофобов", даже если бОльшая часть земли была умеренной по температуре, а термофилов было очень мало по суммарной массе - во много раз меньше чем всех остальных. Т.е. сработала точно такая же "помпа": всех остальных задавили выходцы из горячих источников, вот и кажется что всё что тогда было, жило на горячей Земле.
    Ответить
  • Алексей Гиляров  | 28.12.2008 | 11:54 Ответить
    Спасибо Лене Наймарк за интересную заметку. Условия в разных местах конечно же были разные и в один момент существования Земли. Главное в отборе, чтобы сейчас здесь было хорошо!
    Ответить
  • Combinator  | 05.03.2009 | 20:18 Ответить
    Ну, вообще-то, авторы описывают и третью возможную гипотезу, объясняющую термофобность Луки - до того, как попасть на Землю, он жил на другой планете, в совсем другом климате...
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»