На протяжении «скучного миллиарда» на Земле доминировала переходная «протостероловая» биота

Рис. 1. Древнейшие бесспорные ископаемые эукариоты возрастом не менее 1,6 млрд лет, найденные в Китае в формации Бейдажань (Beidajian formation): А — Tappania plana, B — Shuiyousphaeridium macroreticulatum. Фото из статьи N. J. Butterfield, 2014. Early evolution of the Eukaryota

Геохимические исследования открыли целый новый мир, существовавший в древности на Земле: тогда доминантами планеты были уже не бактерии, но еще и не настоящие эукариоты. Эти организмы населяли планету не менее миллиарда лет в течение всего протерозоя. Их присутствие выявилось по специфическим биомаркерам стеролов, по которым принято судить о былом существовании эукариот. Ученые предположили, что в клеточных оболочках предшественников эукариот мог присутствовать не тот холестерол, который обычен сейчас в клеточных мембранах, а протостерол, который синтезируется на первых этапах многоступенчатого синтеза холестерола. Они разработали химический протокол поиска протостерола и применили его к образцам различных протерозойских пород. Протостерол обнаружился везде, во всех протерозойских образцах, а начиная с пород эдиакарского возраста протостеролы исчезают. Ученые заключили, что в протерозое процветала особая биота — протостероловая. Протостероловое население составляли предшественники эукариот с несовершенной клеточной мембраной. По ходу их эволюции синтез стеролов совершенствовался, что привело к появлению холестерола и настоящей эукариотической мембраны. В этом исследовании мы видим второй яркий пример важного палеонтологического открытия, сделанного на основе молекулярных находок (первым было открытие денисовского человека по ДНК).

Блестящее исследование международной группы ученых под руководством специалиста-геохимика Йохена Брокса (Jochen J. Brocks) из Австралийского государственного университета посвящено изучению протерозойской жизни в так называемом «скучном миллиарде» — промежутке времени между 1,8 млрд лет и 800 млн лет назад. В то время на планете были относительно стабильные условия, замедлилась вулканическая деятельность, уровень кислорода мало-помалу увеличивался, а планету населяли различные бактерии и археи со своими вирусами. Этот период принято считать временем становления эукариот, организмов с оформленным клеточным ядром, митохондриями и гибкой двуслойной клеточной мембраной. И так — целый миллиард лет: никаких особых свершений на планете, кажется, не происходило, захватывающий ролик снять не о чем — ни метеоритов, ни колоссальных извержений, ни оледенений, ни зарождения новых ярких форм жизни. Однако, как выясняется, это представление сложилось от недостатка знаний. Эукариотическая жизнь как раз развивалась, вырабатывая элементы будущего разнообразия форм.

Мы можем судить о существовании древних эукариот на планете по находкам ископаемых клеток с характерными признаками, а также по ископаемым биомаркерам, свойственным только эукариотам.

Древнейшими ископаемыми эукариотами иногда называют фоссилии карельской Хизоваарской группы возрастом 2,8 млрд лет (см. М. Астафьева, 2019. Ископаемые микроорганизмы архея). Однако более аккуратный морфологический фильтр (относительно крупный размер + сложная оболочка с орнаментом) и исключение возможных загрязнений заставляют сильно омолодить бесспорных эукариот до возраста 1600 млрд лет. Они представляют собой пустые органические оболочки — или гладкие, или с выростами (рис. 1). Родственные связи этих древнейших организмов пока не понятны.

В более поздних протерозойских отложениях нередки находки как одноклеточных, так и многоклеточных эукариот. В этой связи обязательно упоминается многоклеточная красная водоросль, найденная на севере Канады в отложениях возрастом 1,2–1,1 млрд лет (рис. 2), — самый древний многоклеточный организм.

Рис. 2. Слева — ископаемая красная водоросль Bangiomorpha pubescens возрастом 1,2–1,1 млрд лет найденная в Канаде в формации Хантинг (Hunting formation). Справа — Многоклеточный эукариотический организм Aimonema ramosa возрастом 1,05 млрд лет, Сибирь, лахандинская биота. Фото из статьи N. J. Butterfield, 2014. Early evolution of the Eukaryota

Эта портретная галерея становится относительной разнообразной в неопротерозое (около 800 млн лет назад, рис. 3), а до того стены галереи сплошь пустые.

Рис. 3. Многоклеточные эукариотические организмы неясной природы. Неопротерозой, 850–820 млн лет. A — Cheilofilum hysteriopsis, B — Tappania sp., C — Jacutianema solubila, D — Valkyria borealis, E — Proterocladus major (возможный представитель зеленых водорослей), F — Palaeastrum dyptocranum (возможный представитель зеленых водорослей). Фото из статьи N. J. Butterfield, 2014. Early evolution of the Eukaryota

Согласно молекулярным реконструкциям, последний общий предок эукариот существовал 1,4–1,2 млрд лет назад, а эукариоты появились еще раньше, на заре протерозоя. Где портреты ранних эукариот и почему ископаемая летопись столь скудна? Возможно, эукариот в раннем и среднем протерозое было так мало и они настолько терялись среди бактериального мира в редких местообитаниях, что их просто мало шансов найти. Примерно так и рассуждали специалисты, выстраивая историю органического мира.

Параллельно развивался сюжет с биомаркерами эукариот. Основными биомаркерными молекулами для них считаются стераны. Это продукты разложения стеролов, которые являются необходимым функциональным и конструктивным элементом мембраны эукариотической клетки. Стераны относительно нетрудно обнаружить в вытяжках из органической составляющей осадков. Для этого требуется выдержать порошок каменной породы в дихлорметане и исследовать раствор (химики могут заглянуть в раздел «Методы» обсуждаемой статьи). Если их находят в породах, то для специалиста это прямое указание на эукариотическую жизнь в данном месте и в данное время. Все анализы показывали, что в породах старше 800 млн лет стеранов в подавляющем большинстве нет. Хотя при этом биомаркеры бактериальных мембран — гопаны — находят в протерозойских породах везде. Так что, если палеонтологи гадали, где ископаемые эукариоты старше 1 млрд лет, то биохимики спрашивали, где стераны старше 800 млн лет. Молекулярные реконструкции, уводящие гораздо глубже в прошлое, настоятельно требуют ответов на оба вопроса.

И вот ответы найдены. Для этого Йохену Броксу и его команде потребовалось нестандартно осмыслить существо дела и отойти от стандартных процедур анализа проб. Их поиск строился на известной гипотезе Конрада Блоха о предшественниках холестерина у возможных предков эукариот.

Синтез холестерина у современных эукариот проходит через 19 промежуточных этапов. Уже на первых этапах получаются молекулы стеролов, пригодные так или иначе для выполнения «холестериновых» функций в мембранах. Это стартовые молекулы для данного синтеза: протостеролы (ланостерол у животных и циклоартенол у растений), а также урстеролы. Урстеролами Блох назвал промежуточные стадии синтеза холестерина — метилированные протостеролы. Согласно гипотезе Блоха, в мембранах эукариот на начальных этапах их эволюции функции холестерина выполняли протостероиды и урстеролы. Эту гипотезу нетрудно проверить — проанализировать весь спектр ископаемых стероидов в геологических осадках. Но это было сделано только теперь. Почему, если эта идея прямо-таки напрашивается? Авторы обсуждаемой работы считают, что раньше все работы велись по отработанному протоколу, в котором не было пункта «выделить протостеролы (протостераны)». Иными словами, мешала наезженная колея. Сами авторы решили включить этот пункт в свой протокол, хотя пришлось, конечно, отработать его по-новому и расширить референсные библиотеки (в «Методах» подробно описаны все эти усовершенствования).

Итак, что дали организованные по-новому анализы собранных геологических проб? Нужно подчеркнуть, что проб было много и они охватывали весь протерозой (88 образцов возрастом от 635 млн лет до 1,8 млн лет), а также все возможные экологические обстановки на всех континентах. Также приведены и обновленные данные для фанерозоя.

В породах возрастом 1640–820 млн лет (палео- и мезопротерозой) обнаружились протостераны. Авторы подчеркивают, что они были найдены во всех пробах, которые они изучали: из всех палеоэкотопов и на всех континентах. На рис. 4 они изображены фиолетовым цветом. В пробах тонийского периода (начало неопротерозоя, 820–717 млн лет назад) преобладает один из типов стероидов — холестан (на рис. 4 показан красным). Вместе с ним регистрируется небольшое количество эргостана (синий цвет на рис. 4, около 5%). Подобная смесь — холестеролы с небольшой добавкой эргостерола, но без существенных добавок третьего из основных стеролов, стигмастерерола (зеленый цвет на рис. 4) — указывает на доминирование красных водорослей в экосистемах. В достаточном количестве в породах этого времени определяются и протостераны.

Рис. 4. a — результаты анализа стероидов в протерозойских и фанерозойских породах. Цифрами 1–11 на стратиграфической колонке обозначены различные формации, из которых происходят образцы. b — гипотетическая схема становления эукариот: протостероловая биота отмечена фиолетовыми ветвями. c — изображения древнейших ископаемых эукариот (номера животных не связаны с номерами формаций). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Доминирование холестерола хорошо заметно вплоть до начала эдиакарского периода, когда в пробах в заметных количествах появляются все типы стероидов, включая и стигмастан. Стигмастан означает появление зеленых водорослей. Отсюда мы понимаем, что зеленые водоросли в эдиакарском периоде потеснили красные водоросли; авторы статьи назвали это явление «зеленой революцией». А протостеролы совсем исчезли (или их стало меньше, чем возможно определить современными методами). Следовательно, с этого момента эукариоты современного облика завоевали планету.

Авторы дали специальное название обнаруженному явлению (широкому присутствию протостероидов в древнейших осадках) — протостероловая биота. В этом названии много эволюционного смысла, который проиллюстрирован средней частью (b) рис. 4. Предок эукариот в начале своей эволюции дал букет ветвей. Эти первые эукариоты имели клеточную мембрану, укрепленную протостеролами. Опыты с искусственными мембранами показывают, что с предшественниками холестерина мембрана работает, но становится более проницаемой и неупорядоченной, и в ней не образуются функциональные домены, так называемые рафты. Модификации протостеролов пошагово улучшают функционирование мембраны, однако эти шаги потребовали значительное время. Обладатели протостероловой мембраны процветали на протяжении всего протерозоя, пока их не сменили их «холестероловые» последователи. Почему произошла эта смена, понять трудно. Это мог быть результат случайного дрейфа, но также и эффект большей жизнестойкости обладателей холестероловых мембран и их лучшей приспособленности к новым кислородным условиям.

Так или иначе, перед нами целая биота древних эукариот, не похожих на современных обитателей планеты, открытая по их молекулярному наследию. Подобно открытию денисовских людей по ДНК, этот мир открыт только по их биомолекулам. Это новый древний мир, о котором мы пока знаем только то, что у них были другие, еще несовершенные клеточные мембраны.

В перспективе этого открытия лежат ключевые дискуссии о возможности горизонтального переноса и симбиогенеза среди обладателей протостероловых мембран. Ведь именно они были теми организмы, которые наладили сожительство с предками митохондрий и сформировавшие ядро тем или иным образом. В недавно опубликованной статье Евгения Кунина с коллегами об эукариотном предке говорится о возможном бактериальном предшественнике эукариот, одомашнившим асгардархею в качестве будущего ядра и альфа-протеобактерию в качестве будущих митохондрий. Вопрос о механизме одомашнивания упирается в устройство мембраны. Новые данные о протостероловой биоте позволяют рассуждать о событиях одомашнивания с новой неожиданной стороны.

Кроме того, в связи с открытием протостероловой биоты получает новое звучание еще одна важнейшая дискуссия: о возможности сохранения клеточных структур в ископаемой летописи. Что такого особенного в современных эукариотических мембранах, что они могут фоссилизироваться, а протостероловые, по-видимому, не могут? Иначе мы бы их во множестве находили в древнейших протерозойских породах. И тут пока никаких ответов нет.

Источник: Jochen J. Brocks, Benjamin J. Nettersheim, Pierre Adam, Philippe Schaeffer, Amber J. M. Jarrett, Nur Güneli, Tharika Liyanage, Lennart M. van Maldegem, Christian Hallmann & Janet M. Hope. Lost world of complex life and the late rise of the eukaryotic crown // Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06170-w.

Елена Наймарк