Земные организмы делятся на прокариот, лишенных клеточного ядра, и эукариот — типа нас, у которых почти все клетки имеют ядро, то есть отделенную мембраной от остальной клетки центральную часть с плотно упакованной молекулой ДНК. Ядро дает своим обладателям массу преимуществ: ДНК здесь может быть намного длиннее, чем у прокариот. Например, в ядрах человеческих клеток, несмотря на диаметр в несколько микрометров, содержится ДНК с общей длиной двух цепочек (если их выпрямить) в пару метров. Средняя длина ДНК у бактерий или архей (две группы прокариот) обычно не больше пары миллиметров, в тысячу раз меньше.
Соответственно, эукариоты потенциально могут быть полноценно многоклеточными, формировать сложные организмы. Прокариоты хотя формально и могут образовывать колонии, но несопоставимо более простые. Поэтому появление эукариот — важнейший момент в эволюции всей земной жизни: от предельной простоты она совершила скачок к сложности. Но когда это произошло и по какому сценарию?
Авторы новой научной работы, которую они опубликовали в журнале Nature, решили ответить на этот вопрос с помощью метода перенастроенных молекулярных часов. Обычный метод молекулярных часов оценивает древность тех или иных генетических событий исходя из модели, в которой ошибки при размножении изменяют те или иные генетические черты организма с одинаковой скоростью.
Перенастроенные молекулярные часы — иная модель эволюции организмов, в которых учитывается разная скорость накопления генетических изменений в разных группах. Например, вирус гриппа или ВИЧ эволюционирует существенно быстрее остальных вирусов, а те — быстрее многоклеточных организмов.
Опираясь на этот метод, исследователи искали такие гены эукариот, что несут следы удвоений в момент возникновения общего предка всех эукариот. В результате ученые пришли к выводу, что само это событие случилось существенно раньше, чем считали до сих пор: не 1,5-2 миллиарда лет назад, а 2,2-2,9 миллиарда лет назад. Причем разброс в последних цифрах обусловлен не неточностями датирования, а тем, что черты современных эукариот накапливались у общего предка всех них постепенно. Сначала, почти 2,9 миллиарда лет назад, появились гены, отвечающие за наличие клеточного ядра. И только затем, примерно 2,2 миллиарда лет назад, появились следы удвоения генов, связанных с митохондриями.
Почему это важно? Дело в том, что до 2,4 миллиарда лет назад в атмосфере нашей планеты практически не было кислорода. До сих пор гипотезы происхождения эукариот опирались на идею, что толчком к их появлению стала кислородная атмосфера. При наличии в воздухе сильнейшего окислителя метаболизм живых существ может очень серьезно ускориться. Казалось логичным, что более энергетически «богатая» среда сделала актуальным увеличение длины ДНК вплоть до тысячи раз (общий объем клеток эукариот сходно превосходит бактерий и архей).
Но теперь картина изменилась: получается, что общий предок эукариот получил ядро (и возможность резкого генетического усложнения) за полмиллиарда лет до того, как атмосфера стала хотя бы немного кислородной. Если отсутствие кислорода не мешало такому событию, тогда почему это случилось именно 2,9 миллиарда лет? Ведь жизнь, по современным представлениям, появилась порядка четырех миллиардов лет назад, всего через несколько сот миллионов лет после возникновения планеты.
Новые данные не просто отодвигают дату появления сложнейшей ветви жизни на Земле на миллиард лет назад, хотя это само по себе весьма значимо. Они изменили и последовательность эволюции последнего общего предка всех животных, растений и грибов.
До новой работы была популярна «митохондриальная» гипотеза возникновения эукариот: за счет пожирания внешних клеток (фагоцитоз) эукариоты приобрели живущих внутри них бактерий-симбионтов, из которых возникли митохондрии наших клеток. Митохондрии дали эукариотам важную способность использовать кислород для метаболизма — черту, которая уже была 2-3 миллиарда лет назад у бактерий, но отсутствовала у эукариот до захвата ими бактерий-симбионтов.
Митохондрии исключительно важны для нашего эволюционного успеха: они используют АТФ, основное «топливо» сложных организмов, в 18 раз эффективнее, чем наши клетки могут использовать АТФ без вовлечения митохондрий.
Теперь картина изменилась. Эукариоты не сперва приобрели симбионтов-митохондрий, а потом уже оформили клеточное ядро, позволяющее строить сложный организм из длинной ДНК, а, напротив, сначала приобрели клеточное ядро и лишь через сотни миллионов лет захватили бактерий, давших им возможность стать энергоэффективнее.
Исходный предок эукариот в новой работе вырисовывается клеткой-археей. Это одноклеточные без ядра, как и бактерии, но сильно отличающиеся от них биохимически. Археи не паразитируют на неархеях и живут за счет окислительно-восстановительных химических реакций. Некоторые даже используют как источник энергии солнечный свет, но, в отличие от бактерий или растений, не получают при этом кислород.
Конкретно те археи, от которых произошли мы, были сложнее типичных современных архей, а объединение их возможностей со способностью бактерий использовать кислород (митохондрии) позволило им быть еще и энергоэффективнее в кислородной среде.