15 октября 2014 года на сайте журнала Nature была опубликована статья с указаниями на происхождение многих крупных групп архей посредством горизонтального переноса генов от бактерий. Мы попросили прокомментировать это исследование биолога Александра Маркова.

Становится общепринятой точка зрения, что древовидная структура родства между группами прокариот не отражает адекватно реальность из-за очень широкого распространения горизонтального переноса генов. Поэтому сейчас фактически говорят не о «древе жизни», а вводится понятие «лес жизни», то есть для разных генов необходимо строить разные деревья. Обмен генами между далекими группами постоянно происходит и накладывает серьезный отпечаток на всю структуру родства между группами прокариот. В общем, получается не древовидная структура, а сетевидная, переплетенная.

В обсуждаемой работе показано, что, по-видимому, в начале дивергенции крупных групп архей происходило массированное заимствование генов у разных бактерий, причем именно в таком направлении. При этом наиболее четко это выражено у групп, к которым относятся археи-метаногены, то есть использующие в качестве субстрата водород и углекислый газ. Это единственный тип энергетического метаболизма, который есть только у архей. По всей видимости, от них произошло несколько групп неметаногенных архей-гетеротрофов, которые отказались от метаногенеза, потому что они заимствовали у различных бактерий множество генов, связанных с обменом веществ. Благодаря этому они изменили тип обмена веществ с автотрофного на гетеротрофный и освоили разные новые местообитания. В особенности много бактериальных генов получили предки нынешних галоархей — это такая интересная группа микробов, которые обитают в очень соленых водоемах, например в Мертвом море. Оказывается, у истоков этой группы был массированный захват бактериальных генов.

Рекомендуем по этой теме:
41223
Автограф | «Логика случая»

Было бы странно предполагать, что археи, благодаря заимствованию генов у бактерий, стали в среднем более экстремофильными, чем сами бактерии. Скорее, экстремофильность нынешних архей связана с их не очень большой конкурентоспособностью по сравнению с бактериями в богатых средах. Трудно сказать почему, но у бактерий легче получается освоение новых типов метаболизма, связанного с использованием готовых органических субстратов. Жизнь в сложной насыщенной биотической среде — это конек современных бактерий, поэтому они сплошь и рядом являются симбионтами животных, растений, осваивают внутриклеточный образ жизни: существует огромное количество внутриклеточных бактерий-симбионтов, а также патогенных, вызывающих разные заболевания у животных и растений. Ничего из этого не свойственно для архей. Нет ни одной инфекционной болезни, например, у человека, которую бы вызывали археи.

Археи — это существа-«интроверты», обращены сами в себя, у них очень плохо получается конкурировать с бактериями по части освоения богатой и разнообразной биотической среды. У нас в кишечнике живет огромное разнообразие бактерий, но там есть и археи. Какие археи там живут? Метаногены! Это фантастика: метаногенез очень древний и примитивный тип метаболизма, который основан на том, что микроб берет из окружающей среды молекулярный водород H2 и углекислый газ CO2 и при помощи сложной последовательности химических реакций строит органические вещества, используя водород как восстановитель, а в качестве побочного продукта производит метан. Добывать себе пропитание таким странным древним способом, находясь в кишечнике, то есть в окружении богатейшего разнообразия готовых питательных веществ, — такое могут только археи.

Некое свойства архей ограничивает способность их адаптации к сложному органическому окружению. Это логически можно связать с открытием У. Мартина и соавторов. Чтобы породить новую процветающую группу архей, им нужно сначала заимствовать комплекс метаболических генов у бактерий. Получение генов позволяло им перейти на другой тип метаболизма, отказаться от древнего автотрофного метаногенеза — тогда у них получался биологический прогресс, некая новая группа может освоить маргинальные, но ранее недоступные среды обитания.

Рекомендуем по этой теме:
14701
Ранний и средний протерозой

Много остается вопросов, на которые нет ответа, самый интересный — первичная дивергенция на бактерий и архей от последнего общего предка. Что было стимулом? Как это произошло? У архей, с одной стороны, замкнутый в себе «характер»: легко усваивают экстремальные условия, но трудно осваивают богатые органикой разнообразные среды, даже в кишечнике занимаются примитивным метаногенезом. С другой стороны, у них очевидная способность к заимствованию генов у других организмов, которая привела не только к появлению относительно новых клад архей (такие как галоархеи или термоплазмы), но и к появлению эукариот, так как это процесс, по сути, из того же ряда. Предок ядра и цитоплазмы эукариот, как справедливо отмечают авторы данной статьи, относился к надцарству архей. Становление эукариот было опять-таки связано с массированным заимствованием генов этим микроорганизмом именно у бактерий. Это были гены периферии. Сердцевина, система работы с генетической информацией: репликация, транскрипция, трансляция, строение рибосом — это осталось у эукариот, грубо говоря, в основном архейное. А вся периферия, обмен веществ, сигнальные, регуляторные системы и даже клеточная мембрана — это все стало бактериальным благодаря массивному горизонтальному обмену.