Бактериальная эволюция в древних донных осадках

Микроорганизмы, сохраняющиеся глубоко под морским дном в течение миллионов лет, продолжают эволюционировать, несмотря на существование на энергетическом пределе жизни.

На поверхности Земли, где питательных веществ в изобилии, бактерии размножаются и эволюционируют с ускоренной скоростью по сравнению с растениями и животными. Клетки делятся быстро, и случайные мутации накапливаются с соответствующей высокой скоростью. Бактерии также используют различные способы генетического обмена, что позволяет рекомбинации между различными геномами. Этот процесс помогает смягчить эффекты вредных мутаций, позволяя при этом распространяться благоприятным мутациям, дающим полезные признаки.

Однако в глубоком море бактерии могут находиться на глубине более 10 м ниже морского дна, где они сохраняются в условиях экстремального энергетического ограничения, близкого к энергетическому пределу жизни, в осадках возрастом более миллиона лет. В этих условиях почти все питательные вещества потребляются на поверхности дна, оставляя крайне низкий запас пищи для бактерий глубоко под ним.

Некоторые учёные выдвигали гипотезу, что скорость клеточного деления в таких условиях слишком мала, и эволюция не может происходить. Основанием для этого служит тот факт, что экстремальное энергетическое ограничение приводит к очень низким темпам метаболизма, а значит, и к очень медленному делению бактерий.

Но новое исследование показывает, что эволюция действительно происходит в этих необычных условиях. Команда под руководством профессора Уильяма Орси из LMU в сотрудничестве с исследователями из Университета Аризоны и коллегами из LMU проанализировала бактерии рода Thalassospira, изолированные из образцов донных осадков возрастом в несколько миллионов лет.

Ключевые выводы исследования:

• В геномах поддонных бактерий Thalassospira обнаружена относительно высокая доля псевдогенов — потомков ранее функциональных генов, инактивированных множественными мутациями. Это указывает на накопление вредных мутаций.
• Уровень генетической рекомбинации у этих бактерий оказался в десять раз ниже, чем у бактерий из поверхностного мира.
• Отсутствие рекомбинации привело к закреплению новых ошибок в геномах, которые передавались при делении клеток. Физическая изоляция от поверхностного мира обернулась генетической изоляцией.
• В долгосрочной перспективе такие генетически изолированные организмы становятся идиосинкразическими подтипами своих видов, погребёнными в осадках миллионы лет назад.

Профессор Орси отмечает, что аналогичный феномен наблюдается у эндосимбиотических бактерий, живущих внутри клеток других видов. У них также отсутствует рекомбинация, что позволяет случайным мутациям накапливаться в процессе генетического дрейфа. Очищающий отбор не работает, и гены постепенно инактивируются и теряются.

Вывод: Обнаружение схожих эволюционных механизмов у свободноживущих бактерий из донных осадков позволяет предположить, что такие процессы происходят у свободноживущих бактерий гораздо чаще, чем считалось ранее.