Энергетическая революция — ключ к сложной жизни
Эволюция сложных форм жизни строго зависит от митохондрий — крошечных энергостанций, присутствующих во всех сложных клетках. К такому выводу пришли доктор Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона (UCL) и доктор Уильям Мартин из Дюссельдорфского университета.
«Основополагающие принципы универсальны. Энергия жизненно важна, даже в сфере эволюционных изобретений», — заявил доктор Лейн. — «Даже инопланетянам понадобятся митохондрии».
В течение 70 лет учёные полагали, что ключом к сложной жизни была эволюция ядра. Однако новое исследование, опубликованное в Nature, показывает, что фундаментальную роль в развитии таких сложных инноваций, как ядро, сыграли именно митохондрии благодаря своей функции клеточных энергостанций.
«Это опровергает традиционный взгляд, согласно которому переход к сложным "эукариотическим" клеткам требовал лишь правильных мутаций. На самом деле потребовалась настоящая промышленная революция в сфере производства энергии», — пояснил доктор Лейн.
На клеточном уровне у людей гораздо больше общего с грибами, магнолиями и бархатцами, чем с бактериями. Причина в том, что сложные клетки растений, животных и грибов имеют специализированные компартменты, включая информационный центр (ядро) и энергостанции — митохондрии. Эти клетки называются «эукариотическими», и все они произошли от одного общего предка, возникшего лишь однажды за четыре миллиарда лет эволюции.
Первый эукариот был гораздо сложнее любой известной бактерии, обладая тысячами дополнительных генов и белков. Авторы исследования, сосредоточившись на анализе доступной энергии на один ген, показали, что средняя эукариотическая клетка может поддерживать в 200 000 раз больше генов, чем бактерия.
«Это даёт эукариотам генетический "сырой материал", позволяющий накапливать новые гены, большие семейства генов и регуляторные системы в масштабах, абсолютно недоступных бактериям», — отметил доктор Лейн.
«Бактерии находятся на дне глубокой пропасти в энергетическом ландшафте, и они так и не нашли из неё выхода», — объяснил доктор Мартин. — «Митохондрии дают эукариотам на четыре-пять порядков больше энергии на ген, что позволило им пробить стену этой пропасти».
Ответ на вопрос, почему бактерии не могут просто развить компартменты, чтобы получить преимущества митохондрий, кроется в крошечном митохондриальном геноме. Эти гены необходимы для клеточного дыхания. Бактерии могут решать проблему увеличения потребности в копиях этих генов, создавая тысячи копий всего своего генома (до 600 000 копий у гигантских бактерий, таких как Epulopiscium). Однако вся эта ДНК имеет огромную энергетическую стоимость, которая сковывает даже гигантские бактерии.
«Единственный выход, — сказал доктор Лейн, — это если одна клетка каким-то образом окажется внутри другой — эндосимбиоз».
Ключ к сложности заключается в том, что оставшиеся после редукции несколько генов митохондрий почти ничего не "весят". Энергетическая стоимость поддержания тысяч копий крошечного митохондриального генома оказывается приемлемой, в отличие от стоимости копирования полного бактериального генома. Эта разница определяет количество ДНК, которое может быть поддержано в ядре в качестве сырья для новой эволюции.
«Если эволюция работает как мастер-любитель, то эволюция с митохондриями работает как инженерный корпус», — сказал доктор Мартин.
Проблема в том, что, хотя клетки внутри клеток обычны для эукариот, они чрезвычайно редки у более жёстких бактерий. Это, по мнению Лейна и Мартина, может объяснять, почему сложная жизнь — эукариоты — возникла на Земле лишь один раз за всю её историю.