Происхождение сложной формы жизни раскрыто

Исследователи из Университета Макгилла раскрыли этапы, по которым два совершенно разных организма — бактерии и муравьи-древоточцы — стали зависеть друг от друга для выживания, превратившись в единую сложную форму жизни. Исследование, опубликованное в Nature, показывает, что два вида сотрудничали, чтобы радикально изменить развитие эмбриона муравья и позволить этой интеграции произойти. Понимание того, как возникают и эволюционируют такие грандиозные объединения, является главной загадкой для биологов.

Бактерии Blochmannia и представители гиперразнообразного триба муравьев Camponotini сформировали симбиотические отношения 51 миллион лет назад, в рамках которых каждый вид больше не может выжить без другого (биологи называют это облигатным эндосимбиозом). Считается, что муравьи изначально поглотили бактерии от сосущих сок насекомых — полужесткокрылых, с которыми они делят экологическую нишу. Бактерии, живущие внутри клеток муравья, помогают регулировать размерное распределение рабочих в колонии, усиливая способность муравьев синтезировать питательные вещества. Муравьи, в свою очередь, обеспечивают бактериям защищенную клеточную среду и гарантируют их выживание из поколения в поколение.

Радикально реорганизованное развитие эмбриона

Исследователи начали пристально изучать гены, регулирующие зародышевую линию (материал, содержащий генетическую информацию, передаваемую из поколения в поколение), после того как заметили, что бактерии полностью окружают эту линию.

В отличие от всех других насекомых, у которых гены зародышевой линии локализованы только в одном месте яйца, у этих муравьев они находятся в четырех. Также было обнаружено, что hox-гены, которые задают план строения тела и обычно включаются поздно в развитии эмбриона, появляются очень рано и локализуются в тех же четырех местах, что и гены зародышевой линии.

Локализация этих генов в четырех разных областях создает в эмбрионе муравья систему координат, где каждая выполняет свою функцию для интеграции бактерий.

Раскрытие шагов к крупному эволюционному переходу

Работа с более чем 30 близкородственными видами муравьев позволила исследователям реконструировать этапы этого объединения. Они обнаружили, что слияние произошло в несколько шагов: от эмбрионов с генами зародышевой линии только в одном месте до эмбрионов, где и гены зародышевой линии, и hox-гены можно было найти во всех четырех. Однако главным сюрпризом стало то, что эмбрионы с двумя локализациями этих генов эволюционировали до слияния двух видов. Это означает, что существовала предварительная способность эволюционировать новые локализации внутри эмбрионов муравьев, которой бактерии затем смогли воспользоваться, чтобы радикально изменить развитие эмбриона и интегрировать два вида.

Исследователи предполагают, что выявленные ими шаги, по которым бактерии и муравьи объединились в облигатный эндосимбиоз, помогут понять и другие крупные объединения, породившие сложные формы жизни, например, когда одноклеточные организмы объединились в многоклеточные.