Как возникла сложная жизнь? Ответ может быть "наизнанку"
Новая гипотеза о происхождении сложной жизни переворачивает существующие теории с ног на голову. В журнале с открытым доступом BMC Biology двоюродные братья Базз и Дэвид Баум излагают свою теорию "изнутри наружу" о том, как могли эволюционировать эукариотические клетки, из которых состоят все многоклеточные организмы, включая человека.
Учёные давно задаются вопросом, как простые "прокариотические" клетки, подобные бактериям (представляющим собой, по сути, мешочек, окружённый мембраной), превратились в более сложные эукариотические клетки, содержащие многочисленные внутренние мембранные компартменты. К ним относятся:
- Ядро, хранящее генетическую информацию в виде ДНК.
- Эндоплазматический ретикулум, перемещающий белки и липиды внутри клетки.
- Митохондрии, выполняющие роль энергетических станций клетки.
Митохондрии также содержат собственную, отличную от ядерной, ДНК, что является одним из ключевых свидетельств их происхождения от самостоятельных организмов. Проблема в том, что до сих пор не обнаружено промежуточных форм эукариотических клеток, что затрудняет понимание их эволюции.
Существующая теория и её проблемы
В настоящее время наиболее широко принята теория, согласно которой митохондрии произошли от бактерии, поглощённой археей (разновидность прокариот, похожая на бактерию, но имеющая молекулярные отличия). Мембранные системы эукариот, включая ядерную оболочку, затем сформировались внутри границ этой архейной клетки путём впячивания её наружной мембраны ("снаружи внутрь").
Однако у этой теории есть проблемы:
- Неизвестны археи, способные к впячиванию мембран.
- Маловероятно, что поглощение митохондрий произошло путём фагоцитоза, так как этот процесс требует много энергии (которую у эукариот как раз и дают митохондрии) и, вероятно, липидов митохондриального происхождения.
Теория "изнутри наружу"
Теория Баумов предлагает постепенный путь эволюции эукариотических клеток:
- Начальная стадия: У клетки-хозяина (археи или её близкого родственника) наружная мембрана образует выпячивания ("блебы").
- Захват симбионта: Эти выпячивания "захватывают" свободноживущих бактерий, похожих на митохондрии, в пространстве между собой.
- Рост и развитие: Используя энергию от близкого контакта с бактериями (и их липиды), клетка-хозяин увеличивается в размерах и расширяет свои "блебы".
- Формирование структур: Боковые стенки "блебов" сформировали эндоплазматический ретикулум, а их внутренние поверхности — внешнюю мембрану ядра. Исходная наружная мембрана археи стала внутренней ядерной мембраной.
- Завершение: Слияние "блебов" друг с другом привело к образованию плазматической мембраны. Результатом стала знакомая нам эукариотическая клетка.
Метафора от Дэвида Баума:
- Прокариотическая клетка — это фабрика в виде одного большого открытого цеха, где все работают бок о бок.
- Эукариотическая клетка — это фабричный комплекс со специализированными помещениями.
- Традиционная теория предполагает, что перегородки возвели внутри одного огромного ангара.
- Теория "изнутри наружу" представляет, что вокруг исходного "здания" (ставшего контрольной комнатой) построили ряд пристроек, куда и переместились специализированные функции.
Значение и проверка теории
Теория "изнутри наружу" радикально отличается тем, что строительство эукариотической клетки происходит за пределами границ клетки-предка. Авторы надеются, что их гипотеза стимулирует эмпирические исследования, так как о биологии прокариотических и эукариотических клеток известно ещё далеко не всё.
Комментарий Миранды Робертсон, редактора BMC Biology: "Не все будут убеждены этой теорией... Но теория не обязана быть верной, чтобы быть полезной, если она заставляет людей думать. И проверять её".
Базз Баум: "Даже если гипотеза или её части будут опровергнуты, мы уверены, что попытка её оценить приведёт к новым открытиям в клеточной биологии... Студентам, изучающим клеточную биологию, может казаться, что уже слишком поздно вносить вклад в область, где почти всё известно. Это просто не так. Как показывает модель, ещё многое предстоит открыть".