Новое исследование ставит под сомнение догму о возникновении первых сложных клеток
Простые прокариотические клетки (бактерии и археи) доминировали на Земле около 1.5 миллиардов лет после возникновения жизни. Затем появился новый тип клеток — эукариоты, которые эволюционировали сложные внутренние структуры (органеллы) и стали предками всего последующего растительного и животного мира. Переход от прокариот к эукариотам остается центральной загадкой биологии.
Новое исследование Пола Шавамекера и Серхио Муньос-Гомеса, опубликованное в Nature Ecology & Evolution, бросает вызов популярной гипотезе, выдвинутой Ником Лейном и Биллом Мартином.
Суть доминирующей гипотезы
Согласно идее Лейна и Мартина, судьба клетки определяется ее энергоснабжением. Прокариоты малы и обходятся ограниченной энергией. Чтобы преодолеть барьер размера и сложности, потребовалось уникальное событие — эндосимбиоз. Свободноживущая прокариотическая клетка поглотила другую, которая со временем превратилась в митохондрии — клеточные "энергостанции". Считается, что это событие произошло единожды в истории жизни, сделав возможным существование всех сложных организмов.
Новый взгляд на переход
Исследователи изучили энергетические требования клеток и пришли к выводу, что граница между прокариотами и эукариотами была более размытой, чем предполагалось.
Ключевые выводы исследования:
Предел объема клетки. Количество ATP-синтаз (молекул, поставляющих энергию) растет быстрее, чем площадь клеточной мембраны. Это создает предел объема, после которого клетка не может делиться с определенной скоростью.
- Важно: Этот предел наступает при объеме около 10³ кубических микрон, что значительно больше, чем объем многих существующих эукариот. Это означает, что митохондрии, вероятно, не были абсолютно необходимы для перехода к большим объемам.
Архитектура генома. Эукариоты имеют асимметричный геном (гены в ядре), а прокариоты — симметричный (множественные копии всего генома по всей клетке).
- Исследование показало значительное перекрытие в количестве генов у прокариот и эукариот. Прокариоты могут увеличивать число генов до критического порога, после которого их симметричный геном становится ограничивающим фактором.
Альтернативный сценарий эволюции
Новая картина предполагает, что переход к LECA (Последнему Общему Предку Эукариот) был не единичным скачком, а серией постепенных, шаг за шагом, изменений на протяжении огромных промежутков времени.
- Ряд более простых прото-эукариот, возможно, изначально обходился без митохондрий.
- Митохондрии и другие черты современных эукариот стали необходимы только после достижения критического объема клетки для удовлетворения ее энергетических потребностей.
- Порядок появления ключевых инноваций (цитоскелет, эндомембранная система, ядро, митохондрии) остается неясным.
Исследование ставит под вопрос не только необходимость митохондрий для самого перехода, но и хронологию событий, ведущих к появлению полностью сформированных эукариот.