На узбережжі Австралії, де стовп води ледь сягає по коліно, ростуть кам’янисті шаруваті структури, яким понад 3 мільярди років. З вигляду — непримітні. За значенням — можливо, найважливіший об’єкт на планеті. У новому дослідженні, опублікованому в журналі Current Biology, вчені з UNSW Sydney повідомляють про відкриття, яке може нарешті пояснити, як на Землі виникли складні клітини — ті самі, з яких складаються рослини, тварини і ми з вами. Ключем стали мікроскопічні організми, виявлені в мікробних матах Ґатаагуду — місця, яке корінний народ малгана населяє понад 30 тисяч років.

Що відомо коротко

• Вчені виростили культуру архей Асґарду — мікроорганізмів, які вважаються найближчими родичами еукаріотів, тобто прапредками всіх складних клітин.
• Вперше в науці зафіксовано пряму взаємодію археї Асґарду та бактерії через нанотрубки — мікроскопічні «мости» між двома організмами.
• Досліджувані мікроби знайдені у строматолітах Бухти Акул (Shark Bay) — живих реліктах давніх екосистем Землі.
• Нового мікроба назвали Nerearchaeum marumarumayae — з мови народу малгана, що означає «давня домівка».
• Відкриття підтверджує гіпотезу про те, що злиття археї та бактерії понад 2 млрд років тому й породило перші еукаріотичні клітини.

Що таке строматоліти і чому вони важливі

Строматоліти — це шаруваті мінеральні структури, що утворюються завдяки діяльності мікробних матів. Їхні найдавніші сліди датуються понад 3,5 мільярда років тому, а значить, вони — буквальні ровесники найдавнішого відомого життя на Землі. Якщо вважати нашу планету книгою, строматоліти — це перші її сторінки.

Живі строматоліти — рідкість. Більшість із них давно зникли внаслідок змін в атмосфері та появи нових організмів, які поїдали ці мікробні мати. Але в Ґатаагуду (Бухті Акул) у Західній Австралії унікальний збіг умов — надзвичайна солоність, висока температура, мала кількість тварин-фільтраторів — дозволив їм вижити донині. Ці строматоліти є об’єктом Всесвітньої спадщини ЮНЕСКО і живою лабораторією найдавнішої Землі. Як показують інші дослідження, саме такі мікробні мати домінували на планеті ще до появи перших великих організмів 600 мільйонів років тому.

Деталі відкриття

Команда під керівництвом доцента Брендана Бернса з UNSW Sydney — одна з лише чотирьох груп у світі, яким вдалося виростити живі культури архей Асґарду в лабораторних умовах. Це надзвичайно примхливі організми: вони ростуть повільно, вимагають особливих умов і роками «капризували» в руках дослідників. Зростання культур учені порівнюють із вихованням дітей.

Але коли культура нарешті прижилася, разом з археями дослідники знайшли бактерію, яка любить сульфати. Дві абсолютно різні форми мікробного життя — поруч. Вчені почали підозрювати: а чи не є це дзеркалом того, що відбувалося на первісній Землі мільярди років тому?

Для відповіді застосували кріоелектронну томографію — технологію тривимірної зйомки на нанометровому рівні, що дозволяє бачити окремі клітинні структури без руйнування зразка. І тут сталося головне: вчені побачили, як архея і бактерія з’єднані крихітними нанотрубками. Фізичний місток між двома організмами — вперше зафіксований між представниками цих двох груп.

«Ми використали штучний інтелект, щоб змоделювати, як білки могли поводитися у світі до еукаріотів», — пояснює команда. Аналіз ДНК і молекулярне моделювання показали: організми обмінювалися поживними речовинами. Вони кооперувались.

Що показали нові спостереження

Нові дані стали першим прямим підтвердженням так званої теорії ендосимбіозу стосовно виникнення еукаріотів: версії про те, що складні клітини виникли внаслідок злиття археї та бактерії. Раніше це залишалося лише гіпотезою, підкріпленою геномними даними — але без живої картинки.

Тепер картинка є. Нанотрубки між двома мікробами — можливо, ті самі «перші дотики», з яких мільярди років тому народилося ядро клітини, мітохондрії та весь апарат складного клітинного життя. Це відкриття суголосне з тим, що хіміки відтворили умови зародження перших молекул життя — підхід «знизу вгору», від хімії до клітини, тепер отримав нове підкріплення зі сторони мікробіології.

Науковці також сповістили про відкриття нового виду мікроорганізму: Nerearchaeum marumarumayae. Видова назва — marumarumayae — походить із мови народу малгана і означає «давня домівка». Це не лише наукова знахідка, а й акт визнання: дослідники тісно співпрацювали з мовним експертом Кімберлі Окліт та старійшинами громади, щоб вплести корінне знання у формальну науку.

Чому це важливо для науки

Питання про те, як із простих прокаріотів — бактерій і архей — виникли складні еукаріоти, є одним із найглибших у всій біології. Це лише один із кількох великих еволюційних стрибків, рівноцінних за значенням появі багатоклітинності чи хребетних тварин. І цей стрибок трапився лише один раз за всю 4-мільярдну історію життя на Землі.

Розуміння механізму цього злиття — через нанотрубки, обмін поживними речовинами, поступову інтеграцію — відкриває принципово нові питання: чи може подібне злиття відбуватися знову? Чи існують аналогічні процеси на інших планетах із примітивним життям? Вчені вже знайшли сліди невідомих форм життя, що існували на Землі і зникли — і кожне таке відкриття ставить нові питання про те, скількома шляхами може розвиватися жива матерія.

Цікаві факти

• 🧬 Хоча археї Асґарду були описані генетично ще у 2015 році в глибоководних відкладеннях біля Норвегії і названі на честь скандинавського пантеону (Локіархеї, Торархеї, Одінархеї), живу культуру вдалося виростити лише кільком лабораторіям у світі. Докладніше — у статті Nature.
• 🌊 Строматоліти Бухти Акул продукують кисень через фотосинтез так само, як їхні предки 3,5 мільярда років тому. Саме цей процес поступово наповнив атмосферу Землі киснем — без нього не виникло б жодної складної форми жит тя. Факти — на сайті Shark Bay World Heritage Area.
• 🔬 Кріоелектронна томографія — метод, що використовувався у дослідженні — стала можливою завдяки Нобелівській премії з хімії 2017 року, присудженій за розробку кріоелектронної мікроскопії. Докладніше — на сайті Нобелівського комітету.
• 🌿 Перший опис теорії ендосимбіотичного походження еукаріотів належить американській біологині Лінн Маргуліс, яка запропонувала її ще у 1967 році і десятиліттями зустрічала скептицизм колег — доки генетика не підтвердила її правоту. Біографія та внесок вченої — у Britannica.

FAQ

Що таке археї Асґарду? Це особлива група одноклітинних мікроорганізмів, генетично найближча до еукаріотів — клітин, з яких складаються всі рослини, тварини, гриби і людина. Їх відкрили геномним методом у 2015 р., а живі культури вдається вирощувати дуже рідко й у специфічних умовах.

Як нанотрубки пов’язані з виникненням складних клітин? Вчені вважають, що фізична взаємодія між стародавньою археєю та бактерією — через нанотрубки і обмін поживними речовинами — поступово привела до їх злиття. З часом бактерія «оселилася» всередині археї і стала мітохондрією — органелою, яка є в кожній клітині нашого тіла.

Чи загрожує Бухті Акул щось небезпечне? Так. Змін клімату, хвильових теплових подій і людської діяльності строматоліти зазнають вже зараз. Екстремальна спека 2010–2011 рр. знищила значну частину морських водоростей і морських трав у цьому регіоні. Вчені попереджають: унікальна екосистема потребує термінового захисту.