Учёные воспроизвели эволюционный «танец»: как зарождалась сложная жизнь

Эндосимбиоз — это процесс, при котором один организм поселяется внутри другого, формируя тесное сотрудничество, которое может длиться миллионы лет. Он стал основой эволюции сложных клеточных структур, таких как митохондрии и хлоропласты. Исследователи из Швейцарии впервые смогли воспроизвести этот процесс в лабораторных условиях. Используя уникальные технологии и инновационные подходы, учёные наблюдали, как микробы адаптируются друг к другу, открывая дверь к новому пониманию эволюции.

Оригинальная версия этой истории опубликована в журнале Quanta Magazine.

Эндосимбиоз — основа сложности

Природа сложной жизни буквально пронизана примерами эндосимбиоза. Ваши митохондрии, обеспечивающие клетки энергией, когда-то были свободноживущими бактериями. Хлоропласты, позволяющие растениям улавливать энергию солнца, тоже были отдельными организмами. Без таких симбиотических союзов сложная жизнь, возможно, никогда бы не возникла.

Но как именно один организм становится частью другого? Как клетка перестаёт воспринимать «гостя» как угрозу и начинает с ним сотрудничать? Эти вопросы долгое время оставались без ответа, ведь наблюдать за процессом в естественной среде практически невозможно.

«Мы знаем, что организмы становятся зависимыми друг от друга, — отмечает Василис Коккорис, миколог из Амстердамского университета. — Но до сих пор никто не видел, как этот процесс начинается».

Эксперимент с грибами и бактериями

Юлия Форхольт и её команда из Швейцарского федерального технологического института решили воспроизвести эндосимбиоз, используя гриб Rhizopus microsporus и бактерию Mycetohabitans rhizoxinica. Эта пара уже давно известна учёным: бактерии помогают грибам выделять токсины, которые убивают рисовые растения, что позволяет обоим организмам питаться разлагающимися клетками.

Однако существовали штаммы гриба, которые не имели бактерий. Именно их использовала команда, чтобы искусственно внедрить эндосимбионта. Прежде чем приступить к эксперименту, учёные столкнулись с неожиданной проблемой: 

«Как физически поместить бактерию внутрь клетки гриба с её жёсткой клеточной стенкой?» — вспоминает Габриэль Гигер, один из авторов исследования.

Решение оказалось гениально простым. После того как клеточную стенку размягчили специальными ферментами, Гигер использовал микроскоп с технологией FluidFM, оснащённый микроскопической иглой. Но из-за высокого внутриклеточного давления цитоплазма гриба выталкивалась наружу.

 «[Цитоплазма] просто брызгала в лицо», — смеётся он. Тогда исследователь подключил к системе… велосипедный насос, чтобы увеличить давление и «втолкнуть» бактерию внутрь клетки.

Успех и первые результаты

После десятков попыток бактерии наконец удалось внедриться внутрь гриба. Первый успех не гарантировал продолжения: важно было, чтобы оба организма адаптировались друг к другу. Исследователи заметили, что M. rhizoxinica начала размножаться внутри клетки, но при этом не вызывала иммунной реакции гриба.

«Увидеть, как бактерии выживают и растут внутри, было невероятно волнительно», — делится Гигер.

Далее учёные наблюдали поразительное явление: бактерии не только выживали, но и проникли в споры гриба, передаваясь следующему поколению. За 10 поколений эндосимбиоз усиливался, а оба организма становились всё более зависимыми друг от друга.

«Они начинают изменяться, чтобы подстроиться друг под друга, — объясняет Гигер. — Это видно даже на уровне генома».

Уроки эволюции

Эксперимент показал, что успешный эндосимбиоз требует тонкого баланса. Если бактерия размножается слишком быстро, она истощает ресурсы клетки-хозяина, вызывая иммунный ответ. Если медленно — её не принимают. «Они буквально становятся зависимыми друг от друга», — отмечает Юлия Форхольт.

Важно, что изменения происходят не только в бактерии, но и в её хозяине. 

«Это фундаментально важный вопрос, который раньше упускали, — добавляет Томас Ричардс, эволюционный биолог из Оксфорда. — Хозяин тоже меняется, и это видно даже на ранних стадиях симбиоза».

Перспективы синтетической биологии

Открытие швейцарской команды открывает путь к новым возможностям в синтетической биологии. Учёные могут использовать этот принцип для создания организмов с уникальными свойствами. Например, растения, которые очищают почву от загрязнений, или бактерии, производящие лекарства.

«Мы можем внедрить бактерии в организмы и заставить их эволюционировать вместе», — отмечает Лайла Партида Мартинес, исследователь эндосимбиоза из Мексики.

Возможно ли, что в будущем мы сами станем симбиотическими существами? Например, обзаведёмся хлоропластами, чтобы питаться солнечным светом? 

Гигер настроен скептически: «Даже если это произойдёт, энергия от фотосинтеза вряд ли обеспечит наши потребности. Скорее, у нас будет „зелёная кожа“, а жить без пиццы мы всё равно не сможем».

Исследование проливает свет на процессы, которые лежат в основе зарождения сложной жизни, и открывает возможности для дальнейшего изучения симбиотических отношений. Эти знания помогут лучше понять эволюцию и, возможно, найти новые подходы к решению современных научных задач.