Простейшие эволюционировали благодаря митохондриям

На клеточном уровне люди имеют гораздо больше общего с грибами и магнолиями, чем с бактериями (прокариотами). Отличие в том, что сложные клетки у растений, животных и грибов имеют специализированные структуры: информационный центр (ядро) и энергетические станции (митохондрии) и др. Такие клетки называются эукариоты, и они единственные смогли активно эволюционировать на протяжении последние четырех миллиардов лет. Благодаря ядру и другим специализированным структурам, эукариоты могут адаптироваться к меняющимся условиям без внесения изменений в генотип, что резко повышает шансы выжить. В конечном счете эукариоты сформировались в многоклеточные организмы, где они демонстрируют свои уникальные свойства, дифференцируясь на различные виды тканей, но при этом сохраняя один и тот же генотип.

Митохондрии млекопитающего в разрезе

Ученые знают, что первый эукариот на планете был намного сложнее, чем любые известные бактерии. Он имел в тысячи раз больше генов и белков, чем любой прокариот, несмотря на то что бактерии тоже имеют генетический код. Но что позволило эукариоту накапливать все эти дополнительные гены и белки? И почему бактерии не повторили этот эволюционный путь?

Ник Лейн и Уильям Мартин сосредоточили внимание на энергетических ресурсах, доступных генам. Оказалось, что среднестатистическая эукариотическая клетка может поддерживать в 200 тыс. раз больше генов, чем обычная бактерия. Это дает эукариотам возможность поддерживать работу большого количества генетического сырья и накапливать новые гены, создавая сложные семейства генов и регуляторные системы в масштабах, недоступных для бактерий. Таким образом эукариоты имеют энергоресурсы для создания сложных систем, хотя, конечно, эти возможности не всегда используются.

"Основные принципы являются универсальными. Энергия имеет жизненно важное значение, даже в области эволюции, - говорит Ник Лейн. - Это переворачивает традиционную точку зрения, которая гласит, что переход к сложным эукариотическим клеткам требует просто "правильных" мутаций. На самом деле требуется своеобразная "промышленная революция" - увеличение производства энергии".

"Бактерии живут на гране энергетических возможностей, и они не смогли найти выход из этой ситуации, - объясняет доктор Уильям Мартин. - Митохондрии позволили генам эукариотов иметь на четыре или пять порядков больше энергоресурсов, что дало им возможность эволюционировать".

Авторы задали закономерный вопрос: почему бактерии не могут нарастить свои энергоресурсы и получить те же преимущества избытка энергии? На самом деле они пытаются это сделать, но безуспешно. Дело в том, что в геноме митохондрий присутствуют гены, необходимые для клеточного дыхания, без которых эукариотические клетки умирают. Чем больше клетка и чем больше в ней генов, тем больше нужно копий митохондриальных генов, чтобы она работала и оставалась в живых.

Бактерии испытывают точно такие же проблемы. Они могут иметь тысячи генов, как, например, гигантская бактерия Epulopiscium - 600 тыс. Но огромная ДНК требует больших энергоресурсов, в результате энергодефицит выводит из строя даже гигантские бактерии и не дает им превратиться в более сложные организмы. Единственный выход тут - эндосимбиоз, при котором одна клетка живет внутри другой. "Внутренние" клетки при эндосимбиозе начинают экономить ресурсы, полагаясь на клетку-хозяина во всем, чем только можно. В процессе эволюции такого симбиоза часть генов "внутренней" клетки теряется, остаются лишь самые необходимые.

Секрет сложности в том, что в плане энергии такие клетки потребляют всего ничего. Таким образом энергии на тысячи копий генома нормальной бактерии затрачивается немерено по сравнению с копированием горстки митохондриальных генов.

Для эукаритов эндосимбиоз - обычное дело, они часто поглощают другие клетки, в то время как для бактерий такое явление - исключительная редкость.