Единая реальность бактерий и богов

( Январь 2020, idb )

О том, как очень медленно, но все более отчетливо проясняется в высшей степени загадочная история нашего появления на этой планете…

Случилось так, что сразу для нескольких заметных событий науки, происходивших в январе 2020 года, содержательные комментарии на сайтах kiwi-архива и kniganews.org появлялись существенно заранее. Для одних событий – за несколько месяцев, а для других и несколько лет тому назад.

Так, в частности, ровно шестью годами ранее, в январе 2014, был опубликован большой аналитический текст «Биологическая совместимость» , с подробностями рассказывающий о том, как на стыке биологии, информатики и квантовой физики в последние годы отмечается череда взаимосвязанных, знаменательных и многообещающих достижений. Причем достижения эти явно сулят большие перемены в основах науки.

А ныне, в январе 2020, стало известно, что в Британии лучшей научно-популярной книгой 2019 года признана работа известного американского физика, космолога и писателя Пола Дэвиса под названием «Демон в машине. Как скрытые сети информации решают загадку жизни» («The Demon in the Machine: How Hidden Webs of Information are Solving the Mystery of Life», by Paul Davies. 2019).

Всем известно, наверное, что несмотря на многие десятилетия прогресса в биологической науке, среди ученых до сих пор нет ни понимания того, как жизнь произошла, ни согласия в том, что отличает живую материю от неживой. Для физиков же живая материя долгое время вообще выглядела как некое загадочное волшебство, нарушающее фундаментальные законы природы. Сейчас, однако, взгляды сильно меняются, и, как показывает Дэвис в своей книге, ответы на наиболее сложные для биологов и физиков загадки обнаруживаются в области теории информации.

Сам автор, ныне профессор Аризонского университета, говорит о сути своей работы примерно так:

«Как профессиональный физик, я несколько нервничал, затрагивая проблемы биологии, особенно в столь фундаментальном вопросе, как природа живой материи. Но, к моему облегчению, книга получила совершенно великолепные отзывы. Она вся выстроена на основе моих бесед со специалистами, непосредственно занимающимися исследованиями, поэтому заслуги успеха книги должны принадлежать им, моим блестящим коллегам.

[…] Информация пронизывает биологию. Но для того, чтобы полностью объяснить жизнь, требуются ли нам новые законы физики, объединяющие информацию и материю на всех уровнях сложности природы? Шредингер (один из отцов квантовой механики, первым задавшийся вопросом «Что такое жизнь с точки зрения физики») был готов к этому. И после многих лет исследований, я пришел к тому, чтобы с ним согласиться.

Биология требует физические законы совершенно нового типа – выстроенные на основе теории информации…»

Относительно того, как именно будут выглядеть эти новые «законы природы», книга Дэвиса не рассказывает ничего. Потому что никакого согласия среди ученых на данный счет пока ещё нет, ясное дело. Ибо перестройка фундамента – дело серьезное, и далеко не все ещё готовы эту необходимость принять.

Одной же из главных, возможно, неожиданностей для физиков может оказаться вот какая интересная штука. Открываемые прямо сейчас в биологии вещи – о загадках начала жизни на Земле – способны поведать физикам массу содержательной информации и о том, как зарождались во вселенной атомы первичной материи. Которую пока что принято считать «неживой», однако времена и взгляды в науке меняются, как известно…

Два месяца тому назад, в ноябре 2019, здесь был опубликован текст «Первый универсальный ключ» , рассказывающий именно об этом. Про фундаментально общие подходы физики и биологии к решению наиболее сложных проблем в недрах своих столь разных, казалось бы, территорий. Ну а ныне, в январе 2020, на сайте общеизвестного и весьма авторитетного научного журнала Nature опубликованы свежие материалы примерно  в том же интересном русле.

То есть именно о тех самых новейших открытиях в микробиологии, на которых выстроен «Первый универсальный ключ». Но только в Nature пока без мостов к фундаментальным основам физики, естественно. Ибо исследования и открытия сделаны здесь учеными сугубо биологами.

Подробностям о том, сколь важны такого рода достижения биологии для новых взглядов на основы науки физики, будут посвящены отдельные аналитические материалы сайта kniganews в ближайшем будущем (о прочих «универсальных ключах»).

Ну а здесь – рассказ о свежей публикации веб-сайта Nature. О том, иными словами, как медленно, но все более отчетливо проясняется в высшей степени загадочная картина нашего появления на этой планете…

# #

Авторами-участниками этой работы, уже успевшей получить среди профессионалов вполне заслуженный титул «монументальный труд», являются свыше двадцати ученых-биологов из десятка научных институтов Японии. На протяжении всех двенадцати лет, пока шел этот масштабный проект, команду ученых возглавлял один и тот же лидер Хироюки Имачи, а статья в Nature, подводящая итог их большой работы, получила название «Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote interface» .

Если перевести это название дословно и без затей, «Изоляция археи из интерфейса прокариот-эвкариот», то для людей, по жизни далеких от науки биологии, подобный набор слов будет звучать, скорее всего, равно непонятно что по-русски, что на иностранном языке. Но вот если понимать – хотя бы в общих чертах – контекст происходящего и каждое из слов названия по отдельности, то тогда содержание и значимость работы японских исследователей действительно начинают выглядеть не просто впечатляюще, но и воистину «монументально».

Самый же простой и короткий, наверное, путь к популярному объяснению важности данной работы – это сразу погрузить читателей в контекст через краткое разъяснение используемых специалистами терминов.

Прокариоты – Эвкариоты (и их гранд-загадка: как первые породили вторых)

Хотя о клеточном устройстве всех биологических организмов исследователям природы стало известно много веков назад – фактически, вместе с изобретением микроскопа в XVII столетии – о важности ядра внутри клетки биологи начали догадываться значительно позже, примерно в середине 1920-х годов. Именно тогда в биологии и появились собственно термины «прокариоты и эвкариоты» – дабы разделить все известные клетки на два существенно разных класса.

Прокариотами или «до-ядерными» клетками стали называть бактерии – ту более простую часть одноклеточных организмов, которые не имеют в себе полноценного ядра. Ну а эвкариотами, соответственно, именуют клетки «с настоящим ядром», характерным не только для более сложных одноклеточных организмов, но и для всех последующих форм развитой многоклеточной жизни – от грибов и растений до животных и человека.

(В русском языке немало составных слов греческого происхождения с тем же самым префиксом «эв-»: эвкалипт, эвтаназия, эвфемизм и тому подобное. Но только слово эвкариоты кому-то из патриархов отечественной биологии вдруг вздумалось «отменить как устаревшее», так что теперь всем настоящим ученым положено произносить то же самое по-современному – «эукариоты». Спасибо, что хоть не «юкэриоты», как выражаются во многих других странах…)

Уместно также отметить, что принципиальные различия между прокариотами и эвкариотами биологи начали понимать далеко не сразу вместе с появлением собственно терминов. Лишь сорок с лишним лет спустя, к концу 1960-х годов, благодаря развитию молекулярной биологии и постижению ключевой роли ДНК, стала проясняться важнейшая роль ядра в работе механизмов наследственности и эволюции биологических форм. Но при этом самый главный шаг всей этой эволюции – от бактерий-прокариот к клеткам-эвкариотам – вплоть до сегодняшнего дня остается для биологии большой и труднейшей загадкой.

Все известные науке факты свидетельствуют о том, что существенно более простые по устройству прокариоты появились на Земле намного раньше эвкариот, примерно 4 миллиарда лет тому назад. На протяжении следующих 2 миллиардов лет жизнь планеты была исключительно одноклеточной бактериальной, после чего примерно одновременно произошли сразу два фундаментально важных для биологии события. (1) «Великая кислородная революция», радикально изменившая состав атмосферы Земли и заставившая биоорганизмы массово перейти на иное – аэробное или «с кислородом» – дыхание; и (2) Появление сложных клеток-эвкариот с ядром, защищающим ДНК, с иным устройством мембраны, с митохондриями и другими внутренними органеллами, имеющими собственную продвинутую функциональность, а также с прочими существенными отличиями в биохимии и генетике клеток, совокупно обеспечившими намного большее разнообразие эволюционных путей.

У ученых накоплены веские основания полагать, что между событиями (1) и (2) имеется самая непосредственная связь. Но поскольку механизм перехода от прокариот к эвкариотам остается во многом крайне загадочным, нет полной уверенности и в том, что одновременность (1) и (2) – это далеко не случайное совпадение.

Просто Археи и «семейство богов» Асгарда (или археи из интерфейса)

Хотя на сегодняшний день в биологии все еще нет хорошей, убедительной для всех модели, объясняющей механизмы превращения бактерий из царства прокариот в несравнимо более сложные клетки из царства эвкариот, это вовсе не означает, что у ученых нет сильных фактов и солидно обоснованных идей относительно того, как это могло бы происходить в природе естественным образом. Проблема в том, что фактов и идей слишком много, а сложить из них цельную, непротиворечивую и надежно доказуемую картину пока не удалось никому.

Среди океана «сильных фактов и мощных идей» особого выделения заслуживают две вещи. (1) Факт обнаружения целого царства одноклеточных организмов-архей, о которых наука биология долгое время оставалась просто в неведении; и (2) Идея симбиогенеза, то есть совместного формирования нового, более сложного организма на основе симбиоза нескольких простых.

Про идею симбиотического генезиса удобнее рассказать ближе к концу этой истории, ну а здесь – рассказ про «фактор архей» и про их роль в качестве «интерфейса» между прокариотами и эвкариотами.

Отдельное – третье – царство одноклеточных организмов, получивших название археи, было открыто в 1970-годы благодаря, по сути дела, исключительной настойчивости и пионерским работам единственного человека – микробиолога Карла Вёзе. С одной стороны, по своим базовым свойствам археи не имеют ядра и определенно являются прокариотами. С другой стороны, однако, археи имеют и целый ряд таких важных особенностей, которые отличают их от бактерий и одновременно свойственны клеткам-эвкариотам.

Среди биологов известны весьма разные взгляды на роль и место архей в эволюции жизни на планете (их первооткрыватель Вёзе, к примеру, видел именно в археях самые древние клетки, породившие всех прочих). Но особо волнующее и наиболее значительное, возможно, открытие относительно роли этих микроорганизмов произошло совсем недавно, в 2015 году – вместе с публикацией статьи про «Сложную архею, соединяющую мостом разрыв между прокариотами и эвкариотами» (Spang, A. et al. «Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes». Nature 521, 173–179 , 2015).

Статья была посвящена анализу генома по всему существенно новой для биологов клетки, получившей название Локи-архея и в своих генах демонстрирующей прежде невиданное, совершенно отчетливое родство с генетикой клеток-эвкариот. Те есть, по сути результатов ДНК-анализа, это можно было бы считать важным открытием «недостающего звена эволюции» и такого микроорганизма, который реально перекидывает мост от прокариот к эвкариотам. Однако было тут одно очень важное НО.

ДНК-код Локи-археи был установлен методами так называемой метагеномики. Конкретно в данном случае суть этого метода заключалась в том, что ученые провели массовый забор микробиологических образцов, зачерпнув осадочные материалы с глубокого морского дна около «Замка Локи», подводного гидротермального источника у берегов Гренландии. Генетические фрагменты из этой смеси разных микробов подвергли секвенсированию, а затем собрали проанализированные фрагменты в более полные геномы отдельных организмов.

Уже из этого общего описания понятно, наверное, что метагеномика является не только мощным методом анализа для выявления новых организмов, но и таит в себе немалые риски ошибок (о тех же проблемах с критичными ошибками ДНК-анализа в криминалистике см. текст «Мусор науки» ). Поэтому вполне естественно, что когда биологи обнаружили среди микробов Замка Локи неизвестную прежде архею с уникальными свойствами «моста и недостающего звена эволюции», то нашлось немало и скептиков, выразивших сомнение в чистоте эксперимента. Ибо никакой собственно Локи-археи в виде реальной микроорганической культуры у ученых пока не имелось. Только фрагменты ДНК-кода.

Вскоре, однако, в разных лабораториях мира аналогичными методами анализа стали выявлять другие Локи-подобные археи, по именам прочих богов в мифологии викингов получавшие названия Тор-архея, Один-архея, Хеймдалль-архея. В целом же это семейство родственников из «интерфейса прокариоты-эвкариоты» стало известно под общим именем Асгард-археи, по названию легендарного места обитания скандинавских богов.

ДНК-свидетельства о выявлении Асгард-архей были получены биологами со дна морей и океанов в разных и чрезвычайно далеко разнесенных друг от друга местах планеты. С одной стороны, это указывало на то, что открыто нечто действительно очень важное для восстановления далекого прошлого из эволюции жизни на планете. Со стороны другой, однако, из-за весьма серьезных особенностей Локи-подобных архей, живущих в экстремальных глубоководных условиях без кислорода, у биологов в течение нескольких последующих лет так и не было никаких реальных микроорганизмов для физиологических наблюдений и всестороннего анализа семейства «богов Асгарда».

Точнее говоря, так всем казалось. Пока в январе 2020 не появилась, наконец, важная работа японских ученых, обозначившая принципиально новый этап на пути к разгадке Великой Тайны…

Изоляция археи из интерфейса (история кандидата на роль Прометея)

Аккуратности ради обязательно надо подчеркнуть, что нынешняя публикация в Nature отнюдь не стала для специалистов неожиданным сюрпризом. Эта же самая самая статья, фактически полностью готовая к печати, была выложена авторами в открытый всеобщий доступ значительно раньше, еще в августе 2019 на сайте биологических препринтов bioRxiv.

Тогда же – то есть по сути дела сразу – работа эта получила среди коллег нечастый и весьма почетный титул «монументальной». Ну а теперь, после прохождения всех необходимых этапов научного рецензирования и вместе с официальной публикацией на сайте авторитетного журнала, большое достижение японских биологов уже полностью, можно сказать, вписано и закреплено в анналах научной истории.

Так каковы же, вкратце, содержание и значимость этого достижения? Среди особо примечательных особенностей работы следует выделить такие.

Выделение и целенаправленное выращивание клеток из Асгард-семейства ученые начали задолго до того, как в научном сообществе была открыта первая Локи-архея и понята важность этого открытия. Еще в середине 2000-х годов Хироюки Имачи и его коллеги запустили работы по обогащению культур микроорганизмов, обнаруженных в глубоководных осадочных отложениях. Изначально их целью было отыскание таких организмов, которые способны разлагать метан, и микробы такие биологи искали на морском дне, на глубине около 2,5 километров неподалеку от берегов Японии.

Специфика затеянной работы требовала от ученых воистину огромного терпения. Поскольку процесс деления и роста этих анаэробных микроорганизмов происходит без участия кислорода, то кропотливое выращивание культуры происходит чрезвычайно медленно. Если удвоение количества обычных бактерий в подходящих условиях может происходить за полчаса, этим археям для того, чтобы удвоиться и разделиться могут требоваться недели, а то месяц. Команда Имачи сконструировала специальный биореактор, который имитировал для клеток естественные условия жизни – температуру около 10 градусов Цельсия, насыщение воды метаном, низкокислородные и прочие характерные особенности их глубоководного обитания.

Через пять лет после начала работы биореактора было выращено весьма богатое и разнообразное сообщество активных бактерий и архей – включая и особо интересную Локиархеоту, как это станут называть впоследствии. Для исследований японских ученых в то время названия такого еще не существовало, понятное дело, поэтому все выделяемые в опытах штаммы микроорганизмов именовались куда более прозаическими техническими индексами из букв и цифр.

И вот, когда в течение следующих 7 лет биологи тщательно и кропотливо изучали выращенное ими «сообщество», разделив его на комплекс уже отдельных небольших субкультур для постепенного обогащения в наиболее питательных для микробов условиях, особое внимание ученых привлек штамм MK-D1. Благодаря целому множеству своих примечательных свойств этот микроорганизм получил в итоге и весьма особенное название, ‘Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum’.

Фактически, это оказалась одна из разновидностей знаменитых ныне архей Асгард-семейства, по своему богатому набору генов отчетливо родственных клеткам-эвкариотам. Но при этом, поскольку теперь у исследователей был уже далеко не просто ДНК-код, а стабильная культура, выделенная и выращенная в своих естественных условиях обитания, японским микробиологам удалось установить множество новых, очень важных особенностей этих архей.

Таких особенностей, которые по ДНК никто предположить просто не мог. Но именно эти особенности, выявленные при непосредственном наблюдении-анализе физиологии  микроорганизма, и предоставили исследователям основания присвоить своему открытию весьма многозначительное (но на всякий случай и осторожное) имя, в вольном переводе на русский звучащее примерно так: «Синтрофическая архея – кандидат на Прометея».

Титан Прометей, как свидетельствует древнегреческая мифологии, был именно тем из богов, кто вылепил первых людей из земли и воды. То есть был, в некотором смысле, исходным прародителем и началом человечества. И примерно в том же смысле выявленную ныне архею можно считать прародителем (точнее, близкой родственницей тех безъядерных клеток), от кого на дне морском пошли когда-то все микроорганизмы эвкариоты. В конечном счете породившие и организм человека.

Более того, другая важная часть в имени археи – «синтрофическая» – указывает сразу и на то, как именно мог происходить этот таинственный переход от бактерий к намного более сложному организму клеток-эвкариот. Термин биологов «синтрофия» составлен из слов «общая еда» и означает специфический способ существования для комплекса из нескольких разных организмов. Когда продукты жизнедеятельности одних являются едой для других, а в целом подобное сообщество может стабильно жить в таких условиях, где каждый из членов по отдельности выжить был бы не способен.

Открытая ныне Прометей-архея, в частности, живет, как показывают наблюдения, в постоянном синтрофическом союзе еще с двумя разными микроорганизмами, имея с ними постоянный метаболический процесс обмена веществами. Ну а конкретные детали того, как именно устроена архея и как происходит этот процесс успешного совместного выживания в экстремальных условиях, предоставили ученым базовые идеи для важного продвижения в теоретических основах. А именно, авторами статьи сформулирована и выстроена собственная гипотетическая модель для механизма Великого Перехода от прокариот к эвкариотам через специфические клетки типа их Прометей-археи.

Об основных чертах этой интересной модели следует рассказать чуть подробнее.

Модель E3: Entangle – Engulf – Endogenize

Для более объемного восприятия данной гипотезы необходимо подчеркнуть, в первую очередь, что непосредственные наблюдения за реальной физиологией их археи заставили ученых отвергнуть одну из популярных прежде идей. О том, что код ДНК Асгард-семейства указывает, вероятно, на присутствие внутри таких клеток определенных органелл, свойственных эвкариотам. Изучение реальной Прометей-археи показало, что у этих организмов не обнаруживается никаких структур, похожих на органеллы.

Это же изучение, однако, показало иные существенные вещи. Клетки Прометей-археи представляют в своей основе крошечные шарики диаметром от 300 до 750 нанометров. Но шарики не простые, что важно, а выпускающие из себя несколько отростков, зачастую не только длиннее тела по размеру, но и сильно разветвляющихся. На основе этих морфологических особенностей, а также специфики коллективного метаболизма археи, питающейся совместно с двумя клетками разных видов, авторы статьи и выстроили свою гипотетическую картину для того, каким образом мог произойти поразительный и загадочный скачок в эволюции клеток. Такой скачок, конкретнее, в результате которого клетка одного вида оказалась поглощенной и постоянно живущей внутри клетки совершенно другого вида. Причем такого вида, который по своей природе просто в принципе не способен поглощать хоть что-либо – кроме впитывания через мембрану веществ, растворенных в воде…

На фото – микроснимки археи, порождающей удлинения мембраны в виде отростков с их последующим разветвлением. На рисунке – суть модели Е3 с картиной постепенного симбиотического встраивания аэробной бактерии в кокон отростков.

Гипотетическая модель эвкариогенезиса получила название «Entangle – Engulf – Endogenize» (или покороче E3), что в более понятном и развернутом виде можно перевести как примерно такую последовательность этапов эволюции. (1) «Сцепленность (формирование обволакивающего кокона из отростков)» – (2) Охватывание (постоянное удержание синтрофического партнера в коконе) – (3) Эндогенез (симбиотическое слияние партнеров в единый организм путем поглощения одного внутри другого)».

Среди множества достоинств предлагаемой модели следует отметить не только её сильную поддержку со стороны наблюдений и экспериментов самих авторов, но также хорошую их согласованность с уже выдвинутыми ранее предположениями и результатами других исследователей. С такими уже известными идеями, в частности, как особая роль отростков и процесса охватывания в эволюции эвкариот. Плюс идеи о важности посреднических процессов клеточной мембраны в истории происхождения и перемоделирования эвкариот.

Учитывая все перечисленные преимущества и плюсы новой модели, вполне понятно, что в комментариях специалистов ей сулят очень хорошие перспективы и большую поддержку-развитие со стороны биологов в других институтах и лабораториях мира. О чем же в комментариях специалистов пока что нет ничего совершенно, так это о важности японской модели E3 для прогресса в фундаментальных основах физики.

Иначе говоря, сразу несколько ключевых аспектов данной картины – процессы сцепливания, активное применение ветвящихся отростков для обволакивания-поглощения партнера, посредническая роль мембран для симбиотического объединения нескольких простых элементов в один более сложный – все это фрагменты очень похожей модели, давно и успешно выявляемой по частям в основах физики. Увидеть в этих фрагментах единую конструкцию-прообраз, впрочем, никто из физиков пока не сумел. Хотя и здесь прогресс имеется.

Но об этом, конечно же, нужен отдельный развернутый рассказ…

[The End]

# # #

Дополнительное чтение:

Биологическая совместимость : про череду знаменательных достижений на стыке биологии, информатики и квантовой физики
Первый универсальный ключ : про феномен симбиогенеза в основах физики и биологии
Мусор науки : о дефектах и ошибках в базовых методах криминалистики вообще, и о проблемах ДНК-анализов в частности

# #

Основные источники:

«’The Demon in the Machine’ is named physics book of the year in UK,» by Skip Derra. Arizona State University Press-release, December 2019

H. Imachi et al. «Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote interface». Nature (2020). Published online 15 January 2020. Open access

«The life of archaea. Cultivation of Asgard archaea brings us closer to understanding how complex life evolved», Editorial. Nature 577, 294 (2020). 15 January 2020

«Meet the relatives of our cellular ancestor», by Christa Schleper & Filipa L. Sousa. Nature: News and Views 15 January 2020