Как давление превратило микроба в многоклеточного монстра

В глубинах соленых озер, где вода настолько насыщена минералами, что кажется враждебной для жизни, скрываются организмы, бросающие вызов нашим представлениям о биологии. Одна из них — архея Haloferax volcanii — недавно удивила ученых своей способностью превращаться из одиночной клетки в сложную ткань. Это открытие переворачивает представления о том, как и почему возникла многоклеточность — ключевой этап эволюции, который привел к появлению растений, животных и человека.

Археи — загадочные обитатели экстремальных миров

Haloferax volcanii принадлежит к домену архей — микроорганизмов, которые долгое время считались «младшими братьями» бактерий. Однако археи генетически ближе к эукариотам, включая нас самих. Их рибосомы и механизмы репликации ДНК устроены сложнее, чем у бактерий, что делает их ключевым звеном в понимании ранней эволюции жизни. Они населяют места, где другие формы жизни невозможны: гидротермальные источники, кислотные водоемы и соленые озера вроде Мертвого моря.



Интересный факт:
Археи — чемпионы по выживанию. Некоторые виды, например Pyrococcus furiosus, процветают при температуре выше 100 °C, а Halobacterium salinarum выдерживает уровень соли, в десять раз превышающий океанский. Но даже эти рекордсмены меркнут перед Thermococcus gammatolerans, который способен пережить дозу радиации, в 3000 раз превышающую смертельную для человека.

H. volcanii выделяется даже среди своих экстремофильных собратьев. Его клетки лишены жесткой стенки, характерной для бактерий и растений. Вместо этого они покрыты гибким слоем белков, напоминающим мембраны животных. Эта структура, называемая S-слоем, состоит из повторяющихся белковых модулей, которые могут менять конфигурацию при изменении среды. Эта особенность позволяет им менять форму, сжиматься и растягиваться, адаптируясь к перепадам давления и солености.

Но главное открытие произошло, когда команда патобиолога Теопи Радос из Брандейского университета решила проверить, как физическое давление влияет на поведение микроба. Ученые предположили, что в естественной среде, такой как дно соленых озер, археи сталкиваются не только с высоким содержанием соли, но и с давлением, создаваемым слоями воды и осадков.

Эксперимент, который изменил все

Ученые поместили H. volcanii под слой желе, создав давление всего в 10 кПа (как на метровой глубине под водой). Клетка расплющилась за 2,5 часа, но настоящий сюрприз ждал их, когда давление увеличили до 100 кПа (аналог 10 метров под водой). Для сравнения: давление в шинах автомобиля составляет около 200 кПа, то есть микробы выдержали половину этой нагрузки.

За 12 часов клетки не только сплющились, но и объединились в кластер, напоминающий ткань. Каждая клетка содержала несколько копий ДНК, что типично для архей, но в новом состоянии они стали напоминать эукариотические клетки. Образовались два типа клеток: клиновидные по краям и щитообразные в центре, похожие на эпителий животных. Клиновидные клетки, подобно кирпичам в арке, брали на себя основную нагрузку, а щитообразные создавали плотный защитный слой.




— Алекс Биссон, биолог-археолог из Брандейского университета.

Ученые предположили, что гибкий поверхностный слой архей сыграл ключевую роль. В отличие от жестких клеточных стенок, он позволяет клеткам деформироваться, сливаться и создавать структуры, распределяющие механическое напряжение. Дополнительные исследования показали, что при деформации в клетках активируются гены, ответственные за синтез белков адгезии — «молекулярного клея», скрепляющего клетки в ткань.

Эволюционная головоломка

До сих пор многоклеточность считалась почти исключительной чертой эукариот. Из бактерий лишь цианобактерии образуют цепочки, а среди архей до H. volcanii был известен только один вид — Methanosarcina. Однако Methanosarcina формирует лишь рыхлые агрегаты, тогда как H. volcanii создает упорядоченные ткани — это принципиально новый уровень организации.

Почему это важно?
Во-первых, археи — это как мостик между мирами. Их способность формировать ткани, схожие с эукариотическими, намекает, что основы многоклеточности могли возникнуть еще до разделения доменов жизни. Возможно, общий предок архей и эукариот уже обладал зачатками клеточной кооперации.

Во-вторых, используется механика вместо химии. Если бактерии объединяются благодаря химическим сигналам, то археи делают это под физическим воздействием. Это подтверждает гипотезу о том, что первые многоклеточные формы могли появиться в условиях экстремального давления, например, в придонных слоях древних океанов.

В-третьих, экстремальные условия выступают как двигатель эволюции. Давление, соль, температура — возможно, именно в таких условиях рождались инновации, позволившие жизни завоевать Землю. Например, горячие источники, где обитают многие археи, считаются одними из вероятных мест зарождения жизни на планете.



Открытие Haloferax volcanii ставит больше вопросов, чем дает ответов. Если природа смогла «изобрести» многоклеточность у архей, какие еще сюрпризы ждут нас в экстремальных экосистемах? Может быть, где-то в глубинах Энцелада или Европы, под ледяными щитами спутников Юпитера и Сатурна, подобные организмы уже формируют первые многоклеточные сообщества?