Двойник «Луки» из Ессентуков

Последним общим предком всех живых организмов называют нечто, жившее около 3,4 млрд, а по некоторым данным – более 4 млрд лет назад. С него началось разделение на домены жизни – бактерий, архей и эукариот. Есть ещё вирусы, но, поскольку они представляют собой, грубо говоря, белково-нуклеиновые комплексы, то их ставят несколько в стороне от тех, кто состоит из клеток. (По-английски последний универсальный общий предок – last universal common ancestor, то есть LUCA, или ЛУКА; склонять его, как обычное имя, нельзя, но удержаться трудно.) Естественно, разделение LUCA шло постепенно, то есть он не одномоментно разделился на три сущности. Тем не менее все современные организмы, будь то дрожжи, стрептококковые бактерии, амёбы, люди, львы орлы, куропатки и т. д. восходят именно к этому последнему общему одноклеточному. Может быть, и до него, и вместе с ним в древних морях Земли плавали какие-то микроорганизмы, которые тоже в ходе эволюции расходились на какие-то домены, типы и царства. Но эти другие домены, типы и царства не выжили. Сейчас мы видим только тех, чья эволюция восходит к LUCA.

В самых общих чертах LUCA был такой же, как современные организмы, то есть его наследственная информация в виде генетического кода хранилась в ДНК, белки состояли из 20 аминокислот, энергия запасалась в виде АТФ и т. д. Можно попытаться выяснить про него больше, например, чем он питался, или откуда брал сырьё для постройки биомолекул – брал готовые обломки извне или синтезировал из совсем простых веществ. Узнать это можно, если поискать признаки последнего общего предка в геномах современных форм жизни. Суть метода в том, что если, например, мы видим у кишечной палочки и у нас какой-то общий ген, то мы можем с уверенностью сказать, что этим геном нас наградил некий общий предок, от которого произошли и люди, и бактерии. Понятно, что вряд ли подобные гены будут абсолютно одинаковыми, всё-таки за миллионы лет эволюции в них могут накопиться различия, влияющие или не влияющие на их функции. Но, так или иначе, учитывая такие различия, всё-таки можно сказать, насколько «молод» или «стар» конкретный ген, какая у него «родословная» и т. д.

Для LUCA таких исследований набралось уже достаточно, и о некоторых мы писали. Так, в 2016 году в Nature Microbiology была опубликована статья о том, что последний общий предок был анаэробом (что неудивительно: в те времена кислорода в атмосфере было мало) и термофилом, и что в качестве энергии он использовал водород. И вот сейчас в статье в mBio сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН и Московского государственного университета сообщают, что бактерий, по типу метаболизма схожих с LUCA, можно найти в Ессентукском месторождении минеральных вод. Водоносные горизонты месторождения относятся к верхнеюрскому, нижнемеловому и верхнемеловому периодам – тогда по земле уже вовсю бродили динозавры. Однако под землей условия гораздо стабильнее, здешние сообщества микроорганизмов живут без света, к ним практически не поступает кислород и питательные вещества с поверхности, а движение воды происходит очень медленно. Для жизни они используют растворенные в воде минеральные вещества и газы, а также минералы из окружающих пород. Быстро меняться им нет нужды, эволюционируют они медленно.

Исследователи не первый год изучают ессентукские скважины, и прежде им уже удалось найти в них архей Hadarchaeota, которых не удалось вырастить в лабораторных условиях, и бактерий Actinomycetota, одна из которых поддаётся культивированию. Новые данные говорят о том, что разнообразие микробов в водоносных горизонтах напрямую зависит от глубины их залегания. Наибольшее разнообразие обнаружили в приповерхностных водах, которые добывают в скважине №70. В минеральных водах типа «Ессентуки №4», добываемых из более глубоких скважин №49-Е и №71, доминировали представители Methanobacteriota, а также некультивируемые Aminicenantia и бактерии-актиномицеты класса Coriobacteriia и группы RBG-16–55-12. Воды из скважины №46, откуда добывается вода «Ессентуки №17», отличались большим разнообразием некультивируемых архей из групп Hadarchaeales, Thermoplasmata и Halobacteriota, которые вместе составляли 40% сообщества.

Наконец, в воде из скважины 75-бис, которая идёт из самого глубокого, верхнеюрского горизонта, биоразнообразие было самым скудным – 80–95% микроорганизмов приходилось здесь на LUCAподобного микроба – термофильную автотрофную гидрогенотрофную ацетогенную бактерию Aceticella autotrophica. Автотрофность означает, что она синтезирует органику из простейших молекул, в данном случае из углекислого газа и водорода. Бактерия забирает электроны у молекулы Н₂ и с их помощью превращает углекислый газ в уксусную кислоту; в качестве побочного продукта образуется вода, а уксусная кислота служит материалом для дальнейших реакций.

 Сама бактерия A. autotrophica – это не какой-то новый вид, сотрудники ФИЦ Биотехнологии, например, прежде обнаруживали её в камчатских горячих источниках. С LUCA её роднит тип метаболизма, но это не значит, что A. autotrophica представляет собой непосредственного его потомка или что-то в подобном роде – в конце концов, A. autotrophica живёт в водоносном слое, который сформировался намного позже того времени, когда на земле жил LUCA. Смысл новых данных в том, что в современном мире есть экологические ниши, в которых есть условия для подобных микроорганизмов, и эти ниши существуют не на дне океанов, а в лечебных минеральных источниках. Изучая экологию микробов, которые пользуются, так сказать, теми же «метаболическими решениями», что и последний общий предок, можно больше узнать о том, как жилось ему самому.

По материалам пресс-службы ФИЦ Биотехнологии РАН.