Смазка возрастом миллиард лет намекает на долгую историю сложных клеток

Все организмы, которые мы можем видеть вокруг себя — растения, животные и грибы — это эукариоты, состоящие из сложных клеток. Их клетки имеют множество внутренних структур, заключенных в мембраны, которые отделяют такие вещи, как производство энергии, от генетического материала и так далее. Даже одноклеточные организмы на этой ветви древа жизни часто имеют покрытые мембраной структуры, которые они перемещают и перестраивают для питания.

Часть этой гибкости мембраны обеспечивается стероидами. У многоклеточных эукариот стероиды выполняют различные функции; среди прочего, они используются в качестве сигнальных молекул, таких как эстроген и тестостерон. Но все эукариоты встраивают в свои мембраны различные стероиды, увеличивая их текучесть и изменяя кривизну. Таким образом, эволюция сложного метаболизма стероидов могла иметь решающее значение для создания сложной жизни.

Теперь исследователи проследили происхождение эукариотических стероидов почти на миллиард лет назад. Результаты показывают, что многие ветви генеалогического древа эукариот когда-то производили ранние версии стероидов. Но наша ветвь развила способность производить более сложные, что, возможно, помогло нам превзойти наших родственников.

Запутанная временная шкала

В какой-то степени новая работа предполагает проверку идеи, выдвинутой несколько десятков лет назад биохимиком Конрад Блох. Блох получил Нобелевскую премию за выяснение биохимических путей, позволяющих клеткам производить стероиды из более простых предшественников. В 1994 году Блох предположил, что химические промежуточные продукты на определенных им путях были на каком-то этапе нашего эволюционного пути конечными продуктами. Клетки будут производить эти менее сложные стероиды, которые играют решающую роль в их выживании; со временем, однако, наша ветвь разработала ферменты, которые модифицировали их более выгодными способами.

У этого был потенциал, чтобы найти смысл из множества доказательств, которые в противном случае не очень хорошо согласовывались друг с другом. Мы обнаружили микроокаменелости возрастом 1,6 миллиарда лет, которые, по-видимому, демонстрируют сложные клетки с поверхностными отростками, которые обычно характерны только для эукариот. Это хорошо сочетается с доказательствами ДНК, которые предполагают, что всех нынешних эукариот можно проследить до общего предка, который существовал по крайней мере 1,2 миллиарда лет назад, возможно, уже 1,8 миллиарда лет назад.

Но мы также можем искать стероиды в старых породах, так как молекулы удивительно стабильны. Но стероиды у современных эукариот появились примерно миллиард лет назад — намного позже, чем сами эукариоты. Этот пробел можно было бы четко объяснить, если бы более ранние эукариоты использовали биохимические промежуточные продукты Блоха.

Именно здесь Блох, несмотря на то, что во многом был прав, сделал большую ошибку. Он предположил, что промежуточные продукты будут химически нестабильны и поэтому не смогут сохраняться в отложениях достаточно долго, чтобы мы могли их найти. С этой точки зрения не было смысла искать.

Долгоиграющий

Международная группа исследователей решила, что стоит проверить предположение Блоха о надежности этих молекул. Итак, исследователи синтезировали связку и подвергли молекулы нагреванию и условиям ускоренного старения и посмотрели, что получилось. Хотя они потеряли пару атомов со стороны кольцевых структур, большая часть молекулы выжила. И, что более важно, известно, что никакие другие стероиды не производят такие же молекулы при деградации, поэтому эти состарившиеся промежуточные продукты могут служить индикаторами производства стероидов.

Имея эту информацию, исследователи получили образцы нефти и битума из отложений, датированных разными периодами прошлого Земли. И даже самый старый образец возрастом 1,6 миллиарда лет уже содержал много остатков этих промежуточных звеньев стероидов. Исследователи выделили десятки родственников стероидных промежуточных продуктов, но не обнаружили ни одной молекулы, которую можно было бы ожидать, если бы присутствовали современные стероиды.

Эукариоты, похоже, тоже были повсюду. «Эти протостероиды были обнаружены в глубоководных и относительно мелководных средах, микробных матах и ​​пелагических средах обитания, сланцах и карбонатах, а также в морских и, вероятно, озерных бассейнах», — пишут исследователи.

Опять же, первые признаки современных стероидов появились менее миллиарда лет назад, что позволяет предположить, что эукариоты — как наши предки, так и представители других ветвей эволюционного древа — почти миллиард лет процветали, используя молекулы, которые теперь являются просто химическими промежуточными продуктами. Различные классы современных стероидов также медленно появляются в геологической летописи, что позволяет предположить, что не было всплеска инноваций.

Выживание крайностей

Исследователи предлагают интригующую идею, которая помещает происхождение современных эукариот в геологическую летопись. Эукариоты, по-видимому, возникли в течение геологического периода времени, называемогоскучный миллиард», который длился примерно от 1,8 до 0,8 миллиарда лет назад. За это время, как следует из его названия, произошло немногое. Большую часть этого времени геология видела, как континентальные плиты Земли собирались в суперконтинент, который помогал поддерживать, казалось бы, стабильный климат. Жизнь, по-видимому, отреагировала на относительный застой, сформировав столь же стабильные экосистемы, которые сохранялись в течение большей части этого времени.

Хотя предок всех современных эукариот, вероятно, эволюционировал во времена скучного миллиарда, отсутствие экологических потрясений могло означать, что ему было трудно найти незанятую экологическую нишу. Исследователи предполагают, что учитывая эту проблему, эволюция современных стероидов потенциально могла дать им устойчивость, необходимую для работы в более экстремальных условиях, например, там, где преобладали холодные или высокие температуры, или в таких местах, как илистые отмели, которые периодически высыхали. Это может означать, что современные стероиды производились, но только в количествах, делающих их обнаружение маловероятным.

Скучный миллиард закончился ростом тектонической активности и глобальными оледенениями, которые могли вызвать микробный эквивалент массовых вымираний. В последовавшей за этим неспокойной среде способность переносить экстремальные условия окружающей среды, допускаемые современными стероидами, могла дать нашим предкам преимущество, позволив им подтолкнуть все остальные ветви эукариотического дерева к вымиранию.

Природа, 2023. DOI: 10.1038/с41586-023-06170-в (О DOI).