Уильям Блейк, возможно, видел мир в песчинке, но для ученых из Массачусетского технологического института самая маленькая из всех фотосинтезирующих бактерий содержит ключ к разгадке эволюции целых экосистем и, возможно, даже всей биосферы.
Ключом является крошечная бактерия под названием Prochlorococcus, которая является самой распространенной фотосинтезирующей формой жизни в океанах. Новое исследование показывает, что метаболизм этого крошечного существа развивался таким образом, что, возможно, это способствовало возникновению других организмов, сформировав более сложную морскую экосистему. Его эволюция, возможно, даже способствовала глобальным изменениям, которые сделали возможным развитие более сложных организмов Земли.
Исследование также предполагает, что коэволюция Prochlorococcus и его взаимозависимых соорганизмов может рассматриваться как микрокосм метаболических процессов, происходящих внутри клеток гораздо более сложных организмов.
Новый анализ опубликован на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в статье постдока Рогира Браакмана, профессора Майкла Фоллоуза и профессора института Салли (Пенни) Чизхолм, которая была частью команды. которые открыли этот крошечный организм и его огромное влияние.
«У нас есть все эти разные штаммы, которые были выделены со всех концов мирового океана, которые имеют разные геномы и разные генетические возможности, но все они являются одним видом по традиционным меркам», - объясняет Чисхолм.«Итак, внутри этого единственного вида существует такое необычайное генетическое разнообразие, которое позволяет ему доминировать в столь обширных районах земных океанов».
Поскольку Prochlorococcus так распространен и так хорошо изучен, Браакман говорит, что это был идеальный объект для попытки выяснить, «во всем этом разнообразии, как меняются метаболические сети? последствия этого?"
Они обнаружили большое количество вариаций в «метаболической сети» бактерий, которая относится к путям поступления материалов и энергии в организм и из него в ходе его филогенеза. Тот факт, что такие значительные изменения произошли в ходе эволюции прохлорококка, «говорит вам о чем-то весьма драматическом», говорит он, потому что эти метаболические процессы настолько фундаментальны для выживания организма, что «он похож на двигатель системы. менять двигатель вашего автомобиля во время вождения. Это нелегко сделать, поэтому, если что-то меняется, это говорит вам о чем-то важном."
Вариации образуют своего рода многоуровневую структуру, при этом более предковые варианты живут глубже в толще воды, а более поздние варианты живут у поверхности. Команда обнаружила, что по мере того, как прохлорококки начинали жить в верхних слоях океана, где много света, но относительно мало пищи, у них развивался все более и более высокий уровень метаболизма. Он потреблял больше солнечной энергии и использовал ее для более сильного поглощения дефицитных питательных веществ из воды - по сути, создавая более мощный пылесос, но в процессе также производя больше отходов, говорит Браакман..
По мере того как более новые разновидности собирали питательные вещества в поверхностных слоях, большему количеству предков приходилось спускаться на большие глубины, где уровень питательных веществ оставался выше, что в конечном итоге привело к слоистой структуре, наблюдаемой сегодня.
Соединения углерода, из которых состоят отходы жизнедеятельности прохлорококка, в свою очередь, обеспечивали питательные вещества, которые стимулировали эволюцию другого вида бактерий, известных как SAR11, чьи собственные продукты жизнедеятельности были полезны для прохлорококка, таким образом формируя кооперативную систему, которая приносила пользу обоим организмам.. Взаимная переработка отходов усиливает коллективную максимизацию скорости метаболизма. «Похоже, что система на самом деле развивается, чтобы максимизировать общую пропускную способность» энергии, а не только отдельных организмов, - говорит Браакман.
«Поскольку клетки оптимизируют свою способность усваивать питательные вещества, они производят больше органического углерода и, в конечном итоге, способствуют более высокому уровню мутуализма», - добавляет Фоллоуз.
Эти взаимозависимые отношения сотрудничества очень похожи на отношения между митохондриями и хлоропластами, двумя видами субъединиц, которые обеспечивают энергию внутри клеток всех форм растительной жизни, говорит Браакман. Хлоропласты собирают энергию солнечного света и используют ее для образования химических соединений, которые передают энергию митохондриям, которые, в свою очередь, могут высвобождать и передавать углерод и энергию обратно в хлоропласты и остальную часть клетки - по путям, очень похожим на те, что используются Prochlorococcus и SAR11.
Другие особенности этих двух систем также очень похожи, в том числе их фотосинтетические пигменты и то, как они справляются с детоксикацией перекиси водорода. Это говорит о том, что параллельные эволюционные процессы привели к одному и тому же результату в очень разных средах. «Растительные клетки действительно похожи на микроскопические экосистемы океанских микробов», - объясняет он.
Отчасти из-за этих параллелей Браакман говорит, что эта динамика потенциально может описать эволюцию биосферы в более общем виде. Он предполагает, что математические описания эволюции Prochlorococcus, которые он и Фоллоуз разработали вместе, вытекают из основных принципов кинетики и термодинамики и, таким образом, могут дать некоторое представление и о других системах. «Это может быть универсальная динамика», - говорит он.
«Эта структура также может помочь нам смоделировать взаимодействие жизни, солнечного света и химии океана в масштабах океана», - говорит Фоллоуз.
Метаболическая эволюция Prochlorococcus, возможно, имела еще один важный эффект: благодаря сложному геохимическому циклу, включающему углеродные соединения, производимые микробом, и их взаимодействие с железом, бактерии могли способствовать значительному увеличению содержания кислорода в атмосфере Земли. около полумиллиарда лет назад, от очень низких уровней до почти современных уровней. Считается, что это резкое повышение уровня кислорода вызвало быстрый взрыв новых видов, также известный как кембрийский взрыв, в результате которого зародилось большинство основных типов животных.
Этот анализ предполагает, по его словам, «то, что выглядит как направленный эволюционный процесс, который неуклонно движется в направлении увеличения потока энергии через систему. Одним из последствий этого является то, что кислород в конечном итоге поднялись в атмосферу, и сложность экосистемы возросла».
Многие эволюционные теории подчеркивают конкуренцию, говорит Браакман, где «ресурсы ограничены, и мы все боремся за них. Но эта эволюционная динамика говорит о том, что это способ увеличения ресурсов для всего система, так что всем лучше. Это увеличивает общие системные ресурсы."
Эта работа, по словам Чисхолма, демонстрирует, что «вы действительно должны думать об эволюции во всех этих масштабах, чтобы понять ее. Дело не только в куче эгоистичных генов. Если вы хотите понять жизнь во всех ее измерениях, вы должны смотреть на гены, а также на все экосистемы. Ничто из этого не будет иметь смысла, если вы не будете смотреть на это во всех этих масштабах».