Древо жизни цианобактерий
Ближайших «родственников» цианобактерий мы можем обнаружить… у себя в кишечнике, а также в пресных водоемах. Они называются мелайнабактериями (Melainabacteria), что в буквальном переводе с греческого означает «черные бактерии» (в противоположность цианобактериям — «лазурным бактериям»).
Это название весьма говорящее: никто из мелайнабактерий не умеет осуществлять фотосинтез. Оксигенный фотосинтез, очевидно, появился после разделения цианобактерий и мелайнабактерий. Ясности в вопросе, как развился оксигенный фотосинтез, это не прибавляет.
Но сами цианобактерии — не однородная группа. На ее филогенетическом дереве выделяется базальная (то есть отходящая раньше всего) ветвь — так называемые глеобактерии (Gloeobacteria, рис. 5). Все остальные цианобактерии выделяются в группу Phycobacteria, но чаще всего в англоязычной литературе встречается наименование «кроновые цианобактерии» (crown cyanobacteria) — из-за того, что именно они образуют «крону» филогенетического дерева цианобактерий.
В изучении эволюции цианобактерий глеобактерии представляют собой такую же ценность, как ланцетники при изучении эволюции хордовых (см. Функциональный анализ генома ланцетника проливает новый свет на эволюцию позвоночных, «Элементы», 26.11.2022).
Это наиболее рано обособившиеся представители, по которым легче всего попытаться реконструировать эволюционные изменения, приведшие к появлению целой новой группы. Глеобактерии на данный момент — практически единственное доступное нам звено, переходное от нефотосинтезирующих мелайнабактерий к мастерам высокоэффективного кислородного фотосинтеза.
Проблема в том, что доступных данных по глеобактериям до настоящего времени было мало — всего два вида были выращены в культуре и описаны экспериментально: Gloeobacter violaceus и Gloeobacter kilaueensis. G. violaceus стал основным модельным организмом для изучения эволюции оксигенного фотосинтеза.
На поверку он оказался устроен гораздо проще «кроновых» цианобактерий. Во-первых, он одноклеточный и не имеет циркадных ритмов. Во-вторых, у него отсутствуют тилакоиды. Если фотосистемы «кроновых» цианобактерий и фотоавтотрофных эукариот «закачивают» протоны в люмен (просвет) тилакоидов, то у G. violaceus они просто выкачиваются на внешнюю сторону цитоплазматической мембраны, в межмембранное пространство (см. рис. 3).
В итоге способом создания протонного градиента G. violaceus больше всего напоминает не «кроновые» цианобактерии и хлоропласты, а наши митохондрии и их альфа-протеобактериальных предшественников — у них протонный градиент генерируется так же.
Таким образом, общий план строения клетки G. violaceus очевидно проще, чем у «кроновых» цианобактерий. Помимо этого, у G. violaceus фикобилисомы устроены проще, чем у других описанных цианобактерий (об этом позже) и отсутствуют некоторые компоненты фотосистем.
Есть у него и еще одно биохимическое отличие, связанное с биосинтезом каротиноидов. Каротиноиды — это те самые желтые, красные и оранжевые пигменты, которые расширяют спектральный диапазон поглощаемого света и помогают более эффективно использовать его энергию при фотосинтезе.
Но каротиноиды умеют синтезировать не только растения и цианобактерии. Они также синтезируются многими нефотосинтезирующими бактериями и грибами. Но при этом в природе существует два способа синтезировать каротиноиды — два варианта биохимического пути их синтеза (рис. 6).
Различия между этими путями касаются одного «участка» — введения в молекулу фитоена (phytoene) дополнительных двойных связей, что превращает его в ликопин. В «растительном» пути, используемом растениями и большинством цианобактерий, это превращение осуществляется в три стадии тремя разными ферментами-десатуразами.
Как оказалось, G. violaceus использует «бактериальный» тип биосинтеза каротиноидов, соответствующий нефотосинтезирующим бактериям. Возникает интуитивный соблазн тоже отнести эту особенность к проявлениям «примитивизма».
Но выводы о «примитивном» или «изначальном» состоянии в данном случае являлись бы очень спекулятивными и поспешными. В самом деле, какие-то из перечисленных особенностей могли развиться у G. violaсeus уже после его обособления от других цианобактерий, — то есть он мог претерпеть что-то вроде «эволюционной дегенерации» (если говорить совсем грубо).
Тем самым не исключено, что общий предок всех цианобактерий уже имел и тилакоиды, и биосинтез каротиноидов «растительного» типа, а глеобактер просто их утратил. Двух видов было абсолютно недостаточно, чтобы делать далеко идущие эволюционные выводы. Требовалось выделить и охарактеризовать кого-нибудь еще из глеобактерий — и желательно не из рода Gloeobacter.
Жизненный цикл мхов
При созревании яйцеклетки (n) в архегонии (n) образуется узкий слизистый канал, по которому сперматозоид (n) может достичь яйцеклетки, которая неподвижна. Сперматозоиды образуются в другом
месте — антеридиях, на мужском гаметофите, (n), и, чтобы добраться до архегониев, им обязательно нужна вода. Именно поэтому мхи обитают во влажной среде, где условия для размножения наиболее благоприятные.
Сперматозоид обладает
хемотаксисом к слизи в канале архегония. Хемотаксис — движение организма под влиянием химических веществ.
В период обильных дождей сперматозоид достигает яйцеклетки в архегонии (на женском гаметофите), гаметы сливаются, и образуется зигота (2n). В дальнейшем из зиготы прорастает спорофит,
имеющий вид коробочки на ножке. Отметим, что спорофит, по сути «паразитирует» на гаметофите (n), от которого зависит полностью.
В коробочке спорофита из материнских клеток (2n)
образуются споры (n) путем мейоза. Высыпаясь из коробочки, спора попадает в почву, где прорастает в протонему. Протонема — нитчатое образование, ранняя стадия развития гаметофита —
листостебельного растения (n).
На женских гаметофитах развиваются архегонии, на мужских — антеридии, в которых образуются гаметы. Цикл замыкается. Хотелось бы еще один
раз подчеркнуть: спорофит у мхов редуцирован, низведен до уровня полностью зависимого придатка гаметофита, растущего прямо на гаметофите и питающегося за счет него.
Гаметофит доминирует в жизненном цикле и представлен зеленым листостебельным растением.
Теперь попробуйте самостоятельно назвать все стадии жизненного цикла мха на картинке ниже, почувствуйте себя истинным бриологом 😉
Значение мхов
В целом хозяйственное значение мхов для человека небольшое. Они не пригодны в качестве корма для домашних животных. Мох сфагнум с давних пор применяется как
перевязочный материал, военные врачи применяли его в экстренных случаях, когда заканчивались вата, йод.
Разрастание мхов вызывает переувлажнение почвы и впоследствии — заболачивание территории. Особо отметим роль мхов, как торфообразователей. Торф — горючее полезное
ископаемое, образованное не полностью разложившимися остатками растений в условии болот.
Монстры, преобразившие мир
Представьте, что на Земле появился новый вид бактерий, который в качестве побочного продукта выделяет ядовитый газ хлор. Из-за них в короткий период времени атмосфера наполняется хлором. Небо из голубого становится желто-зеленым. Сначала гибнут люди и другие позвоночные, позже, по мере роста концентрации токсичного газа, Земля лишается растений и насекомых.
Лишь некоторые бактерии успевают приспособиться к ядовитому газу и научиться использовать его для получения энергии. Через миллионы лет они дадут начало новым формам жизни на Земле. Это выглядит как апокалиптическая сцена из фильма-катастрофы, но похожее событие на самом деле произошло на Земле около двух с половиной миллиардов лет назад.
Около двух с половиной миллиардов лет назад появились цианобактерии — группа бактерий, которая научилась проводить фотосинтез, используя в качестве донора электронов обычную воду (напомню, что как при дыхании, так и при фотосинтезе поток электронов от одного белкового комплекса к другому непосредственно дает энергию для перекачки протонов и создания протонного градиента).
К тому времени фотосинтез уже давно существовал, но он требовал неорганического «сырья» типа сероводорода, которое еще надо найти. Цианобактерии в этом плане оказались в явном выигрыше: воды вокруг было в буквальном смысле залейся, солнечного света и углекислого газа тоже хватало, так что необходимые им ресурсы оказались практически ничем не ограниченными.
Если бы злой рок забросил вас примерно на 2,9 миллиарда лет назад, то вы бы задохнулись. В тогдашней атмосфере почти не было кислорода. В ней преобладали углекислый газ, азот и метан — в общем, все то, что за предыдущие полтора миллиарда лет успели произвести вулканы.
С химической точки зрения такая атмосфера создавала восстановительную среду, то есть в целом была склонна отдавать электроны, а не отнимать их. Как ни странно, это оказалось на руку зарождающейся жизни: вся органика очень уязвима к окислителям, и восстановительная атмосфера была поистине комфортной колыбелью для жизни. Это была оптимальная среда для первых обитателей Земли.
Массивное выделение кислорода цианобактериями произвело такой же эффект, как если бы сейчас атмосфера наполнилась хлором. В ряду электроотрицательности неметаллов кислород на втором месте, а хлор — только на четвертом. Поэтому кислород оказывал на тогдашнюю жизнь такой же негативный эффект, как хлор — на современную.
Мы сейчас не замечаем пагубного влияния кислорода лишь потому, что эволюционно приспособились к нему. Точнее, к нему приспособились наши предки. Помимо того, что мы утилизируем его при дыхании, мы вооружены множеством ферментов и антиоксидантов для нейтрализации активных форм кислорода.
Наши клетки не замечают этого яда лишь потому, что постоянно «сражаются» с ним и используют в своих целях. В общем, цианобактерии своим кислородом полностью преобразили биосферу и метаболизм многих живых существ, совершив настоящую «кислородную революцию».
Помимо цианобактерий, оксигенный фотосинтез могут осуществлять растения и многие группы водорослей. Но все они осуществляют его при помощи пластид, которые происходят либо от поглощенных когда-то цианобактерий, либо… от других фотосинтезирующих эукариот, имевших пластиды, произошедшие от цианобактерий.
Как пишет Александр Марков в книге «Рождение сложности»: «Некоторые биологи говорят, пользуясь метафорическим языком, что растения — всего лишь удобные «домики» для проживания цианобактерий. По сути дела цианобактерии не только изобрели кислородный фотосинтез, но и по сей день сохранили за собой «эксклюзивные права» на его осуществление».
Если представить, какую роль растения и водоросли играют в современном облике нашей планеты, то станет ясно, что мы живем в мире, сформированном цианобактериями.
Цианобактерии «придумали» не только фотосинтез. Если посмотреть на цианобактерии под микроскопом, в глаза бросится еще одно их отличие: среди них много многоклеточных видов, существующих в виде нитей из многих клеток (среди эукариот аналогами такой жизненной формы являются нитчатые водоросли).
Причем речь идет именно о настоящей многоклеточности: клетки в составе нити обмениваются метаболитами и сигнальными молекулами. А у наиболее «продвинутых» цианобактерий (например, представителей рода Nostoc) существует дифференцировка на разные типы клеток: одни клетки (вегетативные) фотосинтезируют, а другие (гетероцисты) занимаются фиксацией азота.
Молекулярно-филогенетические исследования показывают, что многоклеточность у цианобактерий — настолько же древнее явление, как и сам кислородный фотосинтез (B. E. Schirrmeister et al., 2022. Evolution of multicellularity coincided with increased diversification of cyanobacteria and the Great Oxidation Event).
Это подтверждают и окаменелости, удивительно похожие на современные формы многоклеточных цианобактерий (см. статью Сергея Ястребова Кислородная революция и Земля-снежок). Можно уверенно утверждать, что цианобактерии точно находятся в ряду первых «изобретателей» многоклеточности.
Более того, есть предположение, что какими-то молекулярными «находками» для поддержания межклеточной кооперации они поделились с нами. Есть гипотеза, что именно они изобрели каспазы — белки запрограммированной клеточной гибели, — и далее все остальные многоклеточные организмы позаимствовали эти белки у них (N. Lane, 2008.
Marine microbiology: Origins of Death). Также не исключено, что у цианобактерий мы «научились» синтезировать оксилипины — универсальные молекулы межклеточной сигнализации (см. Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?, «Элементы», 31.10.2020). Впрочем, это пока только гипотеза.
Откуда не ждали
Новый вид был открыт неожиданно. Открыла его группа под руководством Фэй-Вэй Ли (Fai-Wei Li), сотрудника Института Бойса Томпсона (входящего в Корнеллский университет), которая занимается выделением цианобактериальных симбионтов из антоцеротовых мхов.
У любого из этих мхов есть какой-нибудь бактериальный симбионт из числа многоклеточных цианобактерий, осуществляющий для мха фиксацию атмосферного азота (так же, как клубеньковые бактерии снабжают фиксированным азотом растения семейства Бобовые).
Этих-то симбионтов и искали исследователи. И очень удивились, когда из мха Leiosporoceros dussii (рис. 7) вместо нитчатой цианобактерии выделилась одноклеточная глеобактерия. Это была редкая удача, но тем не менее она была неожиданной.
Это было тем более неожиданно, что новый вид, названный Anthocerotibacter panamensis (рис. 1 и рис. 8; буквально это название означает «бактерия антоцеротового мха из Панамы») никак не годился на роль азотфиксирующего: у него нет гена, необходимого для фермента, отвечающего за фиксацию азота.
Такого симбионта мху держать незачем, так что непонятно, как он оказался в его талломе. Авторы выдвинули два предположения: или Anthocerotibacter panamensis случайно занял «пустующее» место постоянного симбионта (который, скорее всего, существует, просто не был обнаружен в этом образце), или только он выдержал процедуру поверхностной стерилизации, применяемую авторами для удаления бактерий, попавших из почвы.
Еще одним неожиданным моментом стало то, что Anthocerotibacter panamensis оказался ближайшим родственником не выделенных пока глеобактерий, обитающих в Арктике и филогенетически входящих в так называемую «полярную кладу». Это тоже было неожиданно — сам-то A. panamensis происходит из тропиков (а конкретно — из Панамы, о чем и говорит его название). Возможно, что «полярная клада» вовсе не такая уж полярная, а возможно, что новый вид действительно просто экзотический.
Говоря «не выделенных пока глеобактерий», я имел в виду, что их пока никто не видел под микроскопом и не вырастил в культуре. А откуда мы тогда знаем, что бактерии «полярной клады» существуют? Это известно из метагеномного исследования (C. L. Grettenberger et al., 2020. A phylogenetically novel cyanobacterium most closely related to Gloeobacter). В ходе таких исследований секвенируется вся ДНК, найденная в каком-нибудь образце почвы или воды. Секвенирование и последующий биоинформатический анализ могут с некоторой степенью надежности воссоздать геномы еще не выделенных в культуре бактерий, оказавшихся в образце.
Новый вид оказался во многом похож на глеобактера. Он также одноклеточный, не имеет циркадных ритмов и тилакоидов. Это надежно указывает на то, что многоклеточность, «биологические часы» и тилакоиды появились у общего предка «кроновых» цианобактерий, а общий предок всех цианобактерий их еще не имел.
Очевидно, он при фотосинтезе использовал ту же менее эффективную схему, когда протонный градиент создается на мембране клетки, а способ повысить напряжение за счет тилакоидов был более поздним приобретением. «Теперь мы можем быть почти уверены, что тилакоиды развились у фикобактерий» — говорит Фэй-Вэй Ли.
С биосинтезом каротиноидов все получилось совсем наоборот, чем можно было бы предполагать. Оказалось, что у A. panamensis каротиноиды синтезируются по «растительному» пути, как и у наиболее «продвинутых» цианобактерий. Это позволяет предположить, что этот путь сформировался уже у общего предка всех цианобактерий — и лишь у некоторых глеобактерий, включая G. violaceus, он потом заменился на «бактериальный». Такой пример вторичного «упрощения», если так можно выразиться.
Строение кукушкина льна
Кукушкин лен относится к двудомным растениям. Стебель у него прямостоячий, это один из наиболее высокорослых мхов, достигающих в высоту 50 см и более.
Отсутствие корней компенсируют нитевидные
выросты — ризоиды, которые обеспечивают прикрепление растения к субстрату, всасывают воду и растворенные в ней минеральные вещества (в отличие от ризоидов у
водорослей, где ни о какой функции всасывания нет и речи!).
Проясним термин «двудомные», указанный вначале. Он означает, что женские (архегонии) и мужские (антеридии) половые органы развиваются на разных растениях. На женском гаметофите
расположен архегоний, имеющий бутыльчатую форму, на мужском гаметофите развиваются антеридии.
Спорофит (бесполое поколение) у мхов располагается прямо на гаметофите, представлен коробочкой на ноже, в которой образуются споры. Коробочка способствует
распространению спор на большее расстояние. Спора — возникающая в результате митоза или мейоза (в этом случае — мейоспора) клетка грибов и растений, служащая для размножения
и распространения растений и грибов, способная развиться во взрослую особь.
Стебелек вместе с коробочкой называется спорогон. Коробочка состоит из урночки и крышечки, сверху прикрыта колпачком. Внутри урночки находится центральный стержень — колонка, к которой крепится
спорангий со спорами. Кверху колонка расширяется и образует эпифрагму, затягивающее устье коробочки. Коробочка имеет перистом — специальное
отверстие для рассеивания спор.
В сухую погоду, когда споры созревают, колпачок, а за ним и крышечка, отпадают. Тонкий стебелек спорогона раскачивается от ветра, споры высыпаются.
Фотосинтезирует, но плохо
Но самые интересные находки касались фотосинтеза. У нового вида фотосинтетический аппарат оказался самым примитивным из известных на сегодняшний день. Прежде всего, у него самые простые фикобилисомы. Вспомним, что у «кроновых» цианобактерий и некоторых фотосинтезирующих эукариот фикобилисомы имеют вид антенны-локатора или вентилятора (рис. 9, сверху).
Основание антенны образовано белком аллофикоцианином (АФЦ), а «лепестки» построены из фикоцианина (ФЦ) и фикоэритрина (ФЭ). Иногда место последнего занимает фикоэритроцианин (ФЭЦ). Но у G. violaceus фикобилисома проще и имеет вид стопки из белков, или, если изображать упрощенно, столбика (рис.
9, в середине). Таким образом, если сравнивать фикобилисомы с техническими сооружениями, то у «кроновых» цианобактерий имеется тарелка локатора, а у глеобактера — что-то вроде телевизионных антенн, которые можно встретить на крышах домов. Но состоит антенна из тех же белков: АФЦ, ФЦ и ФЭ.
Структура фикобилисомы A. panamensis пока экспериментально не определена, так что говорить о ней (и пытаться ее нарисовать!) можно лишь предположительно. Одно мы знаем точно — она проще, чем даже у глеобактера: в ней отсутствует фикоэритрин.
Таким образом, фикобилисома антроцеротибактера пока что претендует на звание самой простой и примитивной по белковому составу. Внизу на рис. 9 я нарисовал, как это могло бы выглядеть, если форма фикобилисомы антоцеротибактера такая же, как у глеобактера.
Продолжая наши аналогии, получившуюся конструкцию можно сравнить с комнатной телевизионной антенной, — настолько она упрощена. Но, повторюсь, формы фикобилисомы глеобактера мы пока не знаем. И это лишь делает более интригующим вопрос: как выглядит самая простая фикобилисома на свете?
Впрочем, у нового вида не только фикобилисомы устроены максимально просто. Сами фотосистемы — «рабочий механизм» фотосинтеза — у него тоже упрощены (рис. 10). В фотосистеме I отсутствует треть всех белков, из которых строится та же фотосистема у «кроновых» цианобактерий.
Правда, у глеобактера фотосистема I устроена, по всей видимости, так же. А вот по части фотосистемы II антоцеротибактер пока удерживает безусловный рекорд простоты: у него отсутствует пять из 23 белков (у G. violaceus нет четырех белков, у G. kilaueensis — трех).
Цианобактериальные инновации
Такой власти над миром цианобактериям удалось добиться лишь потому, что они научились при фотосинтезе расщеплять воду вместо сероводорода. А сделать это не так просто — вновь из-за того, что кислород является сильным окислителем, и высвободить его из воды труднее, чем серу из сероводорода (чем сильнее окислитель, тем труднее он сам окисляется).
Чтобы выпустить в атмосферу такой химически активный газ (отняв у него электроны), одной фотосистемы (электрон-транспортной цепи фотосинтеза) недостаточно. История цианобактерий началась с того, что в результате горизонтального переноса генов они смогли объединить в себе фотосистемы двух «образцов», существовавшие у пурпурных бактерий и зеленых серобактерий.
Вместе они развивают гораздо больший оксилительно-восстановительный потенциал, чем по отдельности, что и позволяет отрывать электроны от воды. В целом можно сказать, что объединение двух фотосистем позволило цианобактериям высвобождать в атмосферу мощный окислитель. И это же привело к катастрофе в биосфере.
Большинство известных на сегодняшний день цианобактерий имеют весьма совершенный фотосинтетический аппарат — не только с точки зрения биохимии, но и с точки зрения структуры. Цепь переноса электронов, задействованная в фотосинтезе, очень похожа на дыхательную цепь, но в митохондриях и хлоропластах (а также у аэробных бактерий и большинства цианобактерий) эти цепи располагаются в разных местах.
У митохондрий (рис. 3) они встроены во внутреннюю мембрану, которая происходит от цитоплазматической мембраны когда-то поглощенного нашими далекими предками бактериального симбионта. А у бактерий дыхательная цепь находится в самой цитоплазматической мембране.
Цепи переноса электронов выкачивают протоны на внешнюю сторону мембраны, наполняя ими межмембранное пространство. Получившийся градиент концентрации протонов в буквальном смысле вращает АТФ-синтазу, «чеканящую» универсальную энергетическую валюту клетки — АТФ.
А в хлоропластах и у большинства цианобактерий имеется замкнутая система мембранных дисков и пластинок, отделенных от внутренней мембраны — тилакоидов. Именно на мембранах тилакоидов размещаются электрон-транспортные цепи фотосинтеза, использующие энергию солнечного света для закачивания протонов внутрь тилакоидов.
Их плоская форма оптимальна для создания минимального объема внутри при максимальной поверхности, позволяющей разместить максимальное число электрон-транспортных комплексов. Такая конструкция концентрирует протоны куда более эффективно, чем внутренняя мембрана митохондрий, позволяя синтезировать АТФ куда более эффективно, чем это происходит при дыхании.
Помимо эффективного механизма концентрации протонов, современные цианобактерии и растения имеют мощные молекулярные «антенны», улавливающие свет и передающие его молекулам хлорофилла. У растений это светособирающие комплексы, а у цианобактерий — фикобилисомы (рис. 4).
Белки фикобилисомы содержат в качестве небелковой части фикобилины (похожие на наш билирубин), которые непосредственно «собирают» кванты света. Аналогичные вещества используют растения — только у них светособирающий комплекс устроен по-другому.
Чтобы эффективно использовать свет, цианобактериям пришлось обзавестись и другой инновацией. Как известно, у многих многоклеточных организмов — как растений, так и у животных — независимо развились сенсоры дня и ночи и регуляция ритмов активности в зависимости от времени суток, называемых циркадными (циркадианными) ритмами.
У растений за это отвечают криптохромы — особые белки, позволяющие растению чувствовать свет. Хоть растения и не способны видеть, но свет от тьмы они «отличают». У животных, в том числе у человека, криптохромы тоже задействованы в регуляции циркадных ритмов (они находятся в ядрах гипоталамуса, регулирующих цикл сна и бодрствования).
Большинству бактерий такие механизмы без надобности, но цианобактериям они жизненно необходимы: их биохимия целиком и полностью зависит от солнечного света. Поэтому у них есть внутренние «биологические часы», подсказывающие, когда какие реакции проводить.
Они состоят из трех белков (не родственных криптохромам), вступающих в циклические биохимические реакции и тем самым образующих своеобразный «молекулярный маятник» (хотя в хронобиологии подобные системы называются осцилляторами). Что интересно, эту систему можно вживить в любую другую бактерию — и она тоже будет осуществлять те или иные биохимические функции «по часам» (см. В бактерию без циркадных ритмов встроили «часы» от цианобактерии, «Элементы», 15.06.2022).
Наличие «биологических часов» тоже позволяет большинству известных цианобактерий эффективно использовать солнечный свет. В общем, у цианобактерий есть все, чтобы в «промышленных» масштабах разлагать воду и производить сильный окислитель — кислород. Возникает вопрос: а как они пришли к такому состоянию? Как способность к фотосинтезу развивалась в ходе эволюции?