Изучение самого малоразмерного из известных фотосинтезирующих организмов, бактерии Prochlorococcus, раскрывает механизмы образования и эволюции сложных морских экосистем и позволяет строить предположения о том, как возникли первые многоклеточные организмы.
Prochlorococcus — не только самые мелкие существа, способные к фотосинтезу (их размер — от 0,5 до 0,8 мкм в поперечнике), но и самые распространённые. Открыты они не очень давно, в 1986 году, и только в последнее время появились методы, позволяющие изучить их генетическое разнообразие. Этим занимается команда учёных Массачусетского технологического института (MIT), в которую входят постдок Рогир Бракман (Rogier Braakman), профессор Майкл Фоллоуз (Michael Follows) и профессор Салли Чизолм (Sallie «Penny» Chisholm), которая была в команде первооткрывателей Prochlorococcus.
«Существуют различные штаммы, они изолированы друг от друга в разных океанах Земли, у них отличается геном и генетический потенциал, но все они относятся к одному виду в традиционном понимании, — поясняет Чизолм. — Эта экстраординарная генетическая изменчивость в рамках одного вида позволяет ему повсеместно доминировать в океанах Земли».
То, что Prochlorococcus — очень распространённый и хорошо приспособляющийся вид, делает его идеальным объектом для изучения метаболических сетей и их изменений.
В ходе исследования Бракман и его коллеги обнаружили большое количество вариаций «метаболических сетей бактерий», основанные на различиях в том, как в этих сетях передаются вещества и энергия, а также на их филогении.
Существующие вариации можно представить как слоистую структуру, самые архаичные формы бактерии живут на глубине, самые поздние варианты — у поверхности. На небольшой глубине бактерии живут в условиях обильного освещения, но питательных веществ здесь сравнительно немного. Это вынуждает развивать высокую скорость обмена веществ, при которой, как отмечает Бракман, образуется большое количество отходов.
Вещества из поверхностных слоёв опускаются на глубину, где используются другими бактериями. Углеродные соединения — отходы для Prochlorococcus, используются бактериями SAR11, которые, в свою очередь, выделяют вещества, полезные Prochlorococcus. Такая взаимная польза делает общую систему более устойчивой и увеличивает общую скорость обмена веществ.
«Похоже, что система развивается в направлении увеличения суммарной пропускной способности энергии, а не только на уровне отдельных организмов» — говорит Бракман.
«Когда бактерии оптимизируют свою способность усваивать питательные вещества, то производят больше органического углерода и в конечном итоге содействуют повышению уровня мутуализма», — добавляет Фоллоуз.
Такие взаимозависимые отношения очень похожи на отношения между митохондриями и хлоропластами, двумя субъединицами, обеспечивающими выработку энергии внутри клеток всех форм растительной жизни, замечает Бракман. Хлоропласты используют энергию солнечного света и создают химические соединения, необходимые митохондриям, которые обеспечивают, в свою очередь, энергией хлоропласты и другие клеточные структуры, через пути, очень похожие на те, что используются Prochlorococcus и SAR11.
Другие особенности этих двух систем также весьма схожи, включая их фотосинтетические пигменты и то, как они справляются с токсичной перекисью водорода. Это говорит о существовании параллельных эволюционных процессов, которые привели к похожим результатам в очень разных средах.
«Растительные клетки действительно выглядят как микроскопические микробные экосистемы океана», — говорит Бракман.
Существование таких параллелей позволяет надеяться, что в будущем можно будет понять эволюцию биосферы в целом. Бракман предполагает, что математическое описание эволюции Prochlorococcus и системы, в которой она происходит, прямо вытекает из основных принципов кинетики и термодинамики, и может пролить свет на другие системы.
«Эта структура также может помочь нам смоделировать взаимодействия жизни, солнечного света и химических веществ в масштабах океана», — говорит Фоллоуз.
Метаболическая эволюция Prochlorococcus, возможно, имеет отношение к существенному увеличению кислорода в земной атмосфере около полумиллиарда лет назад. Рост уровня кислорода, как полагают, вызвал появление новых видов, известное как «Кембрийский взрыв», породивший большинство основных типов животных.
Работа Бракмана и коллег рисует картину «направленного эволюционного процесса, который уверенно шагает в сторону увеличения потока энергии, проходящего через систему. Одним из последствий этого является то, что рост содержания кислорода в атмосфере остановился, а сложность экосистемы увеличивается».
Эволюционная теория подчёркивает важность конкуренции, Бракман отмечает, что везде, где «есть дефицит ресурсов, идёт борьба за них. Но то, что существует эволюционный динамический процесс, показывает, что есть способ увеличения доступности ресурсов для всей системы, полезный для всех. Это увеличивает общее количество системных ресурсов».
Чизолм замечает, что работа также показывает, что для понимания эволюции не стоит оставаться на уровне только генов, генетические исследования не имеют смысла, если не рассматривать более сложные структуры, вплоть до экосистемы в целом.
Материалы исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
