Биологи из Карлова университета в Праге (Чехия), под руководством постодока Анны Карнковской (Anna Karnkowska), судя по всему, обнаружили первый эукариотический (то есть имеющей в своих клетках ядра) организм, лишенный митохондрий — органелл, служащих клеткам «энергетической станцией». Статью об этом, опубликованную в журнале Current Biology, пересказывает сайт журнала Science.

МитохондрияУникальный организм, обнаруженный учеными — это одноклеточное животное, жгутиконосец из рода Monocercomonoides. Забавно, что чешские биологи выделили его из экскрементов шиншиллы, живущей дома у одного из сотрудников лаборатории. Поскольку жгутиконосец относился к группе микробов, по поводу которой у ученых было подозрение, что у некоторых из ее представителей нет митохондрий, Карнковская с коллегами решили его проверить.

Расшифровав полный геном эукариота, авторы статьи не нашли в нем никаких митохондриальных генов (которые, теоретически, должны были быть, поскольку митохондрии обладают собственным ДНК). Более того, углубленный анализ показал также, что у этого представителя рода Monocercomonoides нет даже ни одного из ключевых белков, которые позволяют митохондриям функционировать. Иначе говоря, у него попросту нет митохондрий.

Как же этот жгутиконосец живет без «энергетических станций» в своей клетке? Очень просто: в кишечнике грызуна, в котором он обитает, в достатке питательных веществ, которые эукариот расщепляет с помощью ферментов, содержащихся в его цитоплазме (внутриклеточной жидкой среде). Зато в кишечнике шиншиллы нет кислорода, без которого митохондрии все равно работать не могут.

Надо сказать, что митохондрии играют в клетках и еще одну важную роль: они накапливают железо и серу, которые нужны для синтеза многих важных белков. Однако Monocercomonoides и здесь нашел альтернативное решение: похоже, он «позаимствовал» некоторые гены бактерий, которые позволяют делать это без митохондрий.

Похоже, что уникальный эукариот утратил митохондрии совсем недавно (по меркам эволюции) — у его ближайших родственников эти органеллы все же есть, хотя и уменьшенного размера.

«Это открытие фундаментальной важности, — сказал об открытии коллег из Карлового университета эволюционный биолог Юджин Кунин (Eugene Koonin) из Национального центра биотехнологической информации в Бетесда, Мэриленд (США). — Теперь мы знаем, что эукариоты могут отлично жить без митохондрий».

Эволюционный генетик Франц Ланг (B. Franz Lang) из Монреальского университета (Канада) высказался более осторожно: «Результаты этой работы выглядит очень солидно. Я бы сказал, вероятность того, что они правы, составляет 90%».

Ранее одно время считалось, что митохондрий нет у эукариотического микроба Giardia intestinalis, вызывающего диарею. Однако потом выяснилось, что они у него просто очень сильно редуцированы.

Открытие первого безмитохондриального эукариота заставляет по-новому взглянуть на ранние этапы эволюции жизни на Земле. До сих пор считалось, что наличие митохондрий — непременный признак всех эукариот. Согласно господствующей сейчас теории, митохондрии когда-то были самостоятельными бактериями, но потом наши одноклеточные предки проглотили их и, вместо того, чтобы переварить, поставили себе на службу. Или, согласно другой версии, митохондрии сперва были паразитами, но потом подружились с клеткой. Так или иначе, это объясняет, почему у митохондрий до сих пор сохранилась собственная ДНК.

Источник: Научная Россия

Озеро Восток — седьмое по объёму и четвёртое по глубине на Земле (250×50 км при глубине 1,2 км), но вот слишком оживлённым его назвать трудно: почти 4-километровый ледяной панцирь, накрывающий водоём, делает его ближе к подлёдному океану Европы, нежели к какому-нибудь там Эри или Гурону. Света нет, фотосинтеза, скорее всего, тоже, температура ожидаемо невысока, поступление питательных веществ извне равно нулю... Впрочем, повод надеяться на жизнь всё-таки был.

Как полагают исследователи, нижние слои озера, заполненные осадочными отложениями и подогреваемые гидротермальными источниками, могут быть анаэробными, а верхние слои, напротив, насыщены кислородом. Возможные виды метаболизма «востоковцев». (Здесь и ниже иллюстрации Shtarkman et al.) И тем не менее метагеномный анализ из четырёх образцов льда, образованного водой из этого озера, показал наличие 3 507 уникальных последовательностей генов на 500 мл пресной воды. Группа учёных под руководством Юрия Штаркмана, сейчас работающего в Национальной лаборатории Оук-Ридж (США), уверена: теперь нельзя сказать, что это какие-то пришельцы, попавшие в озеро с буровой жидкостью. Из всего этого богатства удалось идентифицировать лишь 1 623 последовательности, остальные являются новыми видами, родственные связи которых часто очень сложно проследить, что говорит о длительном развитии в замкнутой экосистеме.

Правда, надёжно удалось установить то, что 94% последовательностей принадлежали к роду Bacteria и ещё 6% к более продвинутым эукариотам. При этом лишь две последовательности генов относились к археям — самым примитивным одноклеточным, напоминая при этом метанотрофов, известных по океанскому дну открытых водоёмов. Напомним, что ранее считалось, что археи, а это образцовые экстремофилы, могут быть очень широко представлены в «живом мире» озера Восток. Что ж, приспособляемость бактерий и эукариотов вновь была недооценена.

В целом биота оказалась очень сходной с обычной, представленной в самых разных озёрах, солоноватых водах, среде морского дна, почве, ледниках и донных отложений обычных озёр. Причём были найдены как последовательности генов анаэробов, так и аэробы, равно как и холодолюбивые психрофилы, термофилы, галофилы, алкалифилы, ацидофилы, устойчивые к высыханию виды, а также различные автотрофы и гетеротрофы, включая — внимание! — некоторое количество многоклеточных организмов.

Таких последовательностей было около 150, большинство составляли грибы. Однако были найдены и последовательности генов членистоногих — довольно сложных животных, которых мало кто ожидал увидеть в таком месте, как подлёдное озеро, да на глубине в 3,7 км. По всей видимости, среди них есть очень близкие родственники дафний и ногоховосток из семейства Entomobryidae. Более того, среди многоклеточных были и организмы, идентифицировать родственные связи которых не удалось.

Также были найдены гены двусторонне-симметричных, коловраток, тихоходок, моллюсков и стрекающих. Но самого интересного, как всегда, сразу не увидишь: среди бактерий отыскались следы паразитов и симбионтов, проживающих в пищеварительной системе креветок, раков и рыб. Само собой, не обошлось и без почти родных для нашего собственного вида E. Coli и Salmonella. Вряд ли они просто заплыли за буйки: есть основания предполагать, что где-то в озере живут и их хозяева.

Как всё это понимать, если, как мы хорошо знаем, концентрация кислорода в Востоке в 50 раз выше обычной озёрной, а давление превышает 300 атмосфер? Вроде бы из этого следует, что жить там не должны даже одноклеточные, причём максимально неприхотливые... Ранее Сергей Булат, заведующий группой Петербургского института ядерной физики (Россия) сообщал, что науке неизвестны группы «кислородолюбивых» бактерий, так как бактерии появились до формирования кислородной среды на планете.

В принципе, нечто подобное учёные подозревали ещё до анализа: все эти факторы могут убить обитателей вашего домашнего аквариума, но у озера Восток на переход от поверхностного водоёма, окружённого нормальными лесами (35 млн лет назад), к периодически оттаивающему (15 млн лет назад), а затем и сегодняшнему сверхглубокому был очень плавным. В этом случае живые организмы, потреблявшие кислород, могли до некоторой степени смягчить проблему его избытка, не допуская совсем уж запредельных концентраций. Наличие в воде генов бактерий-термофилов говорит нам, что в озере есть гидротермальные источники, подогревающие его и, возможно, даже служащие основой для фотосинтеза (одна бактерия, найденная в озере, обычно растёт на морских водорослях). А там где есть всё это, логично ждать и животную жизнь. 

Но — и это факт — никто не ждал такого разнообразия до начала бурения. По сути, перед нами тысяча новых видов, и это при том, что пока учёные лишь скребутся по поверхности, ведь забранный лёд содержал воду из верхних слоёв озера, что намёрзла на его ледяную шапку.

Как отмечают авторы исследования, мы стоим перед переосмыслением того, какую среду следует считать обитаемой, а какую — нет. Если многоклеточные организмы могут жить без Солнца и доступа к атмосфере и речным стокам, несущим полезные минералы, да ещё миллионы лет подряд, то с высокой вероятностью они могли бы проделать то же самое в подлёдных океанах Европы, Каллисто и других спутников планет-гигантов Солнечной системы.

Впрочем, почему только Солнечной?

Истчоник: КОМПЬЮЛЕНТА

Самой известной и, пожалуй, самой популярной теорией происхождения митохондрий и хлоропластов является теория эндосимбиоза (или симбиогенеза). По ней, хлоропласты и митохондрии прежде были самостоятельными прокариотическими организмами (какими-нибудь древними бактериями или цианобактериям), которыми питались далёкие предки эукариот. В какой-то момент поедание бактерий сменилось симбиотическими отношениями: жертвы стали жить внутри охотника, обеспечивая его энергией, и в итоге превратились в знакомые всем хлоропласты и митохондрии. 

В общих чертах тут всё более-менее понятно, но что при этом происходило на клеточном уровне? Какими, например, характерными особенностями обладали клетки древнейших эукариот, которые первыми начали налаживать симбиотические отношения с поглощёнными бактериями? Почему вообще получилось так, что бактерии перестали расщепляться пищеварительными ферментами и оставались плавать в теле хозяина целыми и невредимыми? На эти и на многие другие вопросы ответов пока нет, хотя учёные интенсивно их ищут. Главная проблема, разумеется, в том, что все гипотезы и теории приходится строить на современном материале, на изучении нынешних простейших, так как ископаемых останков с тех далёких времён почти нет.

Но как можно узнать, что происходило миллионы и миллиарды лет назад, наблюдая за современным одноклеточными? Считается, что какие-то особенности структуры, какие-то особенности поведения нынешних простейших отчасти повторяют то, как вели себя их древнейшие предки. И здесь нужно добавить, что эндосимбиоз — по крайней мере тот, который привёл к появлению хлоропластов, — возникал в истории жизни несколько раз. Сначала были так называемые первичные эндосимбионты: древнейшие эукариоты, которые первыми поняли, что фотосинтезирующие цианобактерии можно использовать, так сказать, живьём. Из таких первичных эндосимбионтов впоследствии появились растения, зелёные и красные водоросли, а также своеобразная группа водорослей, называемых глаукофитами, чьи фотосинтезирующие органеллы чрезвычайно напоминают цианобактерии. 

Роль фагоцитоза древних эукариот в происхождении хлоропластов. (Рисунок авторов работы.) Но были и такие организмы, которые использовали для эндосимбиоза не сами бактерии, а первичных эндосимбионтов. То есть другие древнейшие эукариоты поглощали других эукариот, у которых уже были приручённые фотосинтезирующие цианобактерии. Из таких вторичных и третичных эндосимбионтов получились криптофитовые, гаптофитовые и гетероконтофитовые водоросли, а также эвгленоидеи. У потомков вторичных эндосимбионтов мембрана хлоропластов состоит не из двух, а из трёх слоёв. Считается, что самая внутренняя мембрана досталась хлоропластам от бактерии, а вторая, внешняя — от древнего эукариота, который, поглощая бактерию, заворачивал её в свою мембрану. В случае с трёхмембранными хлоропластами третья (самая внешняя) мембрана, как считается, досталась хлоропластам от нового хозяина, который заворачивал в свою мембрану другого эукариота с фотосинтезирующими элементами внутри. 

Однако в любом случае один из ключевых этапов — поглощение одного одноклеточного другим. Исследователи из Университета Далхаузи (Канада) и Американского музея естественной истории (США) утверждают, что древние эукариоты, которые впервые использовали хлоропластный симбиоз, поглощали бактерии не любой частью клетки, как амёбы, а с помощью специализированных структур. Учёные наблюдали за Cymbomonas, относящейся к одним из наиболее простых и древних зелёных водорослей. Хотя, как и все зелёные водоросли, Cymbomonas произошла от первичных эндосимбионтов, при этом, как оказалось, у неё сохранилась способность питаться бактериями. 

В статье, опубликованной в Current Biology, исследователи описывают пищеварительный аппарат водоросли Cymbomonas. Пища попадает в клетку через специальное отверстие, после чего по пищеводообразному каналу движется к постоянной пищеварительной вакуоли, аналогу желудка, причём пищевод может сокращаться, помогая пище продвинуться к «желудку». 

Такой способ поглощения не похож на то, что мы наблюдаем у других простейших, вроде амёб или инфузорий. Авторы работы полагают, что он достался Cymbomonas от предков, которые с его помощью приобрели первые хлоропласты. Сейчас бактерии, пойманные Cymbomonas, перевариваются в пищеварительной вакуоли, однако весь процесс поглощения пищи может быть моделью для изучения того, как бактерии в один прекрасный день избежали расщепления в вакуоли и превратились в домашних фотосинтетиков. 

В данном случае трудно сказать, что именно благодаря такому пищеварительному аппарату стало возможным «приручение» бактерий — тут могли сыграть свою роль и другие особенности физиологии древних эукариот. Но если именно такая схема поглощения пищи осуществлялась в каждом случае появления эндосимбиоза, это наводит на мысль, что это неспроста, что, очевидно, именно такой путь бактерии в клетку давал ей шанс уцелеть и развить симбиотические отношения.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Самая популярная гипотеза возникновения хлоропластов и митохондрий состоит в том, что те и другие исходно были бактериями и попали в клетки пра-(пра)-праэукариот в качестве паразитов и/или симбионтов. Потом одни бактериальные гости превратились в митохондрии и произвели тем самым революцию в энергоснабжении клетки, а другие стали хлоропластами, и с этого момента началась эволюция растений.

Хлоропласты в растительной клетке. (Фото BASF - The Chemical Company.)Но когда это произошло? События настолько древние, что ни о каких точных датах говорить не приходится. А приблизительность оценок такова, что, например, время появления эукариот «плавает» от 800 млн до 3 млрд лет назад. С такой же «точностью» определяют и время возникновения хлоропластов и митохондрий.

Но исследователям из Калифорнийского университета в Беркли (США) всё-таки удалось внести некую ясность в вопрос. До сих пор подобные оценки основывались на трудноразличимых микробных следах в палеонтологических находках и не очень внятных биохимических маркерах, которые удавалось в таких следах обнаружить. Николас Матцке и Патрик Ши пошли по другому пути: они оценивали возраст митохондрий и хлоропластов по их же генам. Как известно, эти органеллы имеют собственную ДНК и собственную молекулярную машинерию для белкового синтеза. Оставалось только понять, какие гены у них могли меньше всего измениться с тех незапамятных времён, когда и митохондрии, и хлоропласты были самостоятельными организмами.

Митохондрии в клетке лёгких. (Фото Kallista Images.)В итоге исследователи остановились на генах АТФ-синтаз — белках, которые непосредственно отвечают за синтез главной энергетической молекулы любой клетки, АТФ. Эти белки есть и в ядерном геноме, и в митохондриальном, и в хлоропластном. Они очень консервативны, и по изменениям в них можно оценить, когда происходили самые важные события в жизни на Земле. Разумеется, сравнивая изменения в генах ядра и органелл, учитывалось, что все они менялись неравномерно, с разной скоростью. Кроме того, авторы работы использовали палеобиологические данные, полученные от растительных и животных останков, которые считаются более надёжными свидетелями, нежели ископаемые микробы.

В статье в PNAS исследователи пишут, что древние протеобактерии, от которых, скорее всего, пошли митохондрии, проникли в эукариотические клетки около 1,2 млрд лет назад. Это не слишком расходится с более ранними оценками. Но с ними сильно расходится возраст растительного фотосинтеза, который, как сказано в статье, «родился» 900 млн лет назад, когда первые цианобактерии попали в клетки древних праэукариот. Цианобактерии научились фотосинтезировать давно (они вообще жили на Земле уже во времена архея), однако до сих пор считалось, что их совместная жизнь с эукариотами началась гораздо раньше, едва ли не 2 млрд лет назад.

В целом такой подход, по словам авторов работы, позволяет снизить неопределённость временнóй оценки на 14–6%. Так что, возможно, палеобиологи вскоре смогут пользоваться не столь широкими и неопределёнными рамками, какие были в ходу до сих пор, особенно в отношении событий, происходивших миллиарды лет назад.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Более миллиарда лет прошло от появления одноклеточных до "изобретения" ядра клетки и рождения ряда других новшеств. Только тогда открылась дорога к первым многоклеточным существам, давшим начало трём царствам животных, растений и грибов. Европейские учёные выдвинули новое объяснение этого преображения, идущее вразрез с существовавшими до сих пор представлениями.

Эукариоты сумели завоевать мир в первую очередь потому, что придумали митохондрии – специализированные энергетические узлы клетки (на этой модели они показаны розовым) (фото Donald Bliss, Sriram Subramaniam, National Library of Medicine, NIH) Прокариоты (доядерные одноклеточные) родились приблизительно 3,8 миллиарда лет назад. Более продвинутые по строению организмы — эукариоты (их клетки содержат ядро) — возникли более двух миллиардов лет назад. И от них порядка одного миллиарда лет назад уже стартовала эволюция многоклеточных существ.

Длина митохондрий колеблется примерно от 1 до 70 микрометров, а диаметр – от 0,5 до 10 мкм (иллюстрация Odra Noel)Теперь два таких создания – Ник Лейн (Nick Lane) из университетского колледжа Лондона (UCL) и Уильям Мартин (William Martin) из института ботаники университета Дюссельдорфа – разработали оригинальную теорию. По ней выходит, что ключом к появлению эукариот стало не изобретение ядра (как рассуждали учёные 70 лет), а возникновение митохондрий.

Принято считать, что сначала от прокариот родились более совершенные ядерные клетки, полагавшиеся на старые энергетические механизмы, а уже позже новобранцы обзавелись митохондриями. Последним отводилась важная роль в дальнейшей эволюции эукариот, но не роль краеугольного камня, лежащего в самой её основе.

"Мы показали, что первый вариант не сработает. Для развития сложности клетки ей необходимы митохондрии", — поясняет Мартин. "Наша гипотеза опровергает традиционную точку зрения, будто переход к эукариотическим клеткам требовал только лишь надлежащих мутаций", — вторит ему Лейн.

По теории симбиогенеза, митохондрии (так же как и пластиды) первоначально были отдельными одноклеточными организмами. Их захватили другие клетки, превратив в эндосимбионтов. Постепенно "квартиранты" утратили способность к самостоятельному существованию и превратились в органоиды.

Уильям и Ник говорят, что этот удачный шаг случился лишь один раз за всю историю эволюции. Вместо того чтобы стать паразитом и эксплуатировать клетку-хозяина, убивая её, предок митохондрии и приютившая его клетка пошли на сотрудничество.

Число митохондрий (показаны красным) в одной клетке варьируется от единственного экземпляра (в основном в одноклеточных эукариотах) до двух тысяч (например, в клетках печени человека) (иллюстрация Odra Noel)Появление митохондрий в плане энергетики можно сравнить с изобретением ракеты после телеги, ведь ядерные клетки в среднем в тысячу раз больше по объёму, чем клетки без ядра.

Последние, казалось бы, тоже могут расти в размерах и сложности устройства (тут есть единичные яркие примеры). Но на этом пути крохотных существ ждёт подвох: по мере геометрического роста быстро падает отношение площади поверхности к объёму.

Между тем простые клетки генерируют энергию при помощи покрывающей их мембраны. Так что в крупной прокариотической клетке может быть полным-полно места для новых генов, но ей просто не хватит энергии для синтеза белков по этим "инструкциям".

Простое увеличение складок внешней мембраны положение не особо спасает (хотя и такие клетки известны). С данным способом наращивания мощности увеличивается и число ошибок в работе энергетической системы. В клетке накапливаются нежелательные молекулы, способные её погубить.

Митохондрии — блестящее изобретение природы. Увеличивая их количество, можно наращивать энергетические возможности клетки без роста её внешней поверхности. При этом каждая митохондрия обладает ещё и встроенными механизмами контроля и ремонта.

Сравнение энергетики разных клеток и их схемы. a) – средний прокариот (Escherichia), b) – очень крупный прокариот (Thiomargarita) и (c) средний эукариот (Euglena). На диаграммах показаны (сверху вниз): мощность (ватты) на грамм клетки (d), мощность (фемтоватты) на один ген (e) и мощность (пиковатты) на гаплоидный геном (f) (иллюстрации Nick Lane, William Martin/Nature)Авторы работы посчитали, что средняя эукариотическая клетка теоретически может нести в 200 тысяч раз больше генов, чем средняя бактерия. Эукариот можно представить как библиотеку с большим числом полок — заполняй книгами вволю. Ну а более протяжённый геном — это основа для дальнейшего совершенствования строения клетки и её метаболизма, появления новых регуляторных цепей.

По вычислениям Лейна и Мартина, на каждый ген своего наследственного кода эукариоты располагают на четыре-пять порядков большим запасом энергии, чем бактерии. С этой точки зрения бактерии находятся на дне энергетической пропасти, выбраться из которой они не могут.

Переход клеток к выработке энергии с помощью митохондрий можно сравнить с промышленной революцией. Вместо того чтобы линейно наращивать размер мануфактуры, клетки пошли на качественное изменение: они построили "завод" и поставили в него ряды специализированных "станков".

Потому, несмотря на миллиарды лет существования, прокариоты и поныне остались относительно простыми существами, а эукариоты давным-давно изобрели новые средства передачи сигналов между клетками и шагнули в сторону многоклеточных форм жизни. Нас с вами.

Теория европейских учёных, кстати, может пригодиться и в оценке вероятности существования сложных форм жизни на других мирах.

Дело в том, что примеры поглощения бактериями других клеток — крайне редки. Это означает, что, однажды возникнув, жизнь на многие эоны может задержаться на простой одноклеточной стадии. До тех пор, пока счастливый случай не поможет ей изобрести внутриклеточные энергетические фабрики. "Основные принципы являются универсальными. Даже инопланетянам необходимы митохондрии", — заключает Лейн. 

Источник: MEMBRANA

Надцарство: Эукариотов

Общие сведения

Эукарио́ты, или Я́дерные (лат. Eucaryota от греч. εύ- — хорошо и κάρυον — ядро) — надцарство живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и археев, являются ядерными.

Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты — все являются эукариотическими организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными, но все имеют общий план строения клеток. Считается, что все эти столь несхожие организмы имеют общее происхождение, поэтому группа ядерных рассматривается как монофилетический таксон наивысшего ранга. Важную роль в эволюции эукариот сыграл симбиогенез — симбиоз между эукариотической клеткой, видимо, уже имевшей ядро и способной к фагоцитозу, и проглоченными этой клеткой бактериями — предшественниками митохондрий и хлоропластов.

Существует несколько вариантов деления надцарства эукариот на царства. Первыми были выделены царства растений и животных. Затем было выделено царство грибов, которые из-за биохимических особенностей, по мнению большинства биологов, не могут быть причислены ни к одному из этих царств. Также некоторые авторы выделяют царства простейших, миксомицетов, хромистов. Некоторые системы насчитывают до 20 царств.

Сейчас каталогизировано 1 124 516 видов эукариотических организмов и предпологается, что на нашей планете обитает около 9,92 млн эукариотов из них в морях и океанах обитает около 2 150 000 видов среди 171 082 известных (табл.1). [1]

Табл. 1. Количество открытых и проживаемых видов эукареотических организмов.

Строение эукареотической клетки

Рис. 1. Эндомембранная система и её компоненты. Эукариотические клетки в среднем намного крупнее прокариотических, разница в объёме достигает тысяч раз. Клетки эукариот включают около десятка видов различных структур, известных как органоиды (или органеллы, что, правда, несколько искажает первоначальное значение этого термина), из которых многие отделены от цитоплазмы одной или несколькими мембранами. В прокариотических клетках всегда присутствуют клеточная мембрана, рибосомы (существенно отличные от эукариотических рибосом) и генетический материал — бактериальная хромосома, или генофор, однако внутренние органоиды, окруженные мембраной, встречаются редко. Ядро — это часть клетки, окружённая у эукариот двойной мембраной (двумя элементарными мембранами) и содержащая генетический материал: молекулы ДНК, «упакованные» в хромосомы. Ядро обычно одно, но бывают и многоядерные клетки.

Отличия эукариот от прокариот

Важнейшая, основополагающая особенность эукариотических клеток связана с расположением генетического аппарата в клетке. Генетический аппарат всех эукариот находится в ядре и защищен ядерной оболочкой (по-гречески "эукариот" значит имеющий ядро). ДНК эукариот линейная (у прокариот ДНК кольцевая и свободно плавает в цитоплазме). Она связана с белками-гистонами и другими белками хромосом, которых нет у бактерий. В жизненном цикле эукариот обычно присутствуют две ядерные фазы (гаплофаза и диплофаза). Первая фаза характеризуется гаплоидным (одинарным) набором хромосом, далее, сливаясь, две гаплоидные клетки (или два ядра) образуют диплоидную клетку (ядро), содержащую двойной (диплоидный) набор хромосом. Спустя несколько делений клетка вновь становится гаплоидной. Такой жизненный цикл и в целом диплоидность для прокариот не характерны.

Рис. 2. Диаграма типичной клетки животного. Отмеченные органоиды (органеллы): 1. Ядрышко, 2. Ядро, 3. Рибосома, 4. Везикула, 5. Шероховатый (гранулярный) эндоплазматический ретикулум, 6. Аппарат Гольджи, 7. Клеточная стенка, 8. Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум, 9. Митохондрия, 10. Вакуоль, 11. Гиалоплазма, 12. Лизосома, 13. Центросома (Центриоль). Третье, пожалуй, самое интересное отличие, — это наличие у эукариотических клеток особых органелл, имеющих свой генетический аппарат, размножающихся делением и окруженных мембраной. Эти органеллы — митохондрии и пластиды. По своему строению и жизнедеятельности они поразительно похожи на бактерий. Это обстоятельство натолкнуло современных ученых на мысль, что подобные организмы являются потомками бактерий, вступившими в симбиотические отношения с эукариотами. Прокариоты характеризуются малым количеством органелл, и ни одна из них не окружена двойной мембраной. В клетках прокариот нет эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, лизосом.

Не менее важно, описывая различия между прокариотами и эукариотами, сказать о таком явлении у эукариотических клеток, как фагоцитоз. Фагоцитозом (дословно "поедание") называют способность эукариотических клеток захватывать и переваривать самые разные твёрдые частицы. Этот процесс обеспечивает в организме важную защитную функцию. Впервые он был открыт И.И. Мечниковым у морских звезд. Появление фагоцитоза у эукариот скорее всего связано со средними размерами (далее о размерных различиях написано подробнее). Размеры прокариотических клеток несоизмеримо меньше и поэтому в процессе эволюционного развития перед эукариотами возникла проблема снабжения организма большим количеством пищи, и как следствие в группе эукариот появляются первые хищники.

Разнообразен и обмен веществ у бактерий. Вообще всего выделяют четыре типа питания, и среди бактерий встречаются все. Это фотоавтотрофные, фотогетеротрофные, хемоавтотрофные, хемогетеротрофные (фототрофные используют энергию солнечного света, хемотрофные используют химическую энергию). Эукариоты же либо сами синтезируют энергию из солнечного света, либо используют готовую энергию такого происхождения. Это может быть связано с появлением среди эукариотов хищников, необходимость синтезировать энергию, для которых отпала.

Ещё одно отличие — строение жгутиков. У бактерий они тонкие — всего 15—20 нм в диаметре. Это полые нити из белка флагеллина. Строение жгутиков эукариот гораздо сложнее. Они представляют собой вырост клетки, окруженный мембраной, и содержат цитоскелет (аксонему) из девяти пар периферических микротрубочек и двух микротрубочек в центре. В отличие от вращающихся прокариотическох жгутиков жгутики эукариот изгибаются или извиваются. Две группы рассматриваемых нами организмов, как уже было сказано, сильно отличаются и по своим средним размерам. Диаметр прокариотической клетки составляет обычно 0,5—10 мкм, когда тот же показатель у эукариот составляет 10—100 мкм. Объём такой клетки в 1000—10000 раз больше, чем прокариотической. У прокариот рибосомы мелкие (70S-типа). У эукариот рибосомы более крупные (80S-типа). [2]

 Эволюция эукариот

Первые эукариоты появились более 2 млрд лет назад. Последующие 1,5 млрд лет шло усложнение эукариотической клетки и примерно 630 млн. лет назад в эдикарском периоде появились первые многоклеточные существа. 

Предположительно первоначально в многоклеточные структуры объединялись простейшие хоанофлагеллаты, которые, как полагают, стоят на грани между одноклеточностью и многоклеточностью, образуют зародышеобразные колонии только с помощью бактериального липида, который получают из съеденных бактерий (прокариот). Следующим щагом было появление в этом же периоде первых настоящих многоклеточных макроогранизмов - эти организмы появились на Земле сразу после Мариноанского оледенения – одной из стадий глобального оледенения, когда нашу планету в течение многих миллионов лет сплошь покрывали льды. Первые многоклеточные существа были мягкотелыми организмами, состоящими из отдельных фракталов. Размеры их тела варьировались от одного сантиметра до одного метра. Выглядели они настолько необычно, что долгое время ученые спорили, к какому царству – растений или животных их можно отнести.

Около 480-460 млн лет назад в силурийском периоде на суше появились первые растения (по другим данным это произошло в верхнем кембрии 499-488 млн. лет назад), а еще спустя 50 млн лет в девонском периоде вслед за растениями на сушу вышли и первые животные (хотя существуют некоторые данные, показывающие, что первые сухопутные животные жили в силурийском (рис. 3) или даже вендском периодах). После этого начало бурное развитие всевозможных живых существ потомками, которых являемся и мы. [3]

Разделение классификации эукариот:

Сравнение геномов митохондрий эукариот и морских бактерий SAR11 привело учёных к выводу, что SAR11 и митохондрии произошли от одного общего предка.

Место митохондрий в родословной альфапротеобактерий (схема авторов)Миллиарды лет назад случилось одно из самых удивительных событий в истории жизни на Земле: какая-то бактерия вошла в эукариотическую клетку на правах постоянного симбионта и превратилась в клеточную органеллу митохондрию. Сейчас митохондрии выполняют в клетке энергетические функции, оставаясь до некоторой степени «государством в государстве»: у них есть своя ДНК, свой белкосинтезирующий аппарат, немного отличающийся от клеточного, и даже в генетическом коде у них есть свои особенности.

Учёные уже давно стараются определить, кого из бактерий можно назвать ближайшими родственниками митохондрий, но до сих пор всё ограничивалось лишь более или менее приблизительными гипотезами.

    Исследователи из Университета Гавайев и Орегонского университета (оба — США), которые предприняли масштабный поиск родственников митохондрий, сообщают в журнале Nature Scientific Reports, что их изыскания увенчались успехом. Учёные сравнили геномы различных супергрупп эукариот (архепластидовых водорослей, водорослей хромистов и простейших Excavata) с геномом бактерий SAR11. Эти альфапротеобактерии — родственники внутриклеточных паразитических бактерий риккетсий. Из-за риккетсий, способных к внутриклеточному паразитизму, альфапротеобактерии считались первыми среди кандидатов на роль предков митохондрий. Но, в отличие от риккетсий, бактерии группы SAR11 являются свободноживущими морскими организмами, к тому же самыми многочисленными (на их долю приходится от четверти до половины всей бактериальной биомассы моря); доминирующий род среди них — Pelagibacter. Их роль в экосистеме столь велика, что не будет преувеличением назвать их ответственными за круговорот углерода на Земле.

Трудность анализа состояла в том, что сравнивались не отдельные гены, а геномы. Но, по словам исследователей, именно такой подход позволил установить ближайшее родство между митохондриями и бактериями SAR11. Физиология позволяет им легко попасть в зависимость к другому организму, а многочисленность этой группы наводит на мысль о том, что в прошлом у SAR11 таких возможностей было множество.

Скорее всего, как заключают исследователи, и нынешние SAR11, и митохондрии имеют одного прямого предка. Если к этому добавить ещё и роль этих бактерий в экосистеме планеты, то Pelagibacter вполне можно уподобить мифической черепахе, держащей на себе всю биомассу Земли.

Источник:  КОМПЬЮЛЕНТА

Количество видов эукариотических организмов на нашей планете примерно равно 8,7 миллиона. Правда, на сегодня описано только 15%, а потому на открытие оставшихся видов у биологов может уйти около пятисот лет.

Один из новооткрытых видов — рыба Halieutichthys intermedius, обнаруженная в 2010 году в водах Мексиканского залива (фото LLW Productions)Карл Линней предложил бинарную номенклатуру для описания видов живых существ и заложил основы современной классификации живого мира более 250 лет назад. За это время было открыто и классифицировано около 1,2 млн видов животных и растений. И чем больше биологи делали открытий, тем чаще они задумывались о том, сколько всего на Земле живого. Примерные оценки варьировались от 3 до 100 млн.

Группа учёных из Дальхаузского университета (Канада) предлагает свой, «наиболее корректный» способ оценки биоразнообразия планеты. По её прикидкам, опубликованным на сайте PLoS Biology, общее число видов живых существ примерно равно 8,7 млн плюс-минус 1,3 млн.Ещё один вид-2010 — паук Caerostris darwini с Мадагаскара, плетущий сети диаметром 25 метров (фото galileo.gallery)

В своей работе исследователи опирались на существующую таксономическую систему живых организмов. Животные и растения описываются таксономическими рангами всё более высокого порядка: вид — род — семейство — порядок (отряд) и т. д. Число видов всегда больше, чем число родов, а число родов всегда больше, чем количество семейств, так что соотношение таксономических рангов между собой можно представить в виде пирамиды. Учёные использовали численную пропорцию, связывающую разные ступени пирамиды, для предсказания того, сколько живности насчитывает её самая нижняя (видовая) ступень. Этот метод, по их словам, работает не только со всей таксономической массой видов, но и с её подразделениями. Так, полученные видовые результаты согласуются с реальным положением дел у млекопитающих, птиц, рептилий и амфибий.

Итак, по расчётам канадцев, в Мировом океане обитает 2,2 млн видов, на суше — 6,5 млн. Животных на планете всего около 8,7 млн видов, грибов — 611 тыс., растений — 300 тыс. При этом растениям повезло больше всего: из них описано 72% видов, тогда как животных — 12%, грибов — только 7%.

Необходимо отметить, что исследователи занимались лишь эукариотами и не пытались предсказать число видов бактерий. С другой стороны, современная систематика — наука динамичная, многие таксоны меняют своё место в иерархии, систематическое положение многих видов не застраховано от изменений.

Представление о том, сколько видов живёт на Земле, может быть полезно не только с теоретической, но и с практической точки зрения, поскольку это позволит более точно оценивать влияние человека и его роль в биосфере. Что же до «простых зоологов», непонятно, радоваться им открывшемуся изобилию или наоборот: за последние 250 лет было описано менее 15% видов, и, если не принимать в расчёт сокращение биоразнообразия, на открытие оставшихся животных и растений должно уйти около 480 лет.

Источник:  КОМПЬЮЛЕНТА

Простейшие хоанофлагеллаты, которые, как полагают, стоят на грани между одноклеточностью и многоклеточностью, образуют зародышеобразные колонии только с помощью бактериального липида, который получают из съеденных бактерий.

Хоанофлагеллаты одиночные (слева) и образующие колонии после питания бактериями (справа) (фото авторов работы)Хоанофлагеллаты, группа одноклеточных эукариот со жгутиками, могут как жить поодиночке, так и образовывать колонии. Именно поэтому едва ли не с начала позапрошлого века они пользуются повышенным вниманием учёных: по мнению многих, эти простейшие должны помочь раскрыть тайну перехода от одноклеточных форм жизни к многоклеточным. Колонии хоанофлагеллат образуются подобно делящемуся зародышу: новые дочерние клетки не отрываются друг от друга и не уходят в свободное плавание, а остаются соединёнными. Кроме того, в последнее время в геноме у хоанофлагеллат нашли ряд генов, который сближает их с истинно многоклеточными организмами.

Однако до сих пор учёным с большим трудом удавалось вызвать образование колоний у этих простейших в лабораторных условиях. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли (США) нашли неожиданный компонент, который помогает клеткам хоанофлагеллат оставаться вместе после деления. Оказалось, что становиться «многоклеточными» им помогают бактерии, которых хоанофлагеллаты едят. Учёные обратили внимание на то, что после обработки антимикробными реагентами хоанофлагеллаты вообще теряли способность формировать колонии.

Исследователи, предположившие, что бактерии как-то задействованы в образовании колоний, протестировали около 60 видов бактерий, чтобы выяснить, будут ли они помогать хоанофлагеллатам держаться вместе. В итоге был найден один вид —  Algoriphagus machipongonensis из группы Bacteroidetes. (Виды этой группы неоднократно замечались в сотрудничестве с разными эукариотами: некоторые из Bacteroidetes участвуют в развитии водорослей, другие помогают сформироваться иммунитету у млекопитающих, являясь компонентом кишечной микрофлоры.) Хоанофлагеллаты, питавшиеся A. machipongonensis, были весьма склонны к образованию характерных розеткообразных колоний. Ключевой молекулой тут оказался бактериальный сульфолипид, названный RIF-1 (Rosette-Inducing Factor 1).

Выяснилось также, что колонии хоанофлагеллатов эффективней поглощают бактерии, чем одиночные клетки. Это указывает на некоторое противоречие: зачем бактериям синтезировать вещество, которое в итоге помогает поедать их? Впрочем, не исключено, что у самих A. machipongonensis этот сульфолипид выполняет некие важные функции, отсюда и пренебрежение столь опасным побочным эффектом.

Статья с результатами исследования в скором времени выйдет в журнале eLife .

Хоанофлагеллат нельзя считать прямыми предками многоклеточных организмов. Однако не исключено, что когда-то первые эукариоты действительно пошли по такому пути: решив из одноклеточных стать многоклеточными, они могли воспользоваться бактериальным ресурсом, благо бактерий в те времена (как и сейчас) было видимо-невидимо. И всё же следует помнить, что это лишь одна из гипотез о происхождении многоклеточности, пусть и получившая сейчас чуть больше очков, чем остальные.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА