167

Симбиоз

Часть 1


Часть 2

Часть 3. Как бактерии превращаются в органеллы


После приобретения митохондрий и пластид эукариоты вовсе не утратили способности к заглатыванию и "приручению" бактерий. Этот процесс продолжается и по сей день. Многие одноклеточные эукариоты (амебы, инфузории и другие) прямо-таки нашпигованы всевозможными симбиотическими прокариотами. Например, инфузории, обитающие в рубце жвачных, и жгутиконосцы, населяющие кишечник термитов, содержат в своей цитоплазме симбиотических бактерий, помогающих им переваривать клетчатку (целлюлозу). Такие симбиотические системы напоминают матрешку: в корове — инфузории, в инфузориях — бактерии.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Зачем корова так тщательно пережевывает траву? Очень просто: кусочки травы должны стать достаточно маленькими, чтобы их могли проглотить симбиотические инфузории. Но и инфузория сама не может переварить целлюлозу и перепоручает это непростое дело своим собственным симбионтам — бактериям.


Иногда бактерии и сами проявляют инициативу, изобретая различные способы проникновения в клетки эукариот. В этом случае велика вероятность того, что внутриклеточная бактерия станет не полезным симбионтом, а вредным паразитом. Впрочем, независимо от того, как будут складываться взаимоотношения внутриклеточных бактерий с хозяином, судьба их в некотором смысле предопределена.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Жизнь внутри чужой клетки способствует постепенному упрощению и деградации. Внутриклеточные бактерии начинают идти по тому же пути, по которому когда-то прошли митохондрии и пластиды, то есть теряют свои гены, становятся все более зависимыми от хозяина и постепенно превращаются из самостоятельных организмов в нечто, очень напоминающее органеллы. У одних внутриклеточных бактерий этот процесс зашел уже очень далеко, у других он только начинается.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Мы рассмотрим два самых крайних случая, в одном из которых внуктриклеточная бактерия, можно сказать, еще даже не начала упрощаться и терять гены, а в другом — практически уже стала органеллой, побив все рекорды генетической дегенерации.


Первая из двух рекордсменок — бактерия Ruthia magnified, внутриклеточный симбионт, обитающий в тканях двустворчатого моллюска Calyptogena magnifica.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Этот симбиотический "сверхорганизм" обитает на дне моря на большой глубине вблизи гидротермальных источников. Надо сказать, что дно океанов на глубине нескольких километров обычно довольно пустынно, и вовсе не потому, что живые организмы не выдерживают высокого давления. Лимитирующим фактором является пища: свет сюда не проникает, фотосинтез невозможен, и донные животные могут питаться лишь теми скудными крохами, которые падают сверху, из освещенных слоев воды, где жизнь гораздо богаче.

Однако там, где из морского дна просачивается сероводород или метан, расцветают настоящие оазисы жизни. Существуют они за счет хемоавтотрофных бактерий, окисляющих H2S и СН4 при помощи кислорода.


Тут я прошу на минуту отвлечься и осознать: они едят сероводород и метан! 

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Выделяющуюся в ходе этой химической реакции энергию бактерии используют для синтеза органических веществ из углекислого газа. Все животные, обитающие в гидротермальных оазисах (черви, моллюски, креветки), либо питаются этими бактериями, отфильтровывая их из воды, либо вступают с ними в симбиоз, поселяя бактерий на поверхности своего тела или даже внутри него. Сообщества морских гидротерм интересны тем, что они, в отличие от большинства других экосистем, существуют за счет энергии земных недр, а не солнечного света. Они почти независимы от окружающей биосферы, если не считать того, что кислород, образуемый где-то там наверху фотосинтезирующими организмами, им все-таки необходим.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Автотрофные внутриклеточные симбионты гидротермальных животных по своей функциональной роли напоминают пластиды. Разница лишь в источнике энергии, используемой для синтеза органики: пластиды используют солнечный свет (то есть являются фотоавтотрофами), а гидротермальные бактерии — энергию химических реакций (хемоавтотрофы).

Гигантский моллюск Calyptogena magnifica был одним из первых гидротермальных животных, описанных в научной литературе (его описали в 1980 году, вскоре после открытия глубоководных гидротерм). Пищеварительная система моллюска сильно редуцирована, и почти все необходимое он получает от живущего в его клетках бактериального симбионта.

Как выяснилось, у Ruthia magnifica, несмотря на внутриклеточный образ жизни, генетическая дегенерация зашла совсем недалеко. Размер генома бактерии — 1,2 млн пар нуклеотидов. Для свободноживущих бактерий это маловато, но для внутриклеточных — очень много (больше, чем у всех прочих внутриклеточных бактерий с прочтенным геномом). У Ruthia magnifica, судя по набору генов, сохранились все метаболические пути, характерные для свободноживущих хемоавтотрофов. У нее присутствуют, например, все гены, необходимые для фиксации С02, для окисления восстановленных соединений серы, для синтеза различных кофакторов и витаминов, а также всех 20 аминокислот (в этом отношении Ruthia превосходит всех остальных изученных внутриклеточных микробов).

Анализ генома подтвердил, что бактерия, как и предполагалось, фиксирует неорганический углерод при помощи несколько искаженного цикла Кальвина, а энергию для этого получает за счет окисления соединений серы. Когда сероводород имеется в избытке, бактерия окисляет его до серы, которая в виде гранул хранится в бактериальных клетках "на черный день". Эти запасы впоследствии могут использоваться для дальнейшего окисления (до сульфита, а затем и до сульфата, который выводится из клетки специальными белками-транспортерами). В геноме бактерии имеются все необходимые гены для осуществления этих реакций.

Моллюск-хозяин активно снабжает своего симбионта необходимой ему пищей: в крови моллюска обнаружен особый цинк-содержащий белок, предназначенный для связывания и транспортировки сероводорода. У бактерии есть также полный набор генов, необходимых для кислородного дыхания. Это означает, что микроб, как и предполагалось, использует в качестве окислителя кислород, которым его тоже обеспечивает хозяин. Имеются также наборы генов для таких важных метаболических путей, как гликолиз и цикл Кребса. Все это есть и у хозяина, и бактерия могла бы просто брать готовые продукты извне, однако не делает этого.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Бактерия снабжает своего хозяина аминокислотами и витаминами. Кроме того, она способна утилизировать отходы его жизнедеятельности, такие как аммоний. Это вещество бактерия всасывает из тканей хозяина и использует к обоюдной пользе, например, для синтеза тех же аминокислот.

Главной особенностью Ruthia magnifica, конечно, является ее удивительная биохимическая самостоятельность. Такого полного набора генов, необходимых для основных биохимических процессов, свойственных свободноживущим хемоавтотрофам, ни у одной другой внутриклеточной бактерии не обнаружено. По-видимому, симбиотическая система Calyptogena magnifica — Ruthia magnifica находится на ранней стадии эволюционного становления и симбионт еще не успел далеко продвинуться по пути неизбежной в его положении деградации.

Противоположный пример, показывающий, как далеко может зайти микроб по пути превращения в органеллу, дает бактерия Carsonella. Карсонелла живет в клетках листоблошек — мелких, похожих на тлей насекомых, питающихся исключительно соком растений.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Как и другие насекомые, придерживающиеся этой более чем скромной диеты (например, тли и клопы), листоблошки обзавелись бактериальными помощниками, которые синтезируют для них необходимые вещества, отсутствующие в растительном соке, в первую очередь аминокислоты. Тут вернее будет сказать, что удачный симбиоз оказался решающим фактором, который позволил листоблошкам (и другим насекомым) перейти на питание чистым растительным соком. Предполагается, что перед тем, как стать внутриклеточными симбионтами, предки карсонеллы жили в кишечнике насекомых.

У карсонеллы наблюдаются все три основных признака генетической деградации, свойственной внутриклеточным бактериям: сокращение генома в результате потери почти всех некодирующих участков ДНК и значительной части генов, резкое преобладание в ДНК нуклеотидов А и Т и, соответственно, низкое содержание Г и Ц и быстрая молекулярная эволюция, то есть повышенный темп изменения ДНК в ряду поколений.

По первому и второму пункту карсонелла побила все прежние рекорды. Ее геном втрое меньше, чем у архей Nanoarchaeum equitans, которая живет в гидротермальных источниках и паразитирует на другой архее — Ignicoccus (Это единственный случай, когда один прокариотический организм является облигатным (обязательным) паразитом другого)— и одной из разновидностей бактерии Buchnera, внутриклеточного симбионта тлей. У этих двух прокариот размер генома составляет 450-490 тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.), и раньше именно они считались рекордсменами генетического упрощения. Карсонелла с ее 160 т.п.н. оставляет конкурентов далеко позади.

Симбиоз Александр Марков, Биология, Эволюция, Длиннопост

Геном карсонеллы по размеру вполне сопоставим с геномом митохондрий. Типичные размеры митохондриальных геномов: 40-100 т.п.н. у низших эукариот, 200-400 т.п.н. у растений, 15-20 т.п.н. у животных.


Само собой разумеется, что карсонелла не может жить вне клеток хозяина и передается только вертикально — от матери к ее детям (как и митохондрии). Сохранившихся у карсонеллы генов явно недостаточно для поддержания ее жизни — даже с учетом того, что она может пользоваться всеми благами внутриклеточного существования. Очевидно, что специализированные хозяйские клетки — бактериоциты — целенаправленно поддерживают жизнь симбионтов. Вполне возможно (хотя и не доказано наверняка), что многие гены, утраченные предками карсонеллы, были перенесены в геном хозяина, где они продолжают функционировать, обеспечивая бактерию необходимыми веществами извне. Как мы помним, именно это произошло когда-то с генами предков митохондрий.

Наука | Научпоп

6.2K постов69.5K подписчика

Добавить пост

Правила сообщества

ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.

Основные условия публикации

- Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.

- Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.

- Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.

- Видеоматериалы должны иметь описание.

- Названия должны отражать суть исследования.

- Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.


Не принимаются к публикации

- Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.

- Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.

- Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.


Наказывается баном

- Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.

- Попытки использовать сообщество для рекламы.

- Фальсификация фактов.

- Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.

- Троллинг, флейм.

- Нарушение правил сайта в целом.


Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.

Подробнее
Лучшие посты за сегодня
7158

Запрет

Запрет
5493

Хороший лайфхак

Хороший лайфхак
5236

Новое занятие

4373

Уставший учитель делает «счастливое выражение лица» перед тем, как войти в класс с учениками

4223

Новая мама

Новая мама Комментарии на Пикабу, Скриншот, Юмор, Дети, Комментарии, Повтор
3710

Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье

Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Как выглядели бы известные логотипы в Средневековье Искусство, Художник, Мемы, Юмор, Средневековье, Бренды, Логотип, Дизайн, Длиннопост, Страдающее Средневековье
Показать полностью 10
3669

Как я решила проблему со сном

3482

Гарри Поттер и дары дизентерии

Гарри Поттер и дары дизентерии  Гарри Поттер, Негры, Черный юмор, Инфекция, Антисанитария, Картинка с текстом, Кишечная палочка
3310

Неизменная классика

Неизменная классика Компьютерные игры, Авто, Гонки, Шоколад Алёнка, Конфеты, Магазин, Трибуна, Зрители, Игры, Юмор, Мемы, Повтор
3182

А от The Beatles до сих пор выходят

А от The Beatles до сих пор выходят Музыка, Юмор, Людвиг Ван Бетховен, Олег, Мат
3141

Тренер...

3088

Власти Чечни показали видео с вывезенной силовиками в Грозный женой судьи


Показать полностью
3037

Выбираем флаг!

Выбираем флаг!
2951

Человек...

Показать полностью
2884

Some непонятные words

Some непонятные words Twitter, Новояз, Найм, Англицизмы, Длиннопост, Скриншот
Some непонятные words Twitter, Новояз, Найм, Англицизмы, Длиннопост, Скриншот
Показать полностью 2
2530

Что если…

Что если…
2523

Упрёк)

2470

Хоббит

Хоббит
2455

Босс

Босс Картинка с текстом, Юмор, Комиксы, Бэтмен, DC Comics, Супергерои
Показать полностью 1
2408

Ответ на пост «Когда нашел тайную комнату родителей» 

Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: