Прокаріоти: біля підніжжя піраміди життя. Інтерв'ю з чл.-кор. РАН Є.А. Бонч-Осмоловській

Бактерії та археї були першими живими організмами, що з'явилися на планеті. З того часу минуло понад 2 млрд років, але ці невидимі істоти, як і раніше, виконують незамінні функції в кругообігу життя на Землі. Про мікроби та їх роль у розвитку біосфери розповідає мікробіолог Єлизавета Олександрівна Бонч-Осмоловська.

Довідка. Єлизавета Олександрівна Бонч-Осмоловська – член-кореспондент РАН, доктор біологічних наук, завідувач кафедри мікробіології біологічного факультету МДУ ім. М.В. Ломоносова, завідувач відділу біології екстремофільних мікроорганізмів в Інституті мікробіології ім. С.М. Виноградського РАН, президент Міжрегіонального (Російського) мікробіологічного товариства.

― Бактерії ― найдавніші організми на нашій планеті?

― Бактерії та археї відносяться до прокаріотів ― одноклітинних організмів, які не мають клітинного ядра та інших внутрішньоклітинних органел. Вони справді найдавніші організми на Землі. При цьому бактерії та археї на відміну від вірусів здатні до самостійного існування у природному середовищі. Клітини і тих і інших дуже маленького розміру і дуже схожі, але ці дві групи без'ядерних мікроорганізмів, прокаріотів, мають великі відмінності в базових механізмах життєдіяльності і тому віднесені до різних доменів: Archaea і Bacteria. Третій домен - еукаріоти (Eukarya): організми, у клітинах яких є ядро До них належимо і ми з вами.

Бактерії та археї були першими живими організмами на Землі та залишалися її повноправними господарями протягом понад 2 млрд років.

Будова бактеріальної клітини. Джерело: Foxford.ru

- Сьогодні вони, як і раніше, залишаються найчисленнішими живими організмами на планеті?

― Обчислити точну біомасу прокаріотних спільнот досить складно. Вважається, що біомаса бактерій і архей на Землі можна порівняти з біомасою всіх інших живих істот: вони точно не поступаються іншим організмам за своєю численністю, а можливо, і перевершують їх. Бактерії та археї присутні практично всюди: у воді, ґрунті, опадах водойм, глибоко під землею, під дном океану, у гарячих джерелах та у вічній мерзлоті.

― Бактерії створили первинну атмосферу Землі та першими виробили схему кисневого дихання. Як це сталося?

― Так, можна сказати, що нашу атмосферу «надихали» ціанобактерії. Їх довгий час називали синьо-зеленими водоростями, тому що вони виглядають як одноклітинні водорості, але насправді це прокаріоти, адже вони не мають ядра. Ціанобактерії здатні здійснювати такий складний процес, як кисневий фотосинтез - створення нової органічної речовини з CO₂ за рахунок енергії сонячного світла, причому як донора електронів при цьому виступає вода. У ході цього процесу утворюється вільний кисень і, як наслідок, киснева атмосфера.

Запасання енергії в процесі дихання відбувається при переносі електронів ланцюжком білків-переносників. Акцепторами електронів при диханні прокаріотів можуть бути і кисень, та інші окислювачі. Але найбільше енергії виділяється, якщо окислювач служить кисень. І тому кисневе дихання стало основним енергетичним процесом, завдяки якому у процесі еволюції могли з'являтися дедалі складніші живі системи.

― При цьому в природі досі існують анаеробні мікроорганізми, які не потребують кисню. Чому вони так і не навчилися дихати їм, як усі інші? Кисню на всіх не вистачило?

― Не забувайте, що до того, як 2,5 млрд років тому на Землі з'явився у достатній кількості вільний кисень, усе життя на планеті було анаеробним. Після появи кисневої атмосфери на Землі все ще залишалося багато місць проживання, позбавлених кисню, де продовжували жити анаеробні мікроорганізми. Міцно займаючи свою екологічну нішу, вони не відчували гострої необхідності еволюціонувати далі, та й анаеробні процеси не давали достатньої енергії для ускладнення життєвих форм. Незважаючи на це, вони чудово дожили до наших днів і, як і анаеробні місцеперебування, існують на планеті в значній кількості.

Бактерії практично всеїдні. За мільярди років еволюції вони навчилися харчуватися світлом, нафтою, газом, антибіотиками та навіть пластиком. Джерело фото: фотобанк 123RF

― Бактерії були відкриті Антоні ван Левенгуком ще в XVII ст., але потім мікробіологія була забута аж до XIX–XX ст. Така прогалина у знаннях якось позначилася на теорії еволюції Чарлза Дарвіна? Чи враховувалася якось роль мікроорганізмів під час створення цієї теорії?

― Я б сказала, що мікроорганізми стоять особняком і не дуже впливають на суть теорії еволюції. Думаю, що жодного конфлікту тут немає. У другій половині ХІХ ст., коли ця теорія створювалася, про еволюцію мікроорганізмів було відомо дуже мало, і лише наприкінці XX ст. вченим вдалося вперше побудувати ієрархічну систему прокаріотів, що відображає історію їх походження.До речі, зараз експериментально доведено, що еукаріоти, включаючи нас з вами, походять від злиття клітини археї з клітиною бактерії.

- Одна клітка з'їла іншу?

- Не з'їла, а просто з'єдналася з нею. Відповідно до теорії симбіогенезу, клітини бактерій, злившись із клітинами архей, перетворилися на мітохондрії, тобто внутрішньоклітинні органели, що забезпечують клітину археї енергією. Клітина археї, що поглинула бактерію і стала еукаріотною клітиною, отримала багато переваг з точки зору ефективності метаболізму, стійкості, виживання. Це стало потужним поштовхом для подальшої еволюції.

- Це був симбіоз?

- Так. У 2019 р. японський вчений Кен Такаї та його колеги експериментально підтвердили знахідку, зроблену раніше за допомогою молекулярно-генетичних методів, реальне існування сучасних архей, предків еукаріотів. Їм вдалося виростити лабораторну культуру цієї археї, яка може рости лише у парі із бактерією. Їхній метаболізм тісно пов'язаний. Бактерія поглинає продукти життєдіяльності археї, тим самим полегшуючи їй зростання, і харчується сама. Звідси один чи, можливо, кілька кроків до появи еукаріотів.

― А як же боротьба та її роль в еволюції? На цьому прикладі ми бачимо лише кооперацію.

― На мій погляд, висновки, отримані завдяки цьому експерименту, чудово вписуються у теорію еволюції.

Можливо, спочатку у природі між цими клітинами конкуренція і була, але ми просто не бачимо її слідів. Адже у нас немає жодних копалин матеріальних свідчень цих ранніх етапів еволюції. Від стародавнього прокаріотного світу практично нічого не залишилося, і ми точно не знаємо, що саме там відбувалося.

Проте за останні роки вченим вдалося отримати велику кількість нової інформації завдяки молекулярно-біологічним та біоінформатичним методам аналізу природних екосистем: було знайдено дуже багато мікробів, невідомих у лабораторних культурах. Біологи змогли зібрати їх повні геноми та дослідити властиві їм властивості, суттєво поповнивши наші знання про метаболічну різноманітність прокаріотів. Однак описувати геноми та передбачати властивості мікробів ми можемо тільки на підставі того, що вже відомо завдяки роботі з лабораторними культурами. При цьому, наприклад, майже половина всіх генів архей - це гени, що кодують білки з невідомими функціями.

Таким чином, багато властивостей мікроорганізмів (як культивованих, так і некультивованих) досі залишаються прихованими від нас.

― Роль бактерій у нашій біосфері, як і раніше, дуже істотна?

― Звісно, ​​це не змінилося. Бактерії та археї здійснюють величезну кількість біологічних реакцій на нашій планеті. Наприклад, азот на Землі в основному присутній у вільному вигляді в атмосфері, його дуже важко мобілізувати, адже він необхідний для побудови білків та амінокислот.

Доступним всім живих істот азот роблять прокариоты. Я думаю, що їхня роль в азотному харчуванні тварин і рослин досі недооцінена.

Робота прокаріотних угруповань сприяє остаточній переробці викопної органічної речовини в природний газ. Джерело фото: фотобанк 123RF

― Не забудемо і про розкладання відходів.

― Не тільки відходів діяльності людини, а й величезної кількості біомаси рослин і тварин, що щорічно відмирає, — вона розкладається мікроорганізмами, у тому числі мікроскопічними грибами.Але тільки бактерії та археї можуть за відсутності кисню розкладати складні полімерні субстрати, утворені рослинами та тваринами, до найпростіших молекул, які знову повертаються у так звані біогеохімічні цикли. Невидимі мікроби змушують «крутитися» всі цикли елементів Землі, та його роль нашої біосфери безцінна.

― Мікробіологи, у тому числі в МДУ, досліджують здатність бактерій розкладати пластик. А чи можуть бактерії поїдати пластик не в лабораторних умовах під наглядом вчених, а самостійно в природі?

― Судячи з усього, для розкладання пластику бактерії використовують не нові, набуті ферменти, а ті, що вже давно є в їхньому розпорядженні, зокрема ферменти, за допомогою яких розкладаються рослинні біополімери.

Звичайно, розкладання пластику бактерії можуть займатися і в природних умовах, але ці процеси, на жаль, протікають дуже повільно.

У лабораторіях справи йдуть не набагато краще, і на даний момент спад пластику під впливом мікробів становить на місяць лише кілька відсотків від загальної маси пластику - це дуже мало. Тим часом пластик накопичується на планеті у величезних кількостях, і пошук мікроорганізмів, здатних утилізувати його, важливе наукове завдання.

Спільно із колегами з Інституту мікробіології ім. С.М. Виноградського РАН ми намагаємося знайти термофільні мікроорганізми, здатні розкладати різні види пластику, насамперед поліетилен та поліетилентерефталат. Висока температура робить їх доступнішими для розкладання: змінюється структура полімеру, пластик стає більш пухким. Для своїх експериментів ми використовуємо мікробів, що ростуть за температури від 80° C.Таким чином, на структуру пластику одночасно діють і температура, і ферменти, які виділяються мікробами. Результати вже є, але поки що я не можу назвати їх стабільними, і причина такої виборчої руйнації пластика незрозуміла. Але наші дослідження продовжуються.

― Сподіваюся, що відповіді буде знайдено. Дякую за цікаву розмову!