Почти вся сложная жизнь на Земле — от дуба и гриба до человека — построена из клеток одного типа. У них есть ядро, внутренние «отсеки» и митохондрии, которые обеспечивают клетку энергией. Но около двух миллиардов лет назад ничего подобного, судя по всему, ещё не существовало. Мир принадлежал гораздо более простым клеточным организмам.

Одна из главных загадок эволюции заключается в том, как относительно простые микроорганизмы совершили этот огромный скачок.

Теперь учёным удалось вырастить в лаборатории необычный союз двух современных микроорганизмов, который может напоминать один из ранних этапов этого процесса. Архея и бактерия живут рядом, потенциально обмениваются необходимыми друг другу веществами и даже соединяются тонкими трубками. Исследователи впервые смогли рассмотреть эти контакты в трёх измерениях с помощью криоэлектронной томографии. Работа опубликована в журнале Current Biology. И способ их совместной жизни оказался удивительно похож на один из сценариев, которыми биологи объясняют появление первых сложных клеток.

Когда две клетки решили жить вместе

Главного героя исследования назвали Nerearchaeum marumarumayae. Он относится к археям Asgard — очень необычной группе микроорганизмов, которую биологи считают ближайшими известными родственниками той древней ветви архей, из которой появились эукариоты.

Эукариотами называются организмы со сложными клетками: животные, растения, грибы и множество одноклеточных существ.

Связь Asgard с нами прослеживается даже на уровне генов. В их геномах обнаружены сотни белков, похожих на те, которые у эукариот участвуют в организации клетки, движении веществ и работе внутреннего «скелета». За последние годы генетические исследования всё сильнее указывают на ключевую роль этой группы в появлении сложной клеточной жизни.

Проблема в том, что изучать их чрезвычайно сложно. Большинство архей Asgard известны учёным только по ДНК, извлечённой из морского грунта. Вырастить живые клетки в лаборатории удаётся исключительно редко: они медленно размножаются, требовательны к условиям и часто не способны нормально существовать без других микроорганизмов. И именно эта зависимость может быть самым интересным их свойством.

Рядом с археей поселилась бактерия

Новый микроорганизм удалось получить из микробных матов Шарк-Бей в Западной Австралии — плотных сообществ микроорганизмов, которые живут слоями на мелководье.

Полностью отделить Nerearchaeum от соседей исследователи не смогли. В лабораторной культуре архея составляла около 89%, но рядом с ней стабильно жила бактерия Stromatodesulfovibrio nilemahensis.

Поначалу такое соседство могло показаться просто неудобством: получить совершенно чистую культуру опять не удалось. Но затем учёные присмотрелись к этой паре внимательнее.

Геном археи показывает, что она может производить водород, ацетат, формиат и другие соединения, потенциально полезные её соседу. Бактерия, в свою очередь, способна синтезировать некоторые аминокислоты и витамины, которые могут понадобиться архее.

Иначе говоря, два очень разных микроорганизма потенциально способны кормить друг друга тем, чего каждому из них не хватает. Такое взаимовыгодное существование называется синтрофией.

Само по себе оно среди микробов не редкость. Гораздо интереснее оказалось то, насколько близкими стали отношения двух клеток.

Между клетками появились настоящие мостики

Исследователи заморозили микроорганизмы максимально быстро, чтобы сохранить их почти в естественном состоянии, а затем рассмотрели с помощью криоэлектронной томографии.

У Nerearchaeum обнаружилась довольно необычная архитектура. Клетки формировали цепочки небольших пузырьков-везикул, соединённых с основной клеткой наружными волокнами. Внутри находились трубчатые и похожие на клетки структуры.

Но особенно удивительным оказался контакт с бактерией. Между двумя микроорганизмами исследователи увидели межклеточные трубчатые структуры, протянутые от одной клетки к другой. Судя по наблюдениям, формирует их бактерия.

Учёные пока не доказали, что именно передаётся по этим трубкам. Поэтому называть их своеобразным «пуповинным шнуром» между клетками было бы преждевременно.

Но сам факт физического контакта очень важен. Потому что один из возможных сценариев рождения сложной жизни начинается примерно с такой же тесной дружбы двух совершенно разных организмов.

Один микроб однажды оказался внутри другого

Сегодня митохондрии находятся практически во всех наших клетках. Они превращают питательные вещества в энергию и потому часто называются «энергетическими станциями клетки».

Но когда-то митохондрии были отдельными бактериями. Об этом свидетельствует множество деталей: у них есть собственная ДНК, они размножаются независимо внутри клетки, а их строение и биохимия сохраняют признаки бактериального происхождения.

Согласно наиболее распространённым моделям, примерно два миллиарда лет назад предок современных эукариот вступил в симбиоз с бактерией. Со временем партнёры стали настолько зависимы друг от друга, что превратились фактически в единый организм. Бактерия стала митохондрией.

И именно после этого на Земле появились клетки принципиально нового уровня сложности, из которых гораздо позже возникли животные, растения и грибы. Генетические исследования сегодня указывают, что клеткой-хозяином, вероятно, была архея, родственная современным Asgard.

Как именно началось это партнёрство, остаётся предметом споров.

Нужно объяснить, каким образом два самостоятельных микроорганизма сначала начали обмениваться веществами, затем сблизились физически, а в конце концов один оказался внутри другого.

И лабораторная пара Nerearchaeum и Stromatodesulfovibrio показывает, как мог выглядеть хотя бы один из ранних шагов.

Но это не повтор рождения нашей клетки

Бактерия не поселилась внутри археи и не превратилась в новую митохондрию. Исследователи также не утверждают, что именно такие два вида были предками эукариот.

Между современной лабораторной культурой и событием двухмиллиардной давности лежит огромная эволюционная дистанция.

Авторы формулируют результат осторожнее: наблюдаемые отношения могут отражать раннюю стадию симбиотической эволюции, которая в далёком прошлом привела к появлению сложных клеток.

Но даже возможность увидеть такую систему вживую уже исключительно важна.

До недавнего времени большая часть рассуждений об Asgard строилась по последовательностям ДНК. Учёные знали, какие гены существуют у этих микроорганизмов, но гораздо хуже представляли, как выглядят сами клетки и как они взаимодействуют с соседями.

Теперь эти отношения можно буквально рассматривать под микроскопом.

Почему Asgard так долго оставались почти невидимыми

Первая Asgard-архея, которую удалось стабильно выращивать в лаборатории, стала научной сенсацией в 2020 году. Исследователям понадобилось около 12 лет, чтобы получить культуру Prometheoarchaeum syntrophicum. Она росла чрезвычайно медленно и тоже зависела от микробов-партнёров.

С тех пор число доступных для непосредственного изучения представителей Asgard постепенно растёт.

В 2023 году учёные впервые подробно показали сложный внутренний «скелет» одной из таких архей. В 2026 году анализ сотен новых геномов показал гораздо большее разнообразие их способов обмена веществ, а моделирование белков обнаружило ещё сотни структур, напоминающих компоненты сложных клеток.

Каждая новая культура добавляет ещё одну часть к пазлу, которому около двух миллиардов лет.

Причём постепенно Asgard начинают выглядеть не как примитивные клетки, из которых каким-то невероятным скачком возникло всё остальное, а как довольно необычные организмы со сложным строением и тесными отношениями с соседями.

Самая важная революция могла начаться с обмена едой

В истории жизни были события гораздо заметнее: выход животных на сушу, появление динозавров, возникновение цветковых растений или человека. Но все они произошли уже после более фундаментального изменения.

Когда-то на Земле существовали только относительно простые клеточные организмы. Затем появилась клетка нового типа — большая, энергетически мощная и способная создавать сложные внутренние структуры.

Без неё не было бы ни животных, ни растений, ни нас.

Возможно, начало этой революции выглядело совсем не впечатляюще: два микроскопических организма просто оказались полезны друг другу. Один отдавал соседу продукты своего обмена веществ, второй возвращал необходимые соединения, а постепенно их связь становилась всё теснее.