Прокариоты: у подножья пирамиды жизни. Интервью с чл.-корр. РАН Е.А. Бонч-Осмоловской

Бактерии и археи были первыми живыми организмами, появившимися на нашей планете. С тех пор прошло более 2 млрд лет, но эти невидимые существа по-прежнему выполняют незаменимые функции в круговороте жизни на Земле. О микробах и их роли в развитии биосферы рассказывает микробиолог Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская.

Справка. Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская — член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, заведующая кафедрой микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующая отделом биологии экстремофильных микроорганизмов в Институте микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, президент Межрегионального (Российского) микробиологического общества.

― Бактерии ― древнейшие организмы на нашей планете?

― Бактерии и археи относятся к прокариотам ― одноклеточным организмам, не имеющим клеточного ядра и других внутриклеточных органелл. Они действительно самые древние организмы на Земле. При этом бактерии и археи в отличие от вирусов способны к самостоятельному существованию в природной среде. Клетки и тех и других крайне маленького размера и очень похожи, но эти две группы безъядерных микроорганизмов, прокариот, имеют большие различия в базовых механизмах жизнедеятельности и поэтому отнесены к разным доменам: Archaea и Bacteria. Третий домен ― эукариоты (Eukarya): организмы, в клетках которых есть ядро. К ним относимся и мы с вами.

Бактерии и археи были первыми живыми организмами на Земле и оставались ее полноправными хозяевами на протяжении более 2 млрд лет.

― Сегодня они по-прежнему остаются самыми многочисленными живыми организмами на планете?

― Вычислить точную биомассу прокариотных сообществ довольно сложно. Считается, что биомасса бактерий и архей на Земле сравнима с биомассой всех остальных живых существ: они точно не уступают другим организмам по своей многочисленности, а возможно, и превосходят их. Бактерии и археи присутствуют практически повсюду: в воде, почве, осадках водоемов, глубоко под землей, под дном океана, в горячих источниках и в вечной мерзлоте.

― Бактерии создали первичную атмосферу Земли и первыми выработали схему кислородного дыхания. Как это произошло?

― Да, можно сказать, что нашу атмосферу «надышали» цианобактерии. Их долгое время называли сине-зелеными водорослями, потому что они выглядят как одноклеточные водоросли, но на самом деле это прокариоты, ведь у них нет ядра. Цианобактерии способны осуществлять такой сложный процесс, как кислородный фотосинтез ― создание нового органического вещества из CO₂  за счет энергии солнечного света, причем в качестве донора электронов при этом выступает вода. В ходе этого процесса образуется свободный кислород и, как результат, кислородная атмосфера.

Запасание энергии в процессе дыхания происходит при переносе электронов по цепочке белков-переносчиков. Акцепторами электронов при дыхании прокариот могут быть и кислород, и другие окислители. Но больше всего энергии выделяется, если окислителем служит кислород. И поэтому кислородное дыхание стало основным энергетическим процессом, благодаря которому в процессе эволюции могли появляться все более сложные живые системы.

― При этом в природе до сих пор существуют анаэробные микроорганизмы, не нуждающиеся в кислороде. Почему они так и не научились дышать им, как все остальные? Кислорода на всех не хватило?

― Не забывайте, что до того, как 2,5 млрд лет назад на Земле появился в достаточных количествах свободный кислород, вся жизнь на планете была анаэробной. После появления кислородной атмосферы на Земле все еще оставалось много местообитаний, лишенных кислорода, где продолжали жить анаэробные микроорганизмы. Прочно занимая свою экологическую нишу, они не испытывали острой необходимости эволюционировать дальше, да и анаэробные процессы не давали достаточного количества энергии для усложнения жизненных форм. Несмотря на это, они прекрасно дожили до наших дней и, как и анаэробные местообитания, существуют на планете в значительном количестве.

― Бактерии были открыты Антони ван Левенгуком еще в XVII в., но затем микробиология находилась в забвении вплоть до XIX–XX вв. Такой пробел в знаниях как-то отразился на теории эволюции Чарлза Дарвина? Учитывалась ли как-то роль микроорганизмов при создании этой теории?

― Я бы сказала, что микроорганизмы стоят особняком и не очень влияют на суть теории эволюции. Думаю, что никакого конфликта здесь нет. Во второй половине XIX в., когда эта теория создавалась, об эволюции микроорганизмов было известно очень мало, и лишь в конце XX в. ученым удалось впервые построить иерархическую систему прокариот, отражающую историю их происхождения. Кстати, на текущий момент экспериментально доказано, что эукариоты, включая нас с вами, произошли от слияния клетки археи с клеткой бактерии.

― Одна клетка съела другую?

― Не съела, а просто соединилась с ней. Согласно теории симбиогенеза, клетки бактерий, слившись с клетками архей, превратились в митохондрии, то есть внутриклеточные органеллы, снабжающие клетку археи энергией. Клетка археи, поглотившая бактерию и ставшая затем эукариотной клеткой, получила много преимуществ с точки зрения эффективности метаболизма, устойчивости, выживаемости. Это послужило мощным толчком для последующей эволюции.

― Значит, это был симбиоз?

― Да. В 2019 г. японский ученый Кен Такаи и его коллеги экспериментально подтвердили находку, сделанную ранее с помощью молекулярно-генетических методов, ― реальное существование современных архей, предков эукариот. Им удалось вырастить лабораторную культуру этой археи, которая может расти только в паре с бактерией. Их метаболизм тесно связан. Бактерия поглощает продукты жизнедеятельности археи, тем самым облегчая ей рост, и при этом питается сама. Отсюда один или, может быть, несколько шагов до появления эукариот.

― А как же борьба и ее роль в эволюции? На этом примере мы видим только кооперацию.

― На мой взгляд, выводы, полученные благодаря этому эксперименту, прекрасно вписываются в теорию эволюции.

Возможно, изначально в природе между этими клетками конкуренция и была, но мы просто не видим ее следы. У нас ведь нет никаких ископаемых материальных свидетельств этих ранних этапов эволюции. От древнего прокариотного мира практически ничего не осталось, и мы в точности не знаем, что именно там происходило.

Тем не менее за последние годы ученым удалось получить большое количество новой информации благодаря молекулярно-биологическим и биоинформатическим методам анализа природных экосистем: было найдено очень много микробов, неизвестных в лабораторных культурах. Биологи смогли собрать их полные геномы и исследовать присущие им свойства, существенно пополнив наши знания о метаболическом разнообразии прокариот. Однако описывать геномы и предсказывать свойства микробов мы можем только на основании того, что уже известно благодаря работе с лабораторными культурами. При этом, например, чуть ли не половина всех генов архей ― это гены, кодирующие белки с неизвестными функциями.

Таким образом, многие свойства микроорганизмов (как культивируемых, так и некультивируемых) до сих пор остаются скрытыми от нас.

― Роль бактерий в нашей биосфере по-прежнему очень существенна?

― Конечно, это не изменилось. Бактерии и археи осуществляют огромное количество биологических реакций на нашей планете. Например, азот на Земле в основном присутствует в свободном виде в атмосфере, его очень трудно мобилизовать, а ведь он необходим для построения белков и аминокислот.

Доступным для всех живых существ азот делают прокариоты. Я думаю, что их роль в азотном питании животных и растений до сих пор недооценена.

― Не забудем и про разложение отходов.

― Не только отходов деятельности человека, но и огромного количества ежегодно отмирающей биомассы растений и животных ― она разлагается микроорганизмами, в том числе микроскопическими грибами. Но только бактерии и археи могут при отсутствии кислорода разлагать сложные полимерные субстраты, образованные растениями и животными, до простейших молекул, которые снова возвращаются в так называемые биогеохимические циклы. Невидимые микробы заставляют «крутиться» все циклы элементов на Земле, и их роль для нашей биосферы бесценна.

― Микробиологи, в том числе в МГУ, исследуют способность бактерий разлагать пластик. А могут ли бактерии поедать пластик не в лабораторных условиях под присмотром ученых, а самостоятельно, в природе?

― Судя по всему, для разложения пластика бактерии используют не новые, приобретенные ферменты, а те, что уже давно имеются в их распоряжении, в частности ферменты, с помощью которых разлагаются растительные биополимеры.

Конечно, разложением пластика бактерии могут заниматься и в природных условиях, но эти процессы, к сожалению, протекают очень медленно.

В лабораториях дела идут не намного лучше, и на текущий момент убыль пластика под влиянием микробов составляет в месяц всего несколько процентов от общей массы пластика ― это очень мало. Тем временем пластик накапливается на планете в огромных количествах, и поиск микроорганизмов, способных утилизировать его, ― важная научная задача.

Совместно с коллегами из Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН мы пытаемся найти термофильные микроорганизмы, способные разлагать различные виды пластика, в первую очередь полиэтилен и полиэтилентерефталат. Высокая температура делает их более доступными для разложения: меняется структура полимера, пластик становится более рыхлым. Для своих экспериментов мы используем микробов, растущих при температуре от 80° C. Таким образом, на структуру пластика одновременно действуют и температура, и ферменты, выделяемые микробами. Результаты уже есть, но пока я не могу назвать их стабильными, и причина такого избирательного разрушения пластика неясна. Но наши исследования продолжаются.

― Надеюсь, что ответы будут найдены. Спасибо за интересный разговор!

― И вам спасибо!