Универсальные биохимические функции, составляющие первичный метаболизм минимальной клетки, требуют, по расчетам Моровица, примерно пятидесяти генов. Термин «ген» здесь означает цистрон — участок ДНК, кодирующий один определенный продукт, РНК или белок. Действительно, древнейшие анаэробные гетеротрофные бактерии, вероятно, не содержали почти ничего, кроме основных метаболитов. По-видимому, близкие родственники этих первичных организмов дожили до наших дней в почти неизмененном виде — например, бактерии «S» из метаногенной ассоциации и некоторые из наиболее мелких бактерий, такие как бактероиды и микоплазмы. По последним данным, микоплазмы — дегенерировавшие микроорганизмы, близкие к бациллам; их примитивность вторична.
Белки, содержащие железо и серу, ферредоксины — лишены каких-либо коферментов и имеются у анаэробных гетеротрофных бактерий, так же как и у всех других организмов. Их биосинтетические функции, вероятно, возникли на очень ранних этапах эволюции и составляют очень древние семы. Судя по гомологиям аминокислотных последовательностей, сравнительно низкомолекулярные ферредоксины относятся к продуктам наиболее древних генов, и от них непосредственно произошли рубредоксины и цитохромы в результате дупликаций генов и последующей дифференциации функций. Еще одна очень древняя сема (возможно, несколько сем) — это брожение, т. е. такой обмен низкомолекулярных органических соединений, при котором кетоны и альдегиды превращаются в органические кислоты и другие небольшие молекулы с выделением энергии, запасаемой в форме АТР. Брожение можно определить как процесс ферментативного превращения органических веществ, в котором акцепторами электронов служат другие органические вещества. Наличие таких превращений в промежуточном обмене едва ли не всех организмов служит аргументом в пользу их древности. После возникновения сем брожения началось создание путей гликолиза — катаболизма сахаров. Анаболизм и катаболизм пятиуглеродных соединений, таких как рибоза и дезоксирибоза (необходимых для репликации нуклеиновых кислот), вероятно, предшествовали в ходе эволюции метаболизму более крупных молекул, например глюкозы, фруктозы и лактозы.
В то время как одни ранние анаэробные бактерии приобрели в процессе эволюции механизм анаэробного гликолиза, у других выработалась способность фиксировать атмосферную двуокись углерода с образованием различных восстановленных органических соединений. Биосинтетическая фиксация CO2 возникла по меньшей мере у трех больших групп бактерий. Фиксация по ацетатному пути, свойственная клостридиям, вероятно, наиболее древний способ, так как мы находим ее у огромной группы процветающих организмов, нечувствительных к видимому свету S. J. Giovannoni, 1979, личное сообщение) и не имеющих системы биосинтеза порфиринов и других сем, которые никогда не могли бы быть утрачены полностью, если бы были однажды приобретены. Следующей в ходе эволюции, вероятно, возникла фиксация CO2 при участии фосфоенолпируват-карбоксилазы, так как она имеется у анаэробных фотосинтезирующих бактерий (хотя наиболее изучена у Escherichia coli). Фиксация CO2 при участии рибулозобисфосфат-карбоксилазы — путь, свойственный многим аэробным организмам и типичный для большинства фотосинтетиков и хемоавтотрофов, по всей вероятности, возникла после обоих анаэробных путей. Различие путей фиксации CO2 у разных групп заставляет предполагать, что эта способность выработалась конвергентно у различных предковых форм. Таким образом, эти пути, видимо, представляют собой по меньшей мере три неродственные семы.
Так как карбоксилазы-ферменты, катализирующие у современных организмов фиксацию двуокиси углерода, реагируют также с молекулярным водородом, Карр (N. G. Carr, 1977, личное сообщение) высказал мысль, что первой функцией этих ферментов, дававшей их обладателям селективные преимущества, было окисление водорода до H2O; только тогда, когда запасы водорода были исчерпаны (в результате улетучивания в космическое пространство и взаимодействия с другими газами, в том числе кислородом), функцией этих ферментов стало карбоксилирование. Одновременно или вскоре после этого выработалась фиксация атмосферного азота. Карр предположил также, что первоначальной функцией ферментных комплексов, необходимых для фиксации азота, было окисление этилена до ацетилена в предшествовавших более восстановительных условиях. В фиксации атмосферного азота всегда участвует нитрогеназный комплекс-ферментная система, включающая ферродоксины. Нитрогеназы специфически и эффективно реагируют с ацетиленом, богатым энергией соединением, которое в пребиотических условиях, вероятно, синтезировалось в значительных количествах из цианида. Таким образом, нитрогеназы и карбоксилазы у бактерий, возможно, представляют собой преадаптации — семы, которые сохранились, так как давали новые селективные преимущества в изменившихся условиях.
Для объяснения выработки все более длинных биосинтетических путей можно привлечь гипотезу Горовица. По мере истощения запасов абиогенного органического материала возникала конкуренция за органические вещества, необходимые для размножения. После развития функций карбоксилирования и азотфиксации стал доступным новый прямой и обильный источник углерода и азота для синтеза органических соединений — атмосфера. Очевидно, что способность использовать этот источник давала бы огромное селективное преимущество, хотя было бы неоправданным упрощением считать, что ход эволюции полностью определялся этим, безусловно сильным, селективным давлением.
Для бактерий можно вывести филогенетическую схему, совместимую с данными об отложениях биогенных органических веществ и изменениях атмосферы, происходивших в результате эволюции бактериального метаболизма. Конечно, такая схема может быть только гипотетической. Предлагаемая последовательность может в лучшем случае базироваться на данных о тех соединениях, которые продуцировали бактерии в момент их гибели, и нужно также выяснять и учитывать изменения, происходящие в отложениях в результате гниения, выветривания и диагенеза. Реконструкция эволюции микробных экосистем по следам, оставленным ими в осадочных породах, остается главной задачей молодой научной дисциплины, называемой геохимией. К несчастью, из таких данных пока трудно выводить определенные заключения; пути эволюции метаболизма анаэробных прокариот и их сообществ чаще становились понятными в результате изучения современных микроорганизмов.
Следует считать, что ни одна сема, т. е. ни одно фундаментальное метаболическое новшество, определяемое большим числом генов, однажды возникнув в процессе эволюции, никогда не исчезает бесследно. Это подтверждается всем, что известно об эволюции растений и животных. Изменившиеся со временем семы — это результат взаимодействия многих генов; они хорошо отработаны и дают большие селективные преимущества. После своего первого появления семы могут претерпевать глубокие изменения, но детальное исследование позволяет выявить следы их древних форм. Высшие таксоны, такие как типы и классы, это группы организмов, сохранивших древние семы. Сформировавшиеся группы такого ранга могут терять свое положение и в значительной мере вытесняться другими, но, как правило, они не вымирают полностью. Таким образом, живые организмы и их сообщества хранят в своих морфологических и метаболических семах огромную информацию о своем эволюционном прошлом.
Следует сказать несколько слов о горизонтальном, или латеральном, переносе сем, т. е. о передаче семы из одной популяции в другую бактериальными вирусами или независимыми генетическими элементами (плазмидами). В филогении эти механизмы переноса игнорируются. Предполагается, что латеральный перенос был в ходе эволюции достаточно редким событием, мало влиявшим на общую картину вертикальной филогении микробов. Таким образом, предполагаемая последовательность появления микробных неосем основана на принципе вертикальной филогении и на последовательности отложения биогенных органических веществ в осадочных слоях.
У ныне живущих микробов имеется много анаэробных метаболических путей, близко родственных аэробным путям. Это свидетельствует о том, что метаболизм бактерий возник еще до или во время обогащения атмосферы кислородом и, следовательно, до появления растений и животных, которые все являются облигатными аэробами. Все клетки нуждаются, помимо основных «строительных блоков», еще в источниках энергии; по мере истощения запаса богатых энергией веществ, образовавшихся в пребиотических условиях, происходила колоссальная адаптивная радиация: вырабатывались новые способы получения энергии, что в конце концов привело к развитию фотоавтотрофии.
Существование фотогетеротрофии у облигатных анаэробов позволяет предполагать, что видимый свет играл какую-то роль в метаболизме еще до появления строго автотрофного фотосинтеза. Фотогетеротрофы, такие как некоторые галобактерии и несерные пурпурные бактерии, могут использовать свет для синтеза АТР и создания осмотических градиентов, способных совершать работу, но им необходимы в качестве компонентов пищи по меньшей мере некоторые сложные соединения углерода. Некоторые фотогетеротрофы могут также фиксировать CO2. Таким образом, как карбоксилирование атмосферной двуокиси углерода, так и зависимый от света синтез АТР, вероятно, возникли раньше, чем фотоавтотрофные бактерии, у которых эти пути скомбинированы. Некоторые анаэробные метанообразующие бактерии удовлетворяют все свои энергетические и трофические потребности, используя водород и CO2. У них выработались особые пути метаногенной фиксации СО2 с участием координационных соединений кобальта (например, метилкобаламина). Как и фотогетеротрофы, они, очевидно, представляют собой древнюю группу, приспособившуюся к использованию архейских вулканических газов. Существование фиксации CO2 у различных нефотосинтезирующих анаэробов (например, Desulfovibrio), не способных или ограниченно способных к синтезу гемов и каротиноидов, указывает на то, что фотосинтетическим системам предшествовали другие типы метаболизма и соответствующие им эффекты: фракционирование изотопов углерода и серы, образование сероводоррда из сульфата, тиосульфата и газообразного водорода, образование метана и отложение биогенных продуктов восстановления CO2.
Еще одна чрезвычайно древняя микробная сема — это изопреноидный путь. Этот путь ведет от ацетата через мевалоновую кислоту и изопентенилпирофосфат к различным производным изопрена, таким как сквален, убихинон (кофермент Q), витамины А и К и фитольная цепь. Производные изопрена есть у всех фотосинтезирующих организмов, в том числе у строгих анаэробов. Предполагается, что первоначально эти соединения использовались для защиты органических веществ клетки от фотоокисления. Они широко распространены и до сих пор, так как были приспособлены для выполнения различных специфических функций. Например, витамин А служит предшественником родопсина (зрительного пигмента позвоночных), а также пурпурного мембранного пигмента у галофильных бактерий. Некоторые изопреноиды участвуют у галобактерий в реакциях, использующих видимый свет для выведения натрия из клетки против градиента концентрации.
На древность биосинтеза изопреноидов указывает его наличие у архебактерий — группы прокариот, которая, как полагают, очень рано отделилась от эволюционных линий, приведших к аэробным гетеротрофным бактериям и в конце концов к эукариотам. В группу архебактерий входит много различных метанообразующих форм, два загадочных термо- и кислотоустойчивых микроаэрофила Sulfolobus и Thermoplasma и аэробные галобактерии Halococcus и Halobacterium. Они отличаются от других бактерий и от цитоплазмы и органелл эукариот несколькими признаками: уникальной нуклеотидной последовательностью в рибосомной РНК 16S, присутствием эфиров фитола вместо эфиров жирных кислот в липопротеидных клеточных мембранах, отсутствием гликопептидов в клеточной стенке и необычными особенностями посттранскрипционной модификации тРНК. Эти черты подкрепляют представление о метанообразующих бактериях как о древней группе, в которой окислительный метаболизм, толерантность к крайним температурам и концентрациям солей и даже фотогетеротрофия возникли независимо от аналогичных эволюционных приобретений у других бактерий. У общих предков архебактерий и остальных бактерий до дивергенции нуклеотидных последовательностей рибосомных РНК, вероятно, уже выработались по крайней мере генетическая система и механизмы синтеза изопреноидов и ферредоксина. Так как фракционирование легких изотопов углерода при метаболизме метанообразующих бактерий происходит более эффективно, чем при любом другом известном процессе (Е. S. Barghoom, 1977, личное сообщение), вероятно, можно было бы выявить древний метаногенез, измеряя соотношение изотопов углерода в метане, содержащемся в хорошо датированных древних отложениях. Установление верхнего временного предела ответвления архебактерий от других прокариот представляет чрезвычайный интерес.
Фиксация азота — это идущий с затратой энергии анаэробный процесс, обнаруженный только у прокариот. Вероятно, он возник в процессе эволюции очень рано. Нитрогеназы имеются у клостридиев; значит, они появились раньше самого важного из новых типов метаболизма-фотосинтеза. Бактериальный фотосинтез, освободивший жизнь от зависимости от абиогенных органических веществ, несомненно, возник у анаэробных микробов, способных к азотфиксации и вообще обладавших весьма широким «метаболическим репертуаром». Различия в структуре 16S-PHK и других признаках позволяют предполагать очень раннюю дивергенцию, а возможно, даже и конвергентную эволюцию фотоавтотрофии у трех больших групп фотосинтезирующих бактерий: пурпурных серобактерий (Chromataceae), зеленых серобактерий (Chlorobiaceae) и пурпурных несерных бактерий (Rhodospirillaceae). Фиксация CO2 в восстановительном цикле Кребса и соответственно отсутствие цикла Кальвина-Бенсона у зеленых серобактерий заставляет предполагать, что они находятся лишь в очень отдаленном родстве с другими фотосинтетиками. В результате бактериального фотосинтеза происходило отложение органического углерода, элементарной серы и, возможно, даже сульфатов. В архее до перехода к окислительной атмосфере должен был существовать полный анаэробный экологический круговорот серы: сульфаты восстанавливались до сероводорода организмами типа Desulfovibrio, а этот газ в свою очередь использовался как донор водорода фотосинтезирующими бактериями, которые продуцировали сульфаты или серу и накапливали углерод в виде органических соединений. Открытие нового класса микроорганизмов — десульфомонад, использующих элементарную серу в качестве конечного акцептора электронов с образованием сероводорода, добавляет к этому круговороту новое гетеротрофное звено. Элементарная сера, вероятно, использовалась также как донор электронов в анаэробном фотосинтезе, как это происходит у современного Chromatium buderi и других микробов.
Одновременно с синтезом изопреноидов или даже раньше должны были возникнуть пути синтеза корриноидов (в виде одной или нескольких сем). Корриноиды, биосинтез которых подводит совсем близко к образованию порфиринов, встречаются, видимо, в живой природе повсюду. Исходя из их функций у современных организмов и учитывая всеобщую распространенность первых этапов их биосинтеза, можно думать, что первоначальной функцией корриноидов было восстановление рибозы до дезоксирибозы.
Первые корриноиды могли быть аналогичны современному кобальт-корриноидному коферменту, одной из форм витамина В12. Вероятно, у некоторых организмов синтез корриноидов послужил преадаптацией для синтеза порфиринов; древнейший порфирин мог представлять собой гем, сходный с содержащим хелатный ион железа кофактором фермента-антиоксиданта каталазы. Производные порфирина-тетрапирролы, содержащие хелатные ионы металлов, имеются у всех современных организмов, кроме некоторых анаэробных бактерий. У микробов, восстанавливающих сульфаты, они служат переносчиками электронов от сульфида к сульфату. Таким образом, производные порфирина, такие как железосодержащие коферменты каталазы, пероксидазы и цитохромов, гем сульфатредуцирующих белков и гемоглобинов, а также магнийсодержащие хлорофиллы, должны были синтезироваться микробами- фотосинтетиками еще до появления первых фотоавтотрофов, выделяющих кислород. Отсутствие каких бы то ни было порфиринов у клостридиев и наличие их у родственных бактерий, например Desulfo vibrio, заставляет рассматривать пути биосинтеза порфиринов как семы. Порфирин как таковой у живых организмов не встречается. Хотя он может образовываться в очень малых количествах в условиях, имитирующих, условия первобытной Земли, производные порфиринов, находимые в древних отложениях, имеют, вероятно, биогенное происхождение.
Факторы отбора, способствовавшие сохранению биосинтеза порфиринов, были, вероятно, разнообразны. Вначале производные корриноидов использовались, вероятно, при восстановлении рибозы до дезоксирибозы и при синтезе белка; затем они были закреплены естественным отбором как переносчики метальных групп и в процессах биосинтеза, и в процессах газообмена: токсичные вещества могут быть нейтрализованы и удалены путем образования и выведения их метилированных производных, например метиларсената. Несколько более сложные порфирины первоначально могли быть сохранены отбором из-за их способности восстанавливать мутагенные окислительные агенты, имевшиеся в окружающей среде. Каковы бы ни были первоначальные функции этих соединений, генетически закрепленная способность к их синтезу явилась ценным приобретением, надолго сохранившим свое значение. Все способные к фотосинтезу бактерии синтезируют хлорофилл, являющийся производным порфирина, и все они. очевидно, произошли от предков, синтезировавших порфирины. В конце концов способные к дыханию гетеротрофные бактерии стали использовать порфиринсодержащие белки как переносчики электронов при анаэробном окислении веществ пищи: атомы водорода от двух- и трехуглеродных молекул, например ацетата, лактата и пирувата, переносились порфиринсодержащими белками, такими как цитохромы, к конечному акцептору водорода — нитрату; в качестве конечных продуктов образовывались молекулярный азот и закись азота. У архебактерий, которые раньше отделились от главной линии эволюции, конечным акцептором электронов служила двуокись углерода, а образовывался и выделялся метан.
Присутствие производных порфирина, используемых как переносчики электронов, преадаптировало клетки для фотосинтеза благодаря тому, что большинство порфиринов поглощает видимый свет. Древнейшие фотосинтезирующие микроорганизмы были облигатными анаэробами, как и современные фотосинтезирующие бактерии на свету. Считают, что фотосинтез возник у анаэробных бактерий, так как им свойственна наиболее простая форма этого процесса с участием только фотосистемы I. У этих бактерий фотосистема I генерирует АТР в результате циклического фосфорилирования; у цианобактерий и растений она также продуцирует восстановитель в форме NADP H2. Относительно простой переход энергии света в энергию связей АТР — это своего рода наименьший делитель: он происходит у всех фотосинтезирующих организмов. У фотосинтетиков, выделяющих кислород, таких как цианобактерии, фотосистема II всегда дополняет, но никогда не заменяет фотосистему I. Таким образом, анаэробный фотосинтез должен был предшествовать более сложной кислородной форме, для которой нужны как фотосистема I, так и фотосистема II. Кроме того, недавно обнаружены связующие звенья между анаэробными серными фотосинтезирующими бактериями и выделяющими O2 цианобактериями.
Oscillatoria limnetica, нитчатая цианобактерия, является облигатным автотрофом. Однако она выделяет кислород лишь факультативно. Возможно, что этот организм неверно идентифицирован: он мог бы быть отнесен к имеющему чехлы роду Phormidium (S. Golubic. 1978, личное сообщение). При фотосинтезе этот организм вместо воды может использовать в качестве донора электронов сероводород или сульфид натрия с образованием элементарной серы. Возможно, он также использует газообразный водород как донор протонов в темновой фазе фотосинтеза и выделяет водород и сероводород в процессе метаболизма в темноте (М. Shilo. 1979, личное сообщение). В постоянно анаэробных условиях фотосинтезирующие серобактерии успешно конкурируют с цианобактериями, факультативно использующими водород и сульфид, которые процветают в периодически аэрируемых зонах. Поэтому такие «мастера на все руки», как O. limnetica, проигрывали в борьбе за существование во всех биотопах, кроме весьма специфических, с высокой температурой и соленостью, временами бескислородных, которыми, по-видимому, и ограничено ныне их распространение.
Изучение О. limnetica навело Стейниера и его коллег на мысль изучить поведение других цианобактерий при высоких концентрациях сульфидов в анаэробных условиях. Около половины исследованных лабораторных культур оказались способными к фотосинтезу в бескислородных условиях и росли, используя серу в качестве донора электронов (R. Y. Stanier, 1979, личное сообщение). Такие физиологические данные подкрепляют основанную на морфологии гипотезу о происхождении цианобактерий от фотосинтезирующих серных бактерий.
До середины 70-х годов считалось, что среди прокариот только цианобактерии выделяют кислород при фотосинтезе. Большинство этих организмов синтезирует несколько фикобилипротеинов, таких как фикоцианин, аллофикоцианин и фикоэритрин, и хлорофилл a, но никогда не хлорофилл b. В последнее время, однако, были обнаружены прохлорофиты — выделяющие O2 фотосинтезирующие прокариоты без сине-зеленых пигментов. Prochloron, единственный описанный род прохлорофитов, — это коккоидный прокариотический организм, сходный по физиологии фотосинтеза и пигментам с растениями. Он содержит хлорофиллы a и b примерно в соотношении 1:4. У прохлорофитов нет типичных для цианобактерий фикобилипротеинов и содержащих их структур — фикобилисом. Таким образом, по пигментации, но не по строению клеток эти организмы сходны с зелеными водорослями. Структурно они почти не отличаются от цианобактерий и некоторых других бактерий. Так как их еще не выращивали в культуре, о них мало что известно; не решен, например, вопрос о том, произошли ли они от цианобактерий или независимо от анаэробных фотосинтезирующих бактерий. Тем не менее эти организмы образуют связующее звено между фотосинтезирующими прокариотами и хлоропластами зеленых водорослей, других протестов и растений.
Открытие Prochloron намного повышает вероятность того, что фотосинтетические пигментные системы, содержащие хлорофилл b, возникли у прокариот еще до того, как последние в результате симбиоза стали пластидами эукариот. Если это так, то фотосинтез «растительного типа» с выделением кислорода возник вовсе не у зеленых растений, а у выделяющих O2 фотосинтезирующих бактерий-зеленых и сине-зеленых.
Хотя у бактерий нет типичного полового размножения, при котором каждый из родителей передает потомству одинаковое количество генетического материала, у них может происходить рекомбинация ДНК на молекулярном уровне (в отличие от «перетасовки» хромосом, характерной для мейоза). Потомство, таким образом, получает от родителей неравное число генов. Когда в истории жизни возникла рекомбинация молекул ДНК? Репарация повреждений ДНК, вызываемых ультрафиолетом, и рекомбинация осуществляются отчасти одинаковыми ферментами; вероятно, эволюция ферментативного аппарата репарации повреждений, вызываемых ультрафиолетом, преадаптировала бактерий к развитию механизмов рекомбинации. Перенос ДНК между различными бактериями могут осуществлять бактериофаги, и этот процесс часто индуцируется ультрафиолетовым облучением. Таким образом, важный компонент полового процесса-механизм ферментативного образования рекомбинантных молекул ДНК — возник на ранних этапах эволюции, задолго до мейоза, у факультативно и, возможно, облигатно анаэробных прокариот.
До накопления кислорода в атмосфере микробам должен был угрожать солнечный ультрафиолет, достигавший поверхности Земли. Механизмы защиты от повреждения ультрафиолетом и репарации ДНК, например фотореактивация, вероятно, возникли очень рано; многие из них найдены даже у облигатных анаэробов. По крайней мере некоторые из этих механизмов сохранились и в дальнейшем, так как лежащие в их основе реакции оказались очень полезными в связи с половыми процессами, которые позднее закреплялись благодаря своим собственным преимуществам. Однако шансы найти в ископаемом материале прямые данные об эволюции механизмов защиты от ультрафиолета крайне малы.
Филогению прокариот пытались реконструировать различные авторы. Э. Брода основывался на многих признаках; схема Олмэсси и Диккерсона базируется главным образом на аминокислотных последовательностях белков, а Фокса и Вёзена первичной структуре нуклеиновых кислот (Fox, в печати). По мере накопления новых данных неизбежны будут уточнения, а возможно, и крупные изменения. Однако нет сомнений в том, что основные пути метаболизма, характерные для жизни в целом, сложились у прокариот-скорее всего в архейское время.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963