В этом разделе обсуждается несколько ярких примеров симбиоза, иллюстрирующих эволюцию клеточных новоприобретений. Mixotricha — подвижный симбиотический комплекс протистов и спирохет — служит моделью возникновения ундулиподий. Paramecium bursaria и Hydra viridis демонстрируют, как гетеротрофы могут решать проблему питания, вступая в союз с фотосинтетиками. Взаимодействия между гетеротрофами и эндосимбиотическими водорослями аналогичны отношениям между пластидами и остальной частью клетки, в которой они находятся. Вплоть до последнего десятилетия считалось, что ни одно живое существо (исключая, разумеется, вирусы) не может проникнуть внутрь прокариотической клетки. И вот были открыты бактерии (род Bdellovibrio) — облигатные хищники, питающиеся другими бактериями. Их проникновение внутрь жертвы может служить моделью того, как попали в клетки хозяев протомитохондрии.
Mixotricha paradoxa — это жгутиконосец из группы полимастигот, обитающий в кишечнике Mastotermes darwinensis, своеобразного австралийского термита из семейства Mastotermitidae. Так как это простейшее покрыто тысячами волосовидных выростов, вначале думали, что это специализированная гипермастигота (из типа Zoomastigina). Более детальное исследование показало, однако, что «волоски» на ее поверхности-не что иное, как скопление спирохет. Как и полимастиготы, тоже относящиеся к Zoomastigina, Mixotricha имеет лишь несколько настоящих ундулиподий (в данном случае четыре), однако ее прямолинейное движение в кишечнике термита не типично ни для каких других полимастигот или гипермастигот. Кливлэнд и Гримстоун описывают это следующим образом:
«Если на пути нет препятствий, Mixotricha скользит вперед не останавливаясь, с постоянной скоростью и обычно по прямой линии. Эта особенность, неоднократно наблюдавшаяся на живом материале и весьма ясно видимая в наших кинофильмах, существенно отличает данную форму от других флагеллят, таких как различные виды Trichonympha, которые плавают изменяющейся скоростью, переворачиваясь одного бока на другой, меняя направление и иногда останавливаясь. Исключительная плавность движения тоже контрастирует с рывками, характерными для других флагеллят, имеющих, подобно Mixotricha, лишь несколько жгутиков [ундулиподий] на переднем конце. Движение Mixotricha, очевидно, не связано с активностью ее жгутиков и может продолжаться даже тогда, когда последние неподвижны. Таким образом, жгутики в данном случае не могут быть ответственны за локомоцию — вывод, который едва ли покажется удивительным, если учесть огромное несоответствие величины жгутиков и всей клетки. Кажется вероятным, что жгутики могут только изменять направление движения, что мы иногда и наблюдали.
Mixotricha перемещается не благодаря жгутикам, а благодаря волнообразным движениям связанных с нею спирохет. Главный довод в пользу этого утверждения — то, что у всех активно плавающих особей спирохеты энергично и скоординированно ундулируют, тогда как у гибнущих особей, которые не движутся или движутся медленно, спирохеты перестают ундулироватъ или колеблются медленно, плохо координированным образом. В общем наблюдается четкая корреляция между степенью активности и координации спирохет и скоростью движения их хозяина. Несмотря на самое детальное изучение, не удалось обнаружить никаких других возможных средств локомоции».
Как почти все протесты — симбионты термитов, Mixotricha не может расти вне организма хозяина. Однако ее систематическое положение прояснили ультраструктурные данные, показавшие, что это чрезвычайно своеобразный симбиотический комплекс. Протист-хозяин имеет один жгутик, направленный вперед, три «волочащихся» жгутика и другие структуры, типичные для полимастигот. За его своеобразное движение ответственны прикрепленные к нему трепонемоподобные спирохеты, регулярно расположенные на его кортексе. Четыре ундулиподии, крохотные по сравнению с клеткой, действуют как рули, изменяя иногда направление ее движения. К клетке хозяина прикреплено около 500 тыс. мелких спирохет, каждая из них связана со специфическим выступом на поверхности клетки и одновременно с внеклеточной симбиотической бактерией. Кое-где к клетке прикреплены другие крупные симбиотические спирохеты (пиллотины) — вероятно, представители нового рода; они тоже подвижны, но, по-видимому, не причастны к локомоции хозяина.
Mixotricha обычно живет при низком парциальном давлении кислорода в кишечнике термитов и потому не имеет митохондрий. Однако у каждой особи имеются, помимо кортикальных симбионтов, еще структуры, сходные с бактериями, каждая из которых окружена эндоплазматическим ретикулумом и рибосомами хозяина. На основании морфологических данных они были идентифицированы как внутриклеточные симбиотические бактерии. Было высказано предположение, что они замещают в функциональном отношении отсутствующие митохондрии — возможно, удаляют лактат или пируват, служат дополнительным источником АТР или предоставляют ферменты, необходимые для биосинтеза мембран, в анаэробных или микроаэрофильных условиях кишечника термитов.
Таким образом, «клетка» Mixotricha — это комплекс по меньшей мере пяти гетерологичных организмов. Каждая особь в норме несет на себе три группы прокариотических кортикальных симбионтов: крупных и мелких спирохет и ассоциированных с ними «якорных» бактерий, которые создают аномальное движение, а также эндосимбионтов четвертого типа, возможно замещающих митохондрии. Кроме того, Mixotricha — сама по себе симбионт, живущий только в кишечнике насекомого-хозяина. Mixotricha — наиболее изученный, но вряд ли единственный пример симбиоза спирохет с другими клетками, обеспечивающего подвижность. Другая пара симбионтов — неидентифицированный протист и спирохеты из кишечника термита Kalotermes schwartzi (из Флориды). Подвижные симбиотические комплексы с простейшими образуют даже жгутиконосные бактерии. Для спирохет же характерна тенденция к вступлению в разные виды симбиотических отношений, как случайных, так и специфических. В микрофлора термитов можно наблюдать целые ряды форм симбиоза от нерегулярного прикрепления к поверхности хозяина до локомоторных ассоциаций и даже эндосимбиоза.
Paramecium bursaria, симбиотическая ассоциация водоросли и инфузории, изучалась с 20-х годов, когда Прингсгейм разработал неорганическую среду для ее культивирования. Зеленые фотосинтезирующие парамеции содержат симбиотические водоросли, число которых специфично для каждого штамма: на свету симбионты делятся примерно с той же скоростью, что и хозяин, поддерживая тем самым приблизительно постоянное численное отношение симбионт/хозяин, которое у разных штаммов варьирует в пределах от 60 до 2000 и более. Симбиотические «зоохлореллы», освобожденные из парамеции-хозяина, напоминают свободноживущие хлореллы. Эти водоросли могут неопределенно долго расти за счет фотосинтеза на стерильных агаровых косячках со сравнительно простой средой. При питании бактериями в темноте Р. bursaria имеет тенденцию обгонять в росте своих симбионтов; в конце концов в потомстве инфузорий, растущих в темноте, появляются клетки без зоохлорелл. При надлежащих условиях содержания и питания парамеции (бывшие хозяева) могут расти в культуре сколь угодно долго в отсутствие прежних симбионтов; в этом случае они сохраняют морфологические признаки Р. bursaria, которую в природе никогда не находили без симбиотических водорослей. При недостатке пищи и обилии света парамеции с внутриклеточными водорослями растут значительно быстрее особей того же штамма, экспериментальным путем лишенных симбионтов. По-видимому, в природе при недостатке пищи симбиотические комплексы получают преимущество перед отдельными партнерами.
Взаимоотношения между штаммами Р. bursaria и их симбиотическими хлореллами специфичны. Парамеции способны отличать своих эндосимбионтов от свободноживущих хлорелл и от хлорелл, высвобождаемых другими парамециями или гидрами. Когда апосимбиотических, экспериментально лишенных хлорелл особей Р. bursaria помещают в среду с хлореллами из различных источников, они неизменно поглощают и затем не переваривают и не выбрасывают обратно «своих» симбионтов. Они отказываются от симбиоза со свободноживущими и многими другими гетерологичными хлореллами, выбрасывая или вообще не поглощая их. В то же время симбиоз между ранее взаимно адаптированными партнерами легко восстанавливается, иногда даже если хлореллы были прежде адаптированы к другому типу хозяина. Число хлорелл в каждой парамеции увеличивается после их повторного поглощения; затем скорость размножения хлорелл снижается, приспосабливаясь к скорости роста хозяина. Способна ли апосимбиотическая Р. bursaria вступать в симбиоз с хлореллами из губок, гидр или других штаммов Р. bursaria? Как правило, легче всего восстанавливается ассоциация с первоначальными симбионтами. Однако в некоторых экспериментах по неясным причинам образуются быстро растущие симбиотические комплексы между парамециями и хлореллами, экспериментально выделенными из зеленых гидр. Ставились также опыты по лишению пресноводного кишечнополостного Hydra riridis его симбиотических хлорелл и восстановлению симбиозов с хлореллами, аналогичными симбионтам Р. bursaria. В некоторых, хотя и не во всех случаях гетерологичные водоросли, полученные как из парамеций, так и из отдаленно родственных штаммов зеленых гидр, оказались способными вступать в стабильный симбиоз с гидрами.
Установлены генетические различия между симбиотическими и свободноживущими формами как парамеций, так и хлорелл. Для полового процесса у Р. bursaria необходимо присутствие хлорелл. Характерный для инфузорий сложный половой цикл с участием микронуклеуса, в котором за мейозом, приводящим к образованию гаметических ядер, следует аутогамия или конъюгация, никогда не наблюдался и не мог быть индуцирован у парамеций, лишенных хлорелл, хотя у зеленых форм половой процесс легко наблюдается. Из этого был сделан вывод, что симбиотическая ассоциация приводит к необратимым генетическим изменениям у обоих партнеров. Этот вывод был подтвержден ультраструктурными исследованиями. Эндосимбионты составляют неотъемлемую часть генетического аппарата парамеций. Даже если бы можно было четко разграничить вклады хозяина и хлорелл в генетическую систему, это не имело бы особого смысла, как убедительно показано в работе Каракашьяна и Зигеля.
В результате симбиоза каждая клетка зеленой парамеции должна содержать ДНК двух типов: специфическую для инфузории и специфическую для хлореллы. При равновесном центрифугировании лизатов зеленых парамеций в градиенте плотности хлористого цезия были обнаружены две четко различимые полосы ДНК: положение одной соответствовало примерно 60% GC, а другой — 20% GC (Маргелис, 1963, неопубликованные данные). Плотность ДНК зависит от содержания нуклеотидных пар гуанин-цитозин (GC). Последняя величина близка к опубликованным величинам плотности ядерной ДНК инфузорий, а первая — к соответствующим данным для зеленых водорослей; таким образом, очевидно, что одна из полос содержит ДНК хлореллы, а другая – ДНК инфузории. Интенсивность полосы, соответствующей 60% GC, указывает на то, что ДНК хлореллы составляет около 30% всей ДНК клетки. Столь высокая величина отражает, вероятно, «молодость» ассоциации; она совместима также с тем фактом, что обоих партнеров удается культивировать независимо друг от друга. Недавно опубликован обзор данных по симбиотическим зеленым парамециям.
С течением геологического времени симбиоз, очевидно, будет «стареть» и все больше метаболических функций будет передоверяться ядру парамеций; можно ожидать, что при этом дополнительная полоса ДНК (специфичная для хлорелл) постепенно уменьшится до размеров «сателлитных полос», типичных для ДНК хлоропластов или митохондрий, которая составляет в лучшем случае несколько процентов от количества ядерной ДНК того же организма. Тот факт, что цианеллы из Glaucocystis nostochinareum содержат лишь около 10% от количества ДНК, характерного для свободноживущих коккоидных цианобактерий, от которых они произошли, указывает на ту же самую тенденцию — на редукцию геномов симбионтов. Таким образом, прямое изучение ДНК может быть полезным для определения эволюционного возраста симбиозов и степени взаимозависимости партнеров (такие попытки предпринимались в ряде работ). Различие между симбиотическими зелеными водорослями, которые удается культивировать независимо от хозяев, и хлоропластами водорослей и высших растений частично может быть связано с эволюционным возрастом симбиоза: ассоциации между клетками растений и хлоропластами намного древнее.
В результате наследственного эндосимбиоза водоросли с Paramecium bursaria возник подвижный фотосинтезирующий проист. Ассоциация гидры с хлореллой — фотосинтезирующее животное. В обоих случаях меченая двуокись углерода, поглощенная хлоропластами водорослей, вскоре может быть обнаружена в белках гетеротрофа. Перенос питательных веществ от хлорелл к хозяину аналогичен обмену метаболитами между пластидами и нуклеоцитоплазмой водорослей и высших растений.
С точки зрения теории симбиоза поиски фотосинтезирующего организма, филогенетически связывающего цианобактерии с водорослями и растениями-это погоня за призраком. Такие поиски имеют смысл только в рамках представления о прямой филиации. Симбиотическая парадигма ставит другие вопросы. Какие автотрофы были предками пластид зеленых водорослей? Какие протесты впервые приобрели симбионтов-фотосинтетиков? Какие видоизменения претерпели хозяева и симбионты после возникновения ассоциации? В каких отношениях хозяева и симбионты сохранили генетическую и метаболическую автономию? Сколько раз в истории жизни и с какими партнерами гетеротрофы и фотосинтезирующие прокариоты вступали в симбиоз?
Bdellovibrio bacteriovorans удивительный пример «включения» одной прокариотической клетки в другую без фагоцитоза. Подобно вирусам, эти крошечные жгутиконосные бактерии образуют бляшки на газонах грам-отрицательных бактерий. Внешне эти бляшки очень похожи на бляшки, образуемые бактериофагами, и они были обнаружены в ходе рутинных вирусологических манипуляций. Бделловибрионы образуют такие бляшки, лизируя бактерию-хозяина. Однако в отличие от фаговых эти бляшки продолжают расти, пока не покроют всю поверхность чашки Петри. Клетки бделловибрионов имеют около 0,5 мкм в диаметре при типичной вибрионной форме; каждая несет единственный полярный жгутик. После открытия и выделения первых бделловибрионов в морских и пресноводных биотопах были обнаружены и другие представители этой группы. К настоящему времени описаны три вида с сильно различающимся содержанием GC в ДНК (28, 38 и 51%, что указывает на конвергентную эволюцию хищничества): В. bacteriovorans, В. starrii и В. stolpii. Бделловибрионы дикого типа прикрепляются к более крупной бактериальной клетке и затем проникают внутрь ее. Они не очень разборчивы по отношению к добыче: это могут быть колиформные бактерии, спириллы и другие эубактерии. В последних сообщениях утверждается даже, что бделловибрионы могут размножаться в комплексе с эукариотами — внутри нитей Spirogyra и на поверхности некоторых хлорелл.
Бделловибрионы — облигатные аэробы, способные к дыханию. Проникнув внутрь бактерии, они репарируют наружную мембрану жертвы липидными «заплатами» и продвигаются дальше в глубину клетки. Они заставляют своих хозяев образовывать сферопласты, растворяют пептидогликановый слой клеточной стенки хозяина и затем размножаются, окруженные его наружной оболочкой, топологически вне клетки, но внутри периплазмы, т. е. пространства между клеточной стенкой и мембраной. Образуются несколько нуклеоидов бделловибриона и связанные с ними белоксинтезирующие системы в виде длинных нитей; последние затем разделяются на бделловибрионы нормальной величины путем образования поперечных стенок. В конце концов они вызывают лизис хозяина. Хотя удалось выделить мутантные формы бделловибрионов, растущие на среде без хозяев, скорость их роста была намного ниже оптимальной, достигаемой внутри бактерий. Очевидно, их пищевые потребности достаточно сложны. У прокариот никогда не наблюдались пиноцитоз или фагоцитоз, так что проникновение этих дышащих кислородом гетеротрофных бактерий в периплазматическое пространство других бактерий — важная модель приобретения протомитохондрий протоэукариотическими клетками.
Молекулярные детали дыхательной системы бделловибрионов не изучены. При наличии таких данных некоторые бделловибрионы, возможно, оказались бы кандидатами на роль предков митохондрий. В настоящее» время, однако, наиболее вероятный кандидат — бактерия Paracoccus denitrificans (эти грам-положительные кокки раньше назывались Micrococcus denitrificans), свободноживущий факультативный аэроб, способный к дыханию. Основанием для такого вывода служит удивительное сходство этой бактерии с митохондриями животных и дрожжей по деталям организации дыхательной системы. Сходны не только хиноны и цитохромы в цепи переноса электронов, но и трехмерная конфигурация цитохромов и строение мембранной АТРазы F1, что сближает митохондрии с Р. denitrificans в большей степени, чем с другими бактериями. Имеются три явных различия между Р. denitrificans и митохондриями: бактерии имеют клеточную стенку, они способны восстанавливать нитрат и нитрит до азота и закиси азота анаэробных условиях, и у них нет системы транспорта АТР. В митохондриях такая система переносит АТР, синтезируемый внутри органеллы, в цитоплазму. Эти различия легко объяснить, если митохондрии произошли от предков, сходных с Р. denitrificans. Клеточные стенки и способность восстанавливать нитрат были утрачены, так как они оказались излишними во внутриклеточной среде древних протоэукариот — в аэробной, богатой азотом среде со сбалансированным солевым составом. Что касается транспорта АТР, то для Р. denitrificans выделять АТР во внешнюю среду — все равно что для нас разбрасывать деньги на улице. Таким образом, современная митохондриальная система транспорта АТР должна была возникнуть в процессе эволюции вместе с самим симбиозом. Если бы нам были известны аминокислотные последовательности белков этой системы, то мы, вероятно, могли бы распознать в них видоизмененные макромолекулы, первоначально выполнявшие какие-то другие функции. Во всяком случае предков митоховдрий следует искать среди бактерий, которые способны проникать внутрь клеток хозяина и размножаться в них и сходны по особенностям дыхательной системы с Paracoccus denitrificans.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963