|
Жизнь процветает в экстремальных условиях
|
|
|
|
История Земли была историей физических экстремальных условий — экстремальных атмосферных условий, экстремальных химических условий и экстремальных температур. Было время, когда Земля была настолько горячей, что вся вода была паром, и первый дождь пошел только тогда, когда планета достаточно остыла. Вскоре после этого возникла жизнь, и через все это жизнь нашла выход. Сегодня жизнь встречается почти везде на Земле, куда бы мы ни посмотрели; трудно найти места, где жизни нет. Замечательная способность жизни приспосабливаться к изменчивым условиям является одной из ее определяющих характеристик. Из многих приспособлений способность жизни приспосабливаться к различным температурам является одной из самых интересных. Вся жизнь основана на химических реакциях, которые по своей природе чувствительны к температуре. И все же жизнь существует в широком диапазоне температур, от шельфового ледника Антарктиды до окраин подводных вулканов. Возникает вопрос, как жизнь приспосабливается к разным температурам?
|
|
|
|
Чтобы попытаться разгадать эту тайну, исследовательская группа под руководством Полы Прондзински и Шона Эрина МакГлинна из Института наук о жизни Земли (ELSI) Токийского технологического института недавно исследовала группу организмов, называемых метаногенами. Метаногены — это производящие метан одноклеточные микроорганизмы, принадлежащие к более обширному домену «архей» (древние одноклеточные организмы, не имеющие клеточных ядер и считающиеся предшественниками эукариотических клеток). Как единая физиологическая группа, метаногены могут процветать в диапазоне экстремальных температур, от -2,5°C до 122°C, что делает их идеальными кандидатами для изучения температурной адаптации.
|
|
|
В этой работе исследователи проанализировали и сравнили геномы разных видов метаногенов. Они разделили метаногены на три группы в зависимости от температуры, при которой они процветали: термотолерантные (высокие температуры), психротолерантные (низкие температуры) и мезофильные (температуры окружающей среды). Затем они создали базу данных 255 геномов и белковых последовательностей из ресурса под названием База данных таксономии геномов. Затем они получили температурные данные для 86 метаногенов, находящихся в лабораторных коллекциях, из базы данных TEMPeratures роста обычных и редких прокариот. Результатом стала база данных, которая связала содержание генома с температурой роста.
|
|
|
|
После этого исследователи использовали программное обеспечение под названием OrthoFinder для установления различных ортогрупп — наборов генов, происходящих от одного гена, присутствующего у последнего общего предка рассматриваемого вида. Затем они разделили эти ортогруппы на 1) основные (присутствуют более чем у 95% видов), 2) общие (присутствуют как минимум у двух видов, но менее чем у 95% организмов) и 3) уникальные (присутствуют только у одного вида). одиночные виды). Их анализ показал, что около трети метагенного генома является общим для всех видов. Они также обнаружили, что количество общих генов между видами уменьшается с увеличением эволюционного расстояния.
|
|
|
|
Интересно, что исследователи обнаружили, что термотолерантные организмы имеют меньшие геномы и более высокую долю основного генома. Эти небольшие геномы также оказались более «древними» в эволюционном отношении, чем геномы психротолерантных организмов. Поскольку термотолерантные организмы были обнаружены в нескольких группах, эти результаты показывают, что размер генома больше зависит от температуры, чем от истории эволюции. Они также предполагают, что по мере эволюции геномы метаногенов росли, а не уменьшались, что бросает вызов идее терморедуктивной эволюции генома, т. е. того, что организмы удаляют гены из своих геномов по мере их эволюции в места с более высокой температурой.
|
|
|
|
Анализы исследователей также показали, что метаногены растут в этом широком диапазоне температур без большого количества специальных белков. На самом деле, большинство белков, кодируемых их геномами, были похожи. Это привело их к рассмотрению возможности клеточной регуляции или более тонкой композиционной адаптации в качестве основной причины температурной адаптации. Чтобы исследовать это, они изучили состав аминокислот — строительных блоков белков — в метаногенах.
|
|
|
|
Они обнаружили, что определенные аминокислоты были обогащены в определенных температурных группах. Они также обнаружили различия в составе аминокислот, относящиеся к их протеомному заряду, полярности и энтропии развертывания — все это влияет на структуру белка и, следовательно, на его способность функционировать. В целом они обнаружили, что термотолерантные метаногены имеют более заряженные аминокислоты и функциональные гены транспорта ионов, чего нет у психротолерантных. В то время как психротолерантные организмы обогащены незаряженными аминокислотами и белками, связанными с клеточной структурой и подвижностью. Однако исследователи не смогли точно определить конкретные функции, общие для всех членов температурной группы, предполагая, что температурная адаптация — это постепенный процесс, который происходит небольшими шагами, а не требует крупномасштабных изменений.
|
|
|
|
В целом, «это указывает на то, что самые первые метаногены, появившиеся в то время, когда условия на Земле были враждебны жизни, могли быть похожи на организмы, которые мы находим на современной Земле», — объясняет Паула Прондзински. «Наши результаты могут указать на черты и функции, присущие самым ранним микробам, и даже дать ключ к пониманию того, возникла ли микробная жизнь в жаркой или холодной среде. Мы могли бы расширить эти знания, чтобы понять, как жизнь может адаптироваться к другим видам экстремальных условий, а не просто температуру и даже разгадать, как могла развиваться жизнь на других планетах».
|
|
|
|
Источник
|
