Более пристальный взгляд на протистов показывает, как много мы не знаем о жизни на нашей планете.
Гамдроп с сережкой.
Вот что приходит на ум, когда я смотрю на фотографии Себастьяна Гесса, изображающие пухлое, жестокое, одноклеточное существо, которое он собрал в пруду, богатом сфагнумом, на юге Германии. Изменяющая форму клетка амебозойной клетки, рыскающая в поисках клеток водорослей для нападения, скручивает свою длинную нить жгутика в петлю, похожую на серьгу. Удерживая петлю неподвижно, ячейка каким-то образом скользит. Однако петля не дергается, не бьется и не машет. «Они выглядят как крошечные летающие тарелки», — говорит Хесс.
Впервые он собрал существ без названия вида и с непонятной формой передвижения в 2010 году и долгие годы задавался вопросом, как это передвижение работает. Гесс искал и ухаживал за такими одноклеточными чудесами с тех пор, как был подростком и жил в микрозоопарке на подоконнике. Став взрослым, он сейчас учится в Техническом университете Дармштадта в Германии и специализируется на микроскопической группе, представленной в его зоопарке: протистах.
Эта большая, разнообразная группа одиночных клеток является одним из ближайших микробных родственников многоклеточной жизни, и они оборачивают свой генетический материал внутри клеточного ядра так же, как это делают животные, растения и грибы. Школьные древа жизни на протяжении большей части 20-го века, а иногда и позже, часто относили царство протистов к какой-то нижней ветви под славной короной преимущественно многоклеточных царств. Биологи сейчас думают немного иначе, и это больше, чем просто королевства.
Сегодняшние более современные схемы включают как минимум два огромных кольца микробных существ, называемых доменами бактерий и архей (SN: 29.07.15). Третий обруч, эукариоты, объединяет простейших и некогда гордые царства верхушек деревьев: животных, растения и грибы. Еще один захват может быть неизбежен, поскольку вся область эукариот, включая протистов и людей, которые их классифицируют, по-видимому, является ветвью архей.
Что касается летающих тарелок, Гесс и его коллеги работали почти 10 лет, чтобы понять, почему такая клетка движется так странно. По словам Хесса, это форма передвижения, никогда ранее не встречавшаяся у живых существ. Такое тороидальное плавание, или «пончик», вдохновило Гесса и его коллег в 2019 году поместить вновь обнаруженный вид в отдельный новый род — Idionectes, что примерно означает «своеобразный пловец».
О том, как плавать, как пончик, чуть позже, но этот вид, Idiolectes vortex, представляет собой прекрасный пример того, как высокотехнологичная биология в сочетании со старомодными исследованиями в сапогах в грязи вызывают волну открытий для харизматической группы ученых. крошечные жизни на Земле. Эти одноклеточные организмы вовсе не скучные маленькие точки. Кроме того, они добавляют неожиданные веточки и ветви к эволюционному древу жизни.
Мы живем на планете, где нет животных
Вот лишь несколько примеров новых протистов 2023 года: вид, названный в июне, имеет одноклеточный эквивалент вращающейся головы. В этой ячейке примерно шаровидной формы, обнаруженной в кишечнике южноамериканского термита, верхушка устойчиво вращается, не разрываясь и не удушая себя. Первооткрыватели выбрали демоническое имя, Daimonympha friedkini, вдохновленное вращающейся головой одержимого демоном ребенка в фильме режиссера Уильяма Фридкина 1973 года «Экзорцист».
Некоторые другие новые виды принадлежат к странным на вид, но экологически важным кокколитофорам. Эта ветвь в целом может обеспечивать до 10 процентов фотосинтеза океанов, превращая солнечный свет в пищу, которую едят другие существа. Каждая клетка кокколитофора покрыта чем-то вроде крошечных колпачков. Среди отличительных особенностей недавно названного Calciopappus curvus — пара выступов в форме большого пальца на некоторых колпаках.
Исследователи из Китая назвали особенно мелкий вид рода Euplotes — E. mazeii. В клетках Euplotes вырастает несколько наборов тонких отростков, называемых усами, которые выглядят как ноги, рисующие палочками. Даже не имея мозга и нервной системы, различные виды Euplotes могут двигать ногами с достаточной координацией, чтобы ходить по подводной поверхности. Инженеры, ищущие вдохновение для создания микророботов, анализируют такие походки.
Даже давно известные простейшие обладают привлекательностью как форма микродикой природы. Подобно большим кошкам и белым медведям, многие из этих харизматичных представителей микрофауны заслуживают собственных документальных фильмов о природе. Гесс помог снять одного из своих давних любимых протистов, разновидность Лакримарии. Эта довольно симпатичная клетка каплевидной формы преследует добычу, выпуская мультяшно длинную лебединую шею, которая может растягиваться более чем в семь раз по сравнению с исходной длиной тела организма. Шея с выпуклостью на конце, напоминающей голову, колеблется то в одну, то в другую сторону, гибкая, как змея, пока внезапный набросок, наконец, не сбивает с толку обед.
«Потрясающие» — это слово Гесса для протистов. «Они действительно ведут себя как целые организмы. Но это всего лишь клетки».
Или возьмем пять новых видов крошечных прожорливых клеток, получивших название «грызуны». Эти протисты размером всего около 3 микрометров в поперечнике в своей голодной серповидной форме кусают (своего рода) своих обычно более крупных жертв, закрывая их специальной бороздкой на теле, снабженной закаленными зубоподобными кусочками, называемыми зубчиками.
Зубастые и их ближайшие известные родственники, называемые небулидами, представляют настолько особую и древнюю линию, что заслуживают отдельной большой ветви на генеалогическом древе эукариот, сообщил в прошлом году биолог-эволюционист Патрик Килинг из Университета Британской Колумбии в Ванкувере и его коллеги. Килинг страстно говорит о важности хищников как нечто большее, чем просто развлечение, связанное с наблюдением за природой. «Если взять всех львов и гепардов и убить их всех, — говорит он, — вся экосистема придет в упадок». Вероятно, то же самое относится и к протистам.
Сегодняшние протисты разделены на супергруппы, которые представляют собой более крупные ветви, чем классические царства эукариот, и дают широкое и глубокое представление об эволюции. Например, супергруппа Amorphea включает всех животных и грибы, а также некоторых одноклеточных родственников, включая множество амеб. Новая супергруппа, названная в честь грызунов и небулид, Провора, намекает на «пожирающих прожорливых протистов», пишут Килинг и его коллеги.
Идионектес, несмотря на все его безмятежные путешествия, подобные НЛО, является свирепым хищником. Когда он находит водоросли, которыми можно питаться, планирующий космический корабль становится атакующей амебой. Он растворяет дыру в клеточной стенке водоросли, но не питается, как тигр, разрывая плоть снаружи добычи. Вместо этого идионектес проскальзывает через дыру в стене, сцеживая себя в обреченную клетку-жертву. Затем этот охотник пожирает свою добычу изнутри.
Наблюдение за протистами могло бы быть пугающим, если бы они были крупнее. Или если бы люди были меньше.
Микробная среда совершенно другая.
«Мы тратим так много времени, пытаясь представить себе инопланетные миры», — говорит Килинг. «Есть один прямо у нас под носом, более странный, чем все, что мы можем себе представить».
Он не театрален. Рассмотрим, например, то, как пятнышки тел протистов воспринимают воду. Это радикально отличается от того, как это делают гигантские неуклюжие люди и другие макроскопические пловцы. Одинокие клетки настолько малы, что свойства простой воды толкают их на едва узнаваемые для нас пути эволюции.
Нырните в бассейн и «если вы не пинаетесь, вы все равно будете идти вперед довольно долго, пока не остановитесь, верно?» Килинг говорит. Однако одна клетка настолько мала, что даже вязкость воды означает, что крошечный пловец вообще едва скользит (SN: 19.06.09). Если он перестанет плыть, он просто… остановится. «Это больше похоже на кукурузный сироп», — говорит Килинг.
Помимо замедления передвижения до ползучести, Мир Сиропа больше не позволяет выполнять определенные плавательные движения. Гребешок обычно летает, медленно открывая раковину и быстро закрывая ее. Но если волшебным образом миниатюризировать гребешок, он застрянет на месте и будет хлопать, предсказывают физики. Он добьется прогресса, закрыв свою оболочку, но отменит этот прогресс, открыв ее снова.
Однако есть и положительная сторона: движения, бесполезные для полноразмерных людей или гребешков, могут привести в движение крошечного пловца. В 1952 году физик Джеффри Ингрэм Тейлор предположил, что микробный пловец, имеющий форму пончика, может двигаться, своего рода вращением внутрь. (Идея возникла благодаря очаровательному выступлению лауреата Нобелевской премии США и физика Эдварда Миллса Перселла в 1976 году, но Тейлор появился раньше Перселла.)
По сути, именно это вращение и привело к плаванию петлевой клетки Idiolectes, объявили Хесс и его коллеги спустя почти 70 лет после предложения Тейлора. Длинный, жилистый жгутик клетки скручивается в самое тощее и тощее существо, которое когда-либо можно было назвать бубликом. Это скорее дыра, чем тесто, но она все же приближается к идее Тейлора.
На схеме, разработанной Тейлором, стороны пончика поднимаются через отверстие, над краем и оборачиваются вокруг другой стороны, чтобы еще раз скользить в середину. Поначалу Гесс мог сказать, что его клетка-капли явно вращается, но, глядя на скудную форму пончика жгутика с помощью простой микроскопии, «вы не можете увидеть никакого движения», говорит он. Но когда он и его коллеги устроили подводные снежные бури из латексных микрочастиц в сиропообразной жидкости (метод, который дал исследователям прорыв через восемь лет их усилий), Гесс увидел характерные движения частиц, показывающие, что жгутик вращается.
Как обнаруживают протистов
У Витторио Боскаро из лаборатории Килинга в Университете Британской Колумбии есть еще одна загадка вращения. «Мы понятия не имеем, почему они это делают», — говорит он. У нас видеозвонок, и он делится своим экраном, чтобы показать новый вид протистов с вращающейся головой, D. friedkini. На призрачно-сером видео световой микроскопии коренастая клетка плавает, а ее вершина, словно большая узловатая полярная ледяная шапка, постоянно вращается. Это завораживает.
В статье 2023 года, в которой объявляется об открытии Д. Фридкини, структуры вращающихся колес называются «известно редкими» в биологии. Бактерии могут свободно вращать свои жгутики, не скручиваясь на части, но клетки с более встроенными структурами редко справляются с этой задачей.
Тем не менее, это был не первый волчок среди сложных клеток. Анализируя генетический материал, исследователи составили вероятное генеалогическое древо ближайших и дальних родственников. Как ни странно, этот зверь не кажется таким уж близким родственником другого вида с вращающейся головой, неофициально называемого Rubberneckia, о котором исследователи время от времени пишут с 1974 года. Изучать протистов — значит жить в странностях.
То, что новый вид произошел из кишечника термитов, не имело большого значения, мягко говорит мне Боскаро, потому что простистологи потрошат термитов в поисках новых видов вращающихся протистов (rubberneckia и D. friedkini оба принадлежат к группе под названием Parabasalia) уже более век.
Протисты есть повсюду. Киран Мор, тогда студент Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада, набрал кучу, когда в 2016 году добавил немного исследования видов к семейной поездке.
Когда лето перед выпускным годом Мора подошло к концу, его семья отправилась на машине по восточной сельской местности Новой Шотландии. Они остановились в деревне на острове Кейп-Бретон, чтобы полюбоваться копией любимой шхуны 1920-х годов, изображенной на канадской монете, а Мор зачерпнул немного прибрежного песка. Это заняло всего несколько минут; на всякий случай он взял с собой набор пробирок для взятия проб. «Я просто носил его из гостиничного номера в гостиничный номер и сунул в мини-холодильник, когда еще был мини-холодильник», — говорит он.
Когда он вернулся в школу, осадок стал частью его студенческого проекта по поиску неизвестных видов морских амеб, называемых вампиреллидами (SN: 2.11.15). Это название может вызывать кошмары, но даже две из свирепых находок Мора выглядят не столь агрессивными и более похожими на ночлег и завтрак. Они напоминают жареное яйцо.
Хотя строение тела вампиреллидов различается, в данном случае «белок» яйца — это структура, которая прорывается сквозь внешний покров добычи, чтобы собрать питательные внутренности. Наблюдение за маленькой клеткой водоросли, пойманной вампиреллидом, показывает, что хищник прижимается к клетке водоросли до тех пор, пока жертва не перестанет двигаться, истощая внутренности умирающей клетки за пять-10 минут.
В единственном образце собранного Мором песка оказалось по меньшей мере семь явно разных видов амеб вампиреллид. Placopus melkoniani и P. pusillus, вампиреллиды-жареные яйца, теперь называемые новыми видами, охотятся, перекатываясь вперед. Их внешние мембраны движутся «как конвейерная лента», говорит Мор, или гусеницы танка. «Вы можете видеть, как все содержимое их клеток внутри также вращается вместе с вращающейся внешней мембраной, и это почти красиво», — говорит он.
В 2021 году из того же образца, полученного в отпуске, появился третий новый вид. Более того, к тому времени аспирант кафедры систематики и эволюции Университета Альберты в Эдмонтоне, Канада, и его коллеги назвали этот новый вид Sericomyxa perlucida, что означает «прозрачная шелковистая слизь». Он похож на волан для бадминтона, убитый на дороге, но с изысканно изящными пучками. И это был не просто новый вид в новом роде, но и представлял совершенно новое семейство.
Любой орнитолог или маммолог был бы в восторге от результатов. Но на головокружительном этапе открытия протистов «я был разочарован», — говорит Мор. «Я был настолько полон решимости найти экологическую линию, где никто ничего раньше не видел».
Когда шведский ботаник Карл Линней, основатель системы биологических названий западной науки XVIII века, изучал одноклеточные организмы, он ограничился поиском. Он назвал относительно небольшое количество одноклеточных организмов и отнес большинство из них к роду, который в конечном итоге назвал Хаосом. Сегодняшние биологи имеют в своем распоряжении гораздо больше высокотехнологичных инструментов, но эволюция жизни на Земле по-прежнему выглядит хаотичной. Согласно исследованию, опубликованному в этом году, одна клетка протиста, называемого криптомонадой, имеет семь отдельных наборов генов. Три из дополнительных наборов происходят от маленьких органов, произошедших от давно свободноживущих клеток, два от симбиотических бактерий, которые, очевидно, стали незаменимыми, и еще один от вируса, путешествующего автостопом в одной из бактерий.
Микробы доминируют на Земле
«Мы — отклонение», — говорит Морин О’Мэлли, философ микробиологии из Сиднейского университета, когда один многоклеточный землянин разговаривает с другим. С современной точки зрения на жизнь на планете доминируют одноклеточные микробы, в том числе протисты. Большие многоклеточные формы жизни теперь выглядят как редкие, выдающиеся уроды. По оценкам сравнения 2018 года, на долю простейших Земли приходится в два раза больше гигатонн углерода, чем на всех животных вместе взятых. Добавьте сюда другие микробы, и вместе они будут содержать в 40 раз больше биомассы.
Земля была полностью миром микробов на протяжении примерно 2,5 миллиардов лет или более, то есть большей части истории жизни, указывает О’Мэлли. Мы, большие многоклеточные, эволюционировали благодаря микробным инновациям. Всего несколько примеров: насыщенная кислородом атмосфера возникла в результате фотосинтеза цианобактерий 2,7 миллиарда лет назад. Даже сегодня, по оценкам, половина кислорода, которым мы дышим, поступает из микробных источников, а не из растений. А способность растений вырабатывать кислород возникла в результате поглощения микробной технологии, которую мы знаем как хлоропласты.
Термиты «поедают» древесину благодаря протистам, находящимся в их кишках. Растения томатов растут лучше, если в почве вокруг их корней обитает больше хищных простейших. Кальмары-бобтейлы получают свечение в своих световых органах от попавших в него бактерий. Мухи цеце не могут кормить молоком своих причудливых живорожденных детенышей без специализированных живых бактерий, обеспечивающих витамины группы B. Список влиятельных микробов можно продолжать и продолжать. Они сформировали мир и поддерживают в нем жизнь.
О’Мэлли резюмирует, что микробы являются «доминирующими формами жизни не только в сегодняшнем мире, но и во все прошлые эпохи живой Земли». Для орнитологов, любителей полевых цветов и любителей природы всех мастей по-настоящему впервые увидеть этих невидимо маленьких существ может быть похоже на осознание существования темной материи. И дело не только в том, что оно существует, но и в том, что оно составляет гораздо большую часть Вселенной, чем предполагаемый обычный материал.
Новые открытия протистов и других видов микробов, а также их образа жизни создают совершенно иной взгляд на жизнь во всех ее формах. За некоторыми причудливыми исключениями — включая нас — быть землянином — значит быть микроскопическим.
No comments:
Post a Comment