Некоторые истины об окружающей нас Вселенной кажутся незыблемыми. Сумма углов в плоском треугольнике равна 180 градусам. Ничто не может двигаться быстрее света. Частица может быть волной, и наоборот. Многоклеточным организмам для жизни необходим кислород. Хотя постойте — последний факт, как показало последнее исследование, уже неверен.
Когда медузоподобный паразит, названный Henneguya salminicola, присасывается к мясу вкусной рыбы, он не задерживает дыхание. А все из-за того, что H. salminicola — единственное известное на данный момент животное, которому не требуется дыхание для полноценной жизни.
Если бы вы проводили всю свою жизнь, заражая плотные мышечные ткани рыб и подводных червей, как это делает H. salminicola, у вас, вероятно, тоже не было бы возможности превратить кислород в энергию. Однако все другие многоклеточные животные на Земле, ДНК которых ученым удалось секвенировать, имеют специальные гены, отвечающие за дыхание. Согласно новому исследованию, опубликованному 24 февраля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, таких генов у H. salminicola просто нет.
Ученые обнаружили, что этот паразит не имеет митохондриальной ДНК. Как известно, у многоклеточных организмов, в том числе и у человека, два ДНК — одна находится в ядре клетки, а другая в митохондриях, крошечных органеллах внутри клеток. Геном митохондрий кодирует информацию о синтезе белков-ферментов, которые дают клетке энергию. И для получения энергии митохондрии как раз и «перерабатывают» кислород. Поэтому многоклеточный организм без митохондриального генома вызывает удивление — как же его клетки получают энергию?
Это открытие не только меняет наше понимание того, как жизнь может приспосабливаться к различным условиям здесь, на Земле — оно серьезно расширяет границы для поиска внеземной жизни. Вообще говоря, жизни не требуется кислород: некоторые простейшие одноклеточные отлично обходятся и без него. Способность к метаболизму кислорода — то есть к дыханию — начала развиваться около 1.5 миллиардов лет назад. Более крупная архея поглотила меньшую бактерию, и каким-то образом новый дом бактерии понравился, и начался их симбиоз, то есть взаимовыгодная жизнь и сотрудничество.
Эти симбиотические отношения привели к тому, что два организма эволюционировали вместе, и в конечном итоге эти бактерии, укоренившиеся внутри клеток, стали одними из органелл — митохондриями. Каждая клетка вашего тела, кроме красных кровяных телец, имеет большое количество митохондрий, и они необходимы для процесса дыхания. Они расщепляют кислород для образования молекулы под названием аденозинтрифосфат, которую многоклеточные организмы используют для питания клеточных процессов.
Мы знаем, что существуют приспособления, которые позволяют некоторым организмам процветать в условиях низкого содержания кислорода, или гипоксии. Более того, некоторые животные умеют впадать в спячку, резко уменьшая потребление энергии и, соответственно, кислорода. Некоторые одноклеточные организмы развили митохондриальные органеллы для анаэробного (безкислородного) метаболизма, но возможность существования исключительно анаэробных многоклеточных организмов была предметом некоторых научных дискуссий в течение десятилетий.
Все изменилось, когда группа исследователей во главе с Даяной Яхаломи из Тель-Авивского университета в Израиле решила еще раз взглянуть на распространенного паразита лосося под названием Henneguya salminicola и оказалось, что это животное-то не дышит.
Этот паразит относится к классу книдарий, или стрекающих. В него входят также кораллы, медузы и анемоны. И хотя цисты, которые H. salminicola создает в мякоти рыбы, неприглядны, эти паразиты не особо вредны и без особых проблем сосуществуют с лососем в течение всей его жизни. Спрятанный внутри своего хозяина, крошечный книдарий выживает в довольно гипоксических условиях. Но как именно он это делает, трудно понять, не изучая его ДНК, так что именно это и сделали исследователи.
Они использовали глубокое секвенирование и флуоресцентную микроскопию, чтобы провести тщательное исследование H. salminicola, и обнаружили, что этот паразит потерял свой митохондриальный геном в ходе эволюции. Кроме того, он также утратил способность к аэробному дыханию и почти все ядерные гены, участвующие в транскрибировании и репликации митохондрий.
Подобно одноклеточным организмам, у него развились митохондриальные органеллы, но они тоже необычны — у них есть складки на внутренней мембране, которые обычно не видны. Более того, исследуя его близкого родственника, книдарию Myxobolus squamalis, исследователи обнаружили у него митохондриальный геном.
В итоге, судя по всему, H. salminicola пошел по пути обратной эволюции. Раньше этот паразит, скорее всего, был больше похож на своих желеобразных родственников, однако постепенно терял признаки развитого многоклеточного существа.
«Они потеряли свои ткани, свои нервные клетки, свои мышцы, почти все», — сказала соавтор исследования Дороти Хучон, эволюционный биолог из Тель-Авивского университета в Израиле. «А теперь мы обнаружили, что они к тому же потеряли способность дышать».
Эта «генетическая деградация», вероятно, является одной из сильных сторон таких паразитов. Они имеют одни из самых маленьких геномов в животном мире, что делает их почти неузявимыми и очень эффективными. И хотя H. salminicola относительно безвреден, другие схожие паразиты заразили и уничтожили целые рыбные фермы, сказала Хучон, что делает их угрозой как для рыбы, так и для рыбаков.
Споры паразита H. salminicola светятся зеленым светом под флуоресцентным микроскопом.
В рыбе этот паразит выглядит как небольшой белый пузырек. Он безопасен для человека, однако мало кто согласится есть рыбу вместе с «мясом третьего сорта». Особый интерес представляют споры этого паразита. Под микроскопом они выглядят как синеватые сперматозоиды с двумя «инопланетянскими глазами».
На деле эти «глаза» — сложные стрекательные клетки, оставшиеся от предков-медуз. Однако они не имеют внутри яда и выполняют иные функции, а именно помогают паразиту зацепиться за хозяина. Эти стрекательные клетки являются чуть ли не единственными развитыми особенностями, от которых H. salminicola не отказался на своем пути эволюционного упрощения.
«Животные всегда считались развитыми многоклеточными организмами с множеством генов, которые становятся все более и более сложными», — сказала Хучон. «Здесь мы видим организм, который идет совершенно противоположным путем. Он превратился в почти одноклеточное».
«Наше открытие подтверждает, что адаптация к анаэробной среде не уникальна для одноклеточных эукариот, и также развивается у многоклеточных паразитических животных», — пишут исследователи в своей статье. «Следовательно, H. salminicola дает возможность понять эволюционный переход от аэробного к исключительному анаэробному метаболизму».
Остается лишь один вопрос: как этот паразит приобретает энергию, если он не дышит? У исследователей пока нет точного ответа. По словам Хучон, у других подобных паразитов есть белки, которые могут получать АТФ (базовую молекулярную энергию) непосредственно от их инфицированных хозяев. Возможно, чем-то подобным занимается и H. salminicola, но для точного ответа необходимо дальнейшее изучение генома этого странного организма — во всяком случае того, что от него осталось.