Молекулярные часы перемотали назад: почему сложная жизнь возникла в совсем другую эпоху

История жизни на Земле оказалась куда глубже, чем предполагали учёные. Новое исследование показало: сложные организмы появились не два, а почти три миллиарда лет назад — задолго до того, как на планете появился кислород. Это открытие буквально переворачивает представление об эволюции.

Фото: Портал мэра и правительства Москвы / mos.ru by Без автора, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Тестирование

Когда жизнь усложнилась: пересмотр возрастов

Долгое время считалось, что животные, растения и грибы — потомки одного общего предка, возникшего около двух миллиардов лет назад. Но генетики установили, что ключевой переход от простых к сложным организмам произошёл почти на миллиард лет раньше. Речь идёт о появлении эукариот — существ, чьи клетки имеют ядро.

Именно это событие стало переломным в истории жизни: от примитивных форм, похожих на бактерий, к существам с обособленным хранилищем ДНК и потенциалом для развития многоклеточности. Новые расчёты показали, что этот переход начался около 2,9 миллиарда лет назад, когда сформировалось ядро, и завершился спустя сотни миллионов лет, с появлением митохондрий — энергетических станций клеток.

"Формирование ядра предшествовало появлению митохондрий", — отмечается в исследовании Nature.

Такой вывод делает событие ещё более загадочным: тогдашняя атмосфера Земли почти не содержала кислорода, который считался важным условием для появления сложных организмов.

Что изменили молекулярные часы

Учёные использовали усовершенствованный метод молекулярных часов, чтобы оценить возраст ключевых генов. В отличие от классического подхода, новый метод учитывает, что разные виды эволюционируют с разной скоростью. Например, вирусы изменяются быстрее, чем многоклеточные организмы, поэтому простое сопоставление скоростей часто даёт искажённые результаты.

Исследователи искали гены, которые удваивались в момент появления общего предка всех эукариот. Эти "генетические следы" позволили уточнить не только время, но и последовательность событий. Оказалось, что жизнь усложнялась постепенно, а формирование ядра произошло за сотни миллионов лет до кислородной революции.

Эти данные ставят под сомнение прежнюю гипотезу, согласно которой сложная жизнь появилась как реакция на рост уровня кислорода. Теперь ясно, что эволюция пошла по этому пути ещё до того, как атмосфера стала пригодной для активного дыхания. Об этом сообщает журнал Naked Science.

Эволюция без кислорода

До 2,4 миллиарда лет назад в земной атмосфере почти не было кислорода. Несмотря на это, древние археи — предки эукариот — уже демонстрировали повышенную сложность. Они научились защищать ДНК с помощью мембран, образующих ядро, что стало первым шагом к формированию сложных клеток.

Интересно, что это открытие перекраивает всю хронологию земной жизни. Теперь между появлением первых простейших организмов и формированием ядра клеток прошло около миллиарда лет. Это говорит о том, что процесс усложнения шёл не под воздействием внешних условий, а как внутренний биохимический ответ на накопленные мутации.

"Жизнь усложнилась задолго до кислородной эпохи", — говорится в комментариях исследователей.

Такой поворот делает ранней истории планеты ещё более загадочной: древняя Земля была не пустынным миром микробов, а ареной активных биохимических экспериментов, результатом которых стали первые прототипы сложных клеток.

Археи — скрытые предки

Главными героями этой истории стали археи — древнейшие микроорганизмы, которые до сих пор живут в экстремальных условиях: горячих источниках, глубинах океана и под земной корой. Они не нуждаются в кислороде и используют химические реакции для выработки энергии.

Современные исследования показывают, что именно археи стали "архитекторами" первых эукариот. Сначала они усложнились, образовав ядро, а позже вступили в симбиоз с бактериями, которые умели использовать кислород. Этот союз дал жизнь митохондриям — органеллам, отвечающим за энергообмен в клетке.

Именно митохондрии стали "ускорителем" эволюции. Благодаря им клетки получили возможность вырабатывать энергию в десятки раз эффективнее, что позволило развить многообразие форм жизни — от водорослей до человека.

Плюсы и минусы новых гипотез

Новое объяснение происхождения эукариот имеет как сильные стороны, так и спорные моменты.

Плюсы:

• расширяет временные рамки эволюции, объясняя постепенность изменений;
• объясняет существование сложных форм до появления кислорода;
• объединяет архей и бактерий в единую линию развития.

Минусы:

• требует пересмотра прежних моделей происхождения жизни;
• оставляет открытым вопрос, почему усложнение началось именно 2,9 млрд лет назад;
• не исключает возможности других, пока неизвестных факторов.

Тем не менее гипотеза даёт цельную картину: ядро и митохондрии появились не одновременно, а поэтапно, что логично с точки зрения биохимии и энергии.

Старые и новые модели происхождения эукариот

Ранее существовала популярная "митохондриальная гипотеза", утверждавшая, что ключевым событием стало поглощение древними клетками бактерий-симбионтов. Этот процесс позволил использовать кислород для синтеза энергии и ускорил развитие.

Теперь, по данным нового исследования, последовательность была обратной: ядро возникло раньше симбиоза. То есть сначала жизнь научилась управлять генетической информацией, а уже потом — эффективно использовать кислород.

Такое переосмысление делает раннюю эволюцию более постепенной и осмысленной. Вероятно, природа не совершила резкий скачок, а шла по пути множества проб и ошибок.

Вопросы о происхождении эукариот

Почему появление ядра стало таким важным?

Оно позволило защитить ДНК и организовать процессы внутри клетки, что сделало возможной многоклеточность.

Когда появились митохондрии?

Примерно через 600-700 миллионов лет после формирования ядра, когда атмосфера начала насыщаться кислородом.

Как археи и бактерии связаны между собой?

Археи послужили основой для клеток с ядром, а бактерии стали источником митохондрий. Их союз породил первую сложную клетку.

Почему это открытие важно для современной науки?

Оно помогает понять не только происхождение жизни, но и то, как клетка адаптируется к изменяющимся условиям среды.

Открытие, сделанное учёными, отодвинуло границы сложной жизни почти на миллиард лет в прошлое. Это значит, что Земля стала ареной биологического усложнения значительно раньше, чем считалось. Появление ядра без участия кислорода говорит о поразительной гибкости живой материи — её способности к саморазвитию даже в экстремальных условиях. Сегодня этот факт меняет представление об эволюции и заставляет заново взглянуть на открытие жизни за пределами Земли, ведь механизмы зарождения могут быть универсальны для всей Вселенной.