Решена загадка появления сложной жизни на Земле

Ученые Университета Макгилла в Канаде выяснили, как бактерии и муравьи-плотники стали зависеть друг от друга, став своего рода единым сложным организмом. Оказывается, микроорганизмы изменяли развитие эмбрионов насекомых, делая симбиоз осуществимым. О решении одной из загадок развития жизни сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature.

По оценкам, симбиотические взаимоотношения между бактерией Blochmannia и муравьями трибы Camponotini появились 41 миллион лет назад. Разновидность симбиотических взаимоотношений, при которых каждый из двух видов не может существовать без другого, при этом один из них живет в организме второго, называется облигатным эндосимбиозом. Бактерии, обитающие в клетках муравья, помогают насекомому усваивать питательные вещества, влияя на его размер. Муравьи, в свою очередь, обеспечивают микроорганизмам защиту от внешней среды. Однако развитие облигатного эндосимбиоза до сих пор являлось загадкой для биологов.

Внутри яйцеклеток самок муравьев вида Camponotus floridanus располагается зародышевая плазма — участок цитоплазмы, который определяет развитие клеток зародышевых линий, из которых затем при формировании эмбриона образуются новые яйцеклетки или сперматозоиды. В зародышевой плазме содержится РНК и белки, которые кодируют «гены зародышевой линии». Зародышевая плазма окружена бактериями Blochmannia, и ученые заподозрили, что микроорганизмы как-то влияют на этот участок цитоплазмы.

Оказалось, что при превращении яйцеклетки в зиготу РНК и белки, содержащиеся в зародышевой плазме, распределяются по четырем зонам, что никогда не наблюдалось у других видов муравьев. Ученые пришли к выводу, что эти зоны играют разные роли в интеграции Blochmannia внутрь C.floridanus в ходе эмбриогенеза. В этих зонах также присутствуют продукты Hox-генов, которые в норме определяют брюшные и грудные сегменты после их образования, однако в данном случае они также влияют на развитие клеток зародышевой линии.

Способность к распределению РНК и белков возникла до формирования облигатного эндосимбиоза. До того как бактерии и муравьи сформировали своеобразный суперорганизм, зон было всего лишь две. Это эволюционно совпадает с существовавшим экологическим мутуализмом (взаимовыгодном сосуществовании) между обоими видами организмов. Впоследствии бактерии использовали эту способность для дальнейшей интеграции, способствуя радикальной перестройке зародышевой плазмы.

Ученые считают, что подобные постепенные изменения могут происходить и в других случаях появления сложных организмов, включая многоклеточных существ.