Эволюция осмотрофов: как горизонтальный перенос генов изменил мир эукариот

В ходе эволюции несколько групп эукариот пришли к схожему способу питания — осмотрофии, которая подразумевает всасывание питательных веществ из окружающей среды. К осмотрофным эукариотам относятся грибы, псевдогрибы и лабиринтулы. Этот образ жизни потребовал значительной перестройки метаболизма для более эффективного усвоения поглощённых веществ.

Осмотрофные эукариоты: общие черты

Эукариоты, не способные к фотосинтезу, можно классифицировать по способу питания на несколько типов. Основные группы включают:

Фаготрофы — захватывают и поглощают свою добычу.

Фотосинтетики — используют неорганические вещества и солнечный свет для питания.

Осмотрофы — всасывают готовые органические вещества из окружающей среды.

Классическим примером осмотрофов являются грибы, которые, как и животные, являются гетеротрофами. Их тело состоит из тонких нитей — гиф, которые всасывают органику из раствора. Для этого грибы выделяют ферменты, расщепляющие биополимеры, и способны инвазивно расти, захватывая новое пространство. Псевдогрибы, такие как оомицеты, имеют схожую морфологию и физиологию, но отличаются по биохимическому составу клеточной стенки, которая у них состоит из целлюлозы, а не хитина. Мезомицетозои, или ихтиоспориды, также имеют осмотрофный способ питания, но их многоклеточные структуры напоминают эмбрионы животных. Лабиринтулы, в свою очередь, представляют собой колонии клеток, которые строят трубки, всасывающие органику из субстрата. Эти организмы демонстрируют, как разные группы эукариот независимо пришли к осмотрофному типу питания.

Эволюция и горизонтальный перенос генов

Исследование, проведенное международной группой ученых из Барселоны, Будапешта и Оксфорда, показало, что осмотрофные эукариоты приобрели многие необходимые гены методом горизонтального переноса. Это открытие стало неожиданностью, так как механизм горизонтального переноса генов между эукариотами до сих пор не был полностью понят. Ученые исследовали белковые последовательности четырех групп: грибов (Fungi), псевдогрибов (Pseudofungi), мезомицетозоев (Teretosporea) и лабиринтул (Labyrinthulea). Все группы возникли примерно 1 миллиард лет назад, за исключением лабиринтул, для которых оценка составляет около 600 миллионов лет. Это время совпадает с началом эволюции многоклеточных организмов на Земле.

Осмокластеры и адаптация к осмотрофному образу жизни

В ходе исследования были выделены так называемые осмокластеры — семейства белков, которые указывают на универсальные адаптации к осмотрофному образу жизни. Большинство из них связано с метаболизмом, что объясняет необходимость более мощных метаболических путей у осмотрофов. Также в осмокластерах были обнаружены белки-транспортёры, отвечающие за всасывание питательных веществ. Исследование показало, что количество белков из этих семейств резко увеличилось после обособления осмотрофных групп от других эукариот, что указывает на конвергентную эволюцию. Это означает, что разные группы эукариот независимо развивали схожие адаптации к осмотрофному питанию.

Горизонтальный перенос генов: механизмы и гипотезы

В 40 осмокластерах были выявлены признаки горизонтального переноса генов. Первоначально это происходило от неосмотрофных эукариот или бактерий. Однако в дальнейшем осмотрофы начали обмениваться генами между собой, что стало основным сюрпризом исследования. Ученые задаются вопросом, как именно происходил этот перенос. Возможные механизмы включают поступление чужеродной ДНК из окружающей среды или через вирусы. В последние годы были открыты гигантские вирусы, способные переносить гены между водорослями, что может указывать на аналогичные процессы в эволюции осмотрофов.

Заключение

Исследование подчеркивает, что горизонтальный перенос генов между эукариотами может происходить в больших масштабах и служить двигателем конвергентной эволюции. Понимание механизмов этого процесса остается актуальной научной проблемой, требующей дальнейшего изучения.