Есть некоторые естественные явления, которые мы наблюдаем ежедневно и воспринимаем как должное. Так, солнце посылает нам свои тепло и свет, и нет ничего быстрее его, а вода и кислород считаются неотъемлемыми потребностями многоклеточных организмов. Однако сегодня некоторые из этих постулатов, по-видимому, необходимо пересмотреть, например, в отношении связи между кислородом и выживанием организмов.
Почему мы говорим об этом? Просто потому, что в этом году ученые обнаружили, что медузообразный паразит не имеет митохондриального ДНК. Это первый многоклеточный организм, в котором отсутствует геном митохондрий. Это значит, что паразит не дышит. На самом деле, этот организм живет абсолютно бескислородной жизнью.
Это открытие не только меняет наши представления о жизни на планете Земля, но также может иметь большое значение для поисков внеземной жизни. Теперь ученым не нужно подтверждать наличие кислорода на планете, чтобы мы поверили в возможность существования жизни на ней, и тем самым ее поиски радикально изменятся.
История митохондрий. Как дышат живые организмы
Здесь нам необходимо вернуться к тому, что мы изучали в старшей школе. Когда мы говорим о таком явлении как дыхание, то вспоминаем процесс вдыхания кислорода и выброса углекислого газа через легкие. В действительности все по-другому. В биологии этот процесс называется газообменом, то есть обменом газов между организмом и внешней средой. При этом процесс дыхания имеет совершенно другое значение. Газообмен — это физический процесс, а дыхание — химический.
Дыхание или клеточное дыхание — это совокупность реакций и процессов, которые происходят в клетках живых организмов для получения энергии путем преобразования питательных веществ в молекулы кислорода. Другими словами, дыхание — это процесс окисления соединений, которые мы употребляем в пищу, чтобы получить энергию, необходимую для образования клеток организма.
Живые организмы развили способность усваивать кислород, то есть дышать, примерно 1,45 миллиарда лет назад. В то время микроорганизм, похожий на бактерии, но более крупный, называемый археей, проглотил горстку более мелких бактерий. Каким-то образом новый процесс был полезен для обеих сторон, и они остались вместе, олицетворяя абсолютную гармонию.
Эти симбиотические отношения привели к совместной эволюции двух организмов, и в конечном итоге данные бактерии превратились в органеллы, называемые митохондриями. Эта наиболее популярная среди ученых гипотеза предполагает, что митохондрии изначально были прокариотическими клетками, способными осуществлять окислительные механизмы, которые были невозможны во время эукариотических клеток. Эта теория подтверждается тем фактом, что митохондрии обладают многими свойствами бактерий.
Каждая клетка в организме человека, за исключением эритроцитов, содержит большое количество митохондрий, которые необходимы для процесса дыхания.
Как происходит процесс дыхания?
Дыхание происходит путем преобразования химической энергии в молекулах кислорода и питательных веществ в так называемый аденозинтрифосфат (АТФ). Это вещество представляет собой соединения, которые можно сравнить с «энергетической валютой». Другими словами, эти соединения являются источником энергии, которая потребляется в ходе различных энергозатратных процессов.
Процесс производства энергии протекает в виде цепочки биохимических реакций, в ходе которых большие молекулы разделяются на более мелкие, и высвобождается энергия. Большую часть этих реакций составляют процессы окисления и восстановления.
Хотя клеточное дыхание технически напоминает реакцию горения, встречающуюся в природе, это явно не одно и то же. Процесс дыхания — это взаимодействие внутри клеток, происходящее посредством медленного, контролируемого высвобождения энергии, и эта энергия не высвобождается напрямую, а накапливается в энергетической валюте клетки (АТФ). Поскольку клеточное дыхание происходит при обязательном участии кислорода, ученые называют его аэробным дыханием или аэробным метаболизмом.
Первый многоклеточный организм, которому не нужен кислород, чтобы выжить!
Мы также знаем, что существуют модификации, которые позволяют некоторым организмам нормально существовать в условиях низкого содержания кислорода или гипоксии. Некоторые одноклеточные организмы развили митохондриальные органеллы для анаэробного метаболизма (то есть без участия кислорода). Однако возможность многоклеточных организмов дышать исключительно анаэробным способом была предметом споров в научных кругах.
Этот организм принадлежит к группе книдарий, или стрекающих. К ней помимо прочего относятся кораллы, медузы и анемоны. Эти паразиты создают в рыбе неприглядные кисты, но не представляют вреда. Они существуют в лососе на протяжении всего своего жизненного цикла без каких-либо проблем.
В теле своего хозяина этот крошечный паразит может выжить в совершенно гипоксических условиях. Однако трудно точно узнать, как это происходит, не изучив ДНК организма, чем и занялись израильские исследователи. Они использовали методы глубокого секвенирования и флуоресцентной микроскопии для более тщательного изучения этого паразита и обнаружили, что он утратил митохондриальный геном. Другими словами, его ДНК лишен гена, который отвечает за синтез митохондрий. Кроме того, исследователи обнаружили, что он также утратил способность дышать воздухом и почти все гены, необходимые для участия в процессах транскрибирования и репликации митохондрий.
Подобно одноклеточным организмам, у этого паразита развились митохондриальные органеллы, но они также необычны: на их внутренней мембране есть складки, которые обычно не видны. Таким образом, как свидетельствуют результаты исследования, наконец, найден многоклеточный организм, не нуждающийся в кислороде для выживания.
Почему он не может дышать?
Как этот организм существует? Ответ на этот вопрос окутан тайной. Возможно, паразит в состоянии извлекать ATP из своего инфицированного хозяина, но это еще окончательно не определено. Тем не менее утрата данным паразитом митохондрий полностью соответствует общей тенденции у этих организмов к генетическому упрощению. За долгие годы они по сути превратились из своих предшественников в гораздо более простые паразиты, которые мы можем увидеть сегодня.
Henneguya salminicola утратил большую часть исходного генома своего родственника медузы, но странным образом сохранил сложную структуру, похожую на структуру клеток медузы. Это открытие могло бы помочь рыбным хозяйствам адаптировать свои стратегии для борьбы с паразитом. Хотя это безвредно для людей, вряд ли кто-то захочет купить лосося, кишащего странными маленькими медузообразными организмами.
Понять жизнь и найти живые организмы в космосе
Возможно, настоящее значение этого открытия заключается в том, чтобы помочь нам понять, как устроена жизнь. Это открытие подтверждает, что адаптация к анаэробной среде не является уникальной способностью одноклеточных организмов, но развивается также и среди многоклеточных паразитов. Таким образом, уникальный паразит Henneguya salminicola дает возможность изучить эволюционный переход от аэробного дыхания к исключительно анаэробному метаболизму.
Таким образом, ученые могут изменить свои представления о тех формах жизни, которые они ищут за пределами нашей планеты. Теперь нет необходимости искать кислород на поверхности той или иной планеты, чтобы прогнозировать наличие жизни на ней или под землей. Возможно, существуют сложные формы жизни, которые не полагаются на кислород для получения энергии.
