В Японии вырастили ближайших родственников сложной жизни, и у них нет ядра

Ближайшие ныне живущие родственники всех животных, растений и грибов Земли теперь растут в лаборатории в Японии — и они совсем не похожи на предка, которого представляли себе многие биологи. Группа учёных из JAMSTEC, Японского агентства по морской и геологической науке и технологиям, впервые получила чистые культуры Heimdallarchaeia — группы одноклеточных архей, от которых, как считается, произошли сложные клетки. Внутри эти клетки устроены просто: ни ядра, ни внутренних компартментов, ничего, что напоминало бы органеллы, определяющие устройство наших собственных клеток.

Неожиданность обнаружилась снаружи. Каждая клетка отращивает длинные ветвящиеся отростки, которыми захватывает микробов-партнёров, без которых не может жить; при этом клетки заболевают при воздействии кислорода, хотя несут гены для работы с ним. В совокупности эти черты рисуют образ нашего глубочайшего одноклеточного предка как медленного, избегающего кислорода микроба, жившего за счёт партнёрства, а не как миниатюрной версии сложной клетки, которой ему предстояло стать.

Открытие касается одного из старейших вопросов биологии: как простая клетка без ядра превратилась в сложно устроенную эукариотическую клетку, из которых состоит каждое человеческое тело. Согласно ведущему объяснению, архейная клетка вступила в тесное партнёрство с бактерией, а затем поглотила её, и та стала митохондрией — энергетической станцией внутри наших клеток. Какая именно линия архей выступила хозяином и какой она была, годами оставалось предметом споров, основанных главным образом на фрагментах ДНК, извлечённых из грязи и морской воды.

Heimdallarchaeia находятся в центре этого спора. Они относятся к типу Promethearchaeota, более известному под прежним названием Asgard archaea, а генетические родословные помещают их на ветвь архей, ближайшую к эукариотам. До сих пор никто не видел живого представителя этой группы вблизи, поэтому предположения о том, что у них уже были сложные внутренние структуры или что они могли дышать кислородом, как мы, основывались исключительно на чтении геномов.

Как это удалось

Микробы были получены из необычного места: биоплёнки, покрывавшей внутреннюю поверхность скважины природного газа на полуострове Босо в префектуре Тиба, к востоку от Токио. Там солёные, богатые метаном грунтовые воды поднимаются наверх и периодически извергаются, словно небольшой гейзер, поэтому плёнка регулярно контактирует с воздухом. Команда намеренно выбрала это место, рассчитывая обнаружить родственников эукариот, которые уже имели некоторую историю взаимодействия с кислородом.

На их выращивание ушло три года. Исследователи подкармливали культуры крошечными количествами богатой белками пищи, включая казаминокислоты, пептон и сухое молоко, а также применяли циклы антибиотиков, чтобы уничтожить конкурирующие бактерии, снова и снова перенося выжившие клетки в свежую среду. В результате были получены два штамма — HC1 и SC1. HC1 теперь существует в устойчивой паре с единственным микробом-партнёром, производящим метан; SC1 живёт в трио с двумя такими партнёрами.

Это не быстрорастущие организмы. HC1 требуется примерно неделя или больше, чтобы удвоиться, а SC1 — от двух до трёх недель. Кишечная бактерия вроде E. coli способна удвоиться примерно за 20 минут. Затем команда изучила клетки с помощью сканирующих и просвечивающих электронных микроскопов, криоэлектронной томографии, реконструирующей замороженную клетку в 3D, и флуоресцентного мечения, а также секвенировала оба генома, размер которых составил 7,91 и 6,75 миллиона букв ДНК.

Простые внутри, активные снаружи

На десятках электронных микрофотографий ни у одного из штаммов не обнаружилось постоянной внутренней мембраны — отличительного признака эукариотических клеток. В отдельных клетках встречались небольшие пузырькоподобные структуры, которые появлялись и исчезали, но не было ни ядра, ни эндоплазматического ретикулума, ни чего-либо, что клеточный биолог назвал бы органеллой. Клетки делятся надвое, как обычные микробы.

Их поверхность рассказывала другую историю. После фазы роста большинство клеток выпускало несколько отростков толщиной около 370 нанометров, которые ветвятся и образуют вздутия; зачастую эти отростки имели больший объём, чем само тело клетки, — в среднем примерно в 1,4 раза. Отростки были пронизаны филаментами, напоминающими актин — белок, который придаёт форму и нашим клеткам, — и физически прикреплялись к микробам-партнёрам. У клеток в процессе деления таких отростков не было никогда.

Это партнёрство не является факультативным. Оба штамма расщепляют фрагменты белков и выделяют водород как отход, но эта реакция останавливается, если партнёр не продолжает поглощать водород. Когда исследователи заблокировали производящих метан партнёров ингибитором, археи полностью перестали расти.

Ещё одна особенность привлекла внимание команды. Когда HC1 получал больше пищи, он не начинал делиться быстрее. Вместо этого его клетки увеличивались и отращивали больше отростков. Панорамная визуализация примерно 15 000 клеток показала, что на каждую клетку приходилось больше отростков и они были крупнее, а количество белка на клетку выросло с 66 до 226 фемтограммов. Типичные бактерии и археи направляют дополнительную энергию на размножение. Как отмечают авторы, обмен увеличения размеров на воспроизводство характерен для эукариот.

Кислородная загадка

HC1 несёт гены терминальных оксидаз — ферментов, которые у животных находятся в конце цепи, использующей кислород для получения энергии. Некоторые исследователи трактовали сходные гены в ДНК Heimdallarchaeia как признак того, что предок эукариот уже дышал кислородом. Культуры говорят об обратном. Добавление даже следовых количеств кислорода или атмосферы с 1% кислорода сокращало число клеток HC1 примерно в сто раз.

HC1 мог выживать в присутствии кислорода только с помощью других организмов. Когда в культуру добавляли потребляющие кислород бактерии, выделенные из исходного обогащения, HC1 рос несмотря на низкие уровни кислорода, хотя клеток не становилось больше, чем прежде. В его геноме также отсутствует аппарат, необходимый для направления электронов от пищи к кислороду. Команда заключает, что оксидазы выполняют защитную функцию, удаляя кислород, подобно тому как они действуют у других строгих анаэробов. Ферритин — белок, ограничивающий повреждения от кислорода с участием железа, — вошёл в тройку наиболее активно экспрессируемых белков HC1.

Полногеномный тест указал в том же направлении. Исследователи обучили классификатор на ферментах, позволяющих различать организмы, нуждающиеся в кислороде, и те, что его избегают, и он верно сортировал известных микробов примерно в 95% случаев. При применении ко всему типу Asgard результат показал, что эта группа в целом анаэробна — независимо от наличия генов оксидаз.

Это согласуется с идеей, известной как модель Ox-Tox: бактерия, ставшая митохондрией, сначала заслужила своё место тем, что поглощала кислород, токсичный для её архейного хозяина, задолго до того, как стала поставщиком энергии для клетки.

Чего это не решает

Эти микробы — кузены предка, а не сам предок. У них было столько же времени на эволюцию, сколько и у нас, — по большинству оценок, около двух миллиардов лет, — и любая наблюдаемая сегодня черта могла быть приобретена или утрачена по пути. Собственный анализ команды показывает, что гены, связанные с работой с кислородом, перемещались горизонтально между родственными группами, поэтому вопрос о том, были ли они у предка вообще, остаётся открытым.

Выборка также невелика. Под микроскопом были изучены лишь три штамма с этой ветви дерева: HC1, SC1 и обогащённая культура, ранее описанная другой группой. У всех трёх нет органелл, однако столь разнообразная линия может включать представителей с более сложным внутренним устройством. Случайные внутренние пузырьки в некоторых клетках пока не имеют объяснения, и авторы не называют их ни примитивными органеллами, ни артефактами.

Имеют значение и лабораторные условия. Форма клеток менялась при химической фиксации для визуализации, а отростки часто обламывались — это предостережение, на которое указывают сами авторы, говоря об интерпретации анатомии по законсервированным образцам. Культуры представляют собой чистые пары и трио с партнёрами, а не культуры одного вида, поскольку археи не могут расти в одиночку.

Линия, теперь открытая для экспериментов

Группа JAMSTEC вырастила первого представителя более широкой группы Asgard — штамм MK-D1 из глубоководных донных отложений — и сообщила об этом в 2020 году. В 2023 году команда из Вены описала второй вид, Lokiarchaeum ossiferum, с похожими отростками. Новые штаммы относятся к ветви, ближайшей к эукариотам, растут быстрее, чем MK-D1, и имеют более крупные клетки, что делает их значительно удобнее для изучения.

Команда предложила названия для обоих: Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum для HC1 — название рода, содержащее фамилию Линн Маргулис, биолога, отстаивавшей теорию о том, что митохондрии начались как захваченные бактерии, — и Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum для SC1.

Распространённые вопросы об археях, стоящих за сложной жизнью

Что такое археи Asgard?

Археи Asgard, теперь официально называемые Promethearchaeota, — это группа одноклеточных микробов, впервые выявленная по ДНК из окружающей среды и названная в честь скандинавской мифологии. Их геномы содержат множество генов, которые прежде считались уникальными для эукариот, поэтому эту группу рассматривают как линию, из которой возникли сложные клетки.

Произошли ли люди от архей?

В глубоком смысле — да. Ведущая модель утверждает, что первая эукариотическая клетка возникла, когда архея, родственная современным Heimdallarchaeia, вступила в партнёрство с бактерией, ставшей митохондрией. От этой объединённой клетки происходят все животные, растения и грибы.

Есть ли у Heimdallarchaeia ядро?

Нет. У культивируемых штаммов HC1 и SC1 нет ни ядра, ни постоянных внутренних мембран. Их сложность сосредоточена снаружи — в длинных ветвящихся отростках, соединяющихся с микробами-партнёрами.

Могут ли эти археи жить с кислородом?

Едва ли. Они анаэробны, и при следовых количествах кислорода их численность падает примерно в сто раз, однако один штамм выживал при низком уровне кислорода, когда в его культуре присутствовали потребляющие кислород бактерии.

Исследование было опубликовано в Nature 28 октября 2026 года и впервые размещено в виде препринта в феврале 2025 года. JAMSTEC сообщает, что два штамма теперь станут экспериментальными моделями, а команда обратится к их клеточным структурам и способу связывания с микробами-партнёрами, чтобы проследить, как архейная клетка с отростками снаружи в итоге сформировала ядро внутри.

Источник: Imachi, Nobu et al., «Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,» Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

Теги: Asgard archaea, Heimdallarchaeia, JAMSTEC, археи, клеточная биология, эволюция