Випадково відкритий джгутіконосець оновлює систему еукаріот

Ріс. 1. Гемімастигофори. a — Spironema, b—f — новий вид Hemimastix, острів. — навколоротовий ^ (capitulum). На фото d гемімастикс захопив видобуток — клітку водорості. Фото f зображує передній кінець, стрілочки вказують на екструсоми — викидаються структури. Довжини масштабних лінійок: a — 10 мкм, f — 1 мкм, решта фотографій — 5 мкм. Ілюстрація з обговорюваної статті в Nature

Відкриття нового представника маловідомої і сильно відокремленої групи джгутіконосцев, яка називається Hemimastigophora, призвело до чергового перегляду мегасистеми еукаріот. Виявилося, що група Hemimastigophora, найімовірніше, є сестринською по відношенню до величезної групи Diaphoretickes, до складу якої входять майже всі фотосинтезуючі еукаріоти. Отримані нові дані можуть допомогти в пошуках кореня еволюційного древа еукаріот.

Гондванське чудище

У 1988 році група австрійських біологів відкрила незвичайну одноклітинну істоту, що отримала назву Hemimastix (W. Foissner et al., 1988. The hemimastigophora (Hemimastix amphikineta nov. gen., nov. spec.), a new protistan phylum from gondwanian soils). Це загадкове багатожгутикове створення було знайдено в зразках ґрунтів, зібраних в Австралії та Чилі (а точніше — на острові Пасхи, що нині належить Чилі). Гемімастікс — яскравий представник противників. Як відомо, цим словом називають тих володарів складної еукаріотичної клітини, які не удостоїлися честі бути віднесеними до рослин, тварин або грибів. Більшість противників — одноклітинні, і гемімастикс безперечно входить до їхньої «компанії». Але ось кому саме він родствен — спочатку залишилося загадкою. За одними ознаками гемімастикс нагадує евглен, за іншими — інфузорій, але і там, і там схожість у кращому випадку віддалена. Тому автори відкриття без вагань виділили гемімастикса в самостійний тип, що саме по собі — досить серйозна заявка.

Назва статті, в якій вперше описано гемімастикс, закінчується словами «новий тип противників з гондванських ґрунтів». Справа в тому, що з відкриттям цієї істоти пов’язана невелика біогеографічна інтрига. Спочатку гемімастикси виявили в ґрунті Австралії, і дослідники неабияк здивувалися, коли через деякий час знайшли їх ще й у зразку ґрунту, взятому поблизу аеропорту острова Пасхи. Цей острів вулканічного походження знаходиться в пустельному південно-східному секторі Тихого океану, набагато ближче до Південної Америки, ніж до Австралії (зараз він, як вже говорилося, належить Чилі). На думку більшості геологів, Австралія і Південна Америка колись були частинами великого південного суперконтиненту під назвою Гондвана. Біогеографи досить часто стикаються з організмами, які населяють «уламки Гондвани» і начисто відсутні на північних материках (а гемімастикса знайти там не вдалося, хоча ґрунтових проб з Євразії та Північної Америки було переглянуто досить багато). У таких випадках відразу напрошується припущення, що дана група саме в Гондвані і виникла. Подібних прикладів вистачає і в зоології, і в ботаніці, і в противології.

Правда, те, що гіпотеза про гондванське походження тієї чи іншої групи виглядає напрошується, ще не означає, що вона вірна. Відомий палеонтолог Кирило Єськов вже давно зазначав, що більшість відомих гондванських ареалів насправді являє собою приватні випадки так званих «відтіснених реліктів»: колись група заселяла величезну територію (аж до всієї земної кулі), потім її спіткав занепад, і область її поширення розпалася на кілька невеликих ізольованих фрагментів. Виникнути ж така група могла де завгодно: пов’язувати центр її походження з Гондваною абсолютно не обов’язково (див. К. Ю. Єськов, 1984. Дрейф континентів і проблеми історичної біогеографії). У багатьох випадках нові знахідки це прямо спростовують.

Ось і з гемімастиксом все виявилося саме так. Зовсім недавно гемімастикси були виявлені в лісовому ґрунті канадської провінції Нова Шотландія. Це — східний край Північної Америки, біля самого Атлантичного океану. Отже, ареал гемімастіксів — справді сильно розірваний, але до Гондвани він не прив’язаний. Втім, ця еволюційна гілка — в будь-якому випадку настільки давня, що вона обов’язково повинна була пережити об’єднання всієї земної суші в суперконтинент Пангею (причому швидше за все не один раз). А в такому випадку визначити географічний центр походження групи на підставі її сучасного поширення просто неможливо.

Нова стаття про гемімастикса підписана групою вчених, серед яких — найвідоміші канадські протистологи Аластер Сімпсон (Alastair Simpson) і Ендрю Роджер (Andrew Roger). Ці імена — свого роду «знак якості», вони показують, що дослідження проведено на вищому світовому рівні. Саме відкриття здійснила Яна Егліт (Yana Eglit), молода співробітниця лабораторії Сімпсона. В один прекрасний день вона переглядала під мікроскопом проби ґрунту, зібрані в околицях міста Галіфакс, і побачила там щось рухливе і незвичайне. З’ясувалося, що це гемімастикс, причому не той вид, який живе в Австралії і на острові Пасхи (канадцям довелося описати новий вид цього роду). Крім того, в канадському ґрунті опинився інший одноклітинний організм, близько родинний гемімастиксу — спиронема (Spironema), але її докладний опис поки не опубліковано; ймовірно, там теж доведеться виділити новий вид. «Головним героєм» статті, що вийшла в листопаді минулого року, оголошено саме гемімастикс.

Отже, гемімастикс — це одноклітинний джгутиконосець, що живе в лісовому ґрунті (крапельно-рідкої води там вистачає для життя одноклітинних плаваючих істот). Його стислий професійний опис міг би виглядати так (рис. 1). Тіло — двосторонньо-симетричне, ущільнене, овальне в плані, з чітко виділеними «спинною» і «черевною» сторонами. Обидві ці сторони покриті широкими щільними цільними платівками. З боків тіла, між «спинною» і «черевною» платівками, знаходяться борозни, з яких виходять джгутики. Кількість джгутиків у різних видів гемімастиксу різниться: у «гондванського» виду їх приблизно по 12 штук з кожного боку, а у канадського — по 17-19 штук. Всього, таким чином, джгутиків у гемімастикса не менше 20 і не більше 40. На передньому кінці тіла знаходиться клітинний рот. Гемімастикси — хижаки (втім, у цьому розмірному класі відмінність між хижаками і травоїдними майже відсутня), харчуються вони переважно дрібними одноклітинними водоростями, які захоплюють за допомогою передніх джгутиків. Є у них і спеціальні викидаються структури (екструсоми), призначені для атаки видобутку.

Цей опис показує, що гемімастикс — істота неординарна (хоча, зауважимо в дужках, жодної абсолютно унікальної ознаки у нього все ж немає). По-перше, двостороння симетрія з ротом, розташованим попереду — це пристрій тіла, звичайний для багатоклітинних тварин (наприклад, для яких-небудь хробаків), але одноклітинний. Так бувають влаштовані в основному хижі супротиви, і то далеко не всі. По-друге, привертає увагу кількість джгутиків. Самі по собі джгутики — аж зовсім не рідкість, це рухові структури, властиві більшості еукаріот і завжди однаково влаштовані. У одноклітинних противників джгутиків найчастіше два, рідше — один, ще рідше — чотири. Деякі одноклітинні мають тисячі джгутиків, які б’ються узгодженими хвилями — тоді вони називаються ресничками (це характерно для інфузорій). А ось кількість джгутиків, вимірювана десятками, буває у противників не надто часто, хоча є й такі приклади. За допомогою своїх джгутиків гемімастикс рухається і полює. На електронних мікрофотографіях він взагалі схожий на таємниче інопланетне чудовисько, на кшталт чорних медуз, які атакували зірочку «Тантра» в романі Єфремова «Туманність Андромеди» (хоча симетрія тіла у них була інша). Якщо південний вигляд гемімастикса отримав від своїх відкривачів цілком нейтральну назву Hemimastix amphikineta («двоякобувний» — маються на увазі ряди джгутиків праворуч і ліворуч), то новий вид канадці назвали Hemimastix kukwesjijk, на честь персонажа міфології місцевих індіанців — волосатого велетня-людоєда (див. wukes)

Провівши аналіз транскриптомів (був досліджений набір з 351 гена — це досить багато), канадські біологи підтвердили, що гемімастикс разом зі спиронемою відносяться до єдиної групи противників, яка називається Hemimastigophora. Ця група була виділена ще при першому описі гемімастикса — як ми вже говорили, дослідники тоді визнали її самостійним типом. Тип — це група дуже високого рангу в біологічній системі. Виявилося, однак, що своєрідність гемімастигофор була такою оцінкою не перебільшена, а применшена. Щоб оцінити важливість цього відкриття, погляньмо спочатку на древо еукаріот загалом.

Розлоге дерево життя

Почнемо з картинки, опублікованої пару років тому (рис. 2). Вона досить наочна, і якихось вже зовсім революційних змін в цій області з тих пір не відбулося. Опишемо представлене тут еволюційне древо дуже коротко, намагаючись не захаращувати опис посиланнями і не перетворювати його на довідник.

Ріс. 2. Еукаріотне древо життя. 1 — колодиктионіди, 2 — оксимонади, 3 — трихомонади, 4 — гіпермастигіни, 5 — дипломонади, 6 — ретортамонади, 7 — малавімонади, 8 — якобіди, 9 — кінетопластиди, 10 — евгленові джгутіконосці, 11 — гетеролобозні амеби, 12 — флабеллінієві амеби, 13 — звичайні амеби, 14 — раковинні амеби, 15 — копроміксиди, 16 — варіозеї, 17 — пеломікси, 18 — мастигамеби, 19 — ентамеби, 20 — протоспорангииды, 21 — диктиостелиомицеты, 22 — миксомицеты, 23 — апузомонады, 24 — анкиромонады, 25 — бревиаты, 26 — нуклеарииды, 27 — фонтикуліди, 28 — афеліди, 29 — мікроспоридії, 30 — криптоміцети, 31 — хітридіоміцети, 32 — безжгутикові гриби, 33 — філастереї, 34 — коралохітріум, 35 — мезоміцетозої, 36 — комірцеві джгутіконосці, 37 — пластинчасті, 38 — губки, 39 — кишечнополісні, 40 — ксенацеломорфи, 41 — первиннороті, 42 — вториннороті, 43 — мезостигмофіційні водорості, 44 — клебсормідіофіційні водорості, 45 — водорості-зчеплянки, 46 — харові водорості, 47 — колеохетові водорості, 48 — нефроселмідові водорості, 49 — пірамімонадові водорості, 50 — хлородендрові водорості, 51 — хлорофіційні водорості, 52 — ульвові водорості, 53 — печінковці, 54 — справжні мхи, 55 — антоцеротові мхи, 56 — судинні рослини, 57 — ціанідійні водорості, 58 — червоні водороси, 59 — глаукофіти, 60 — катаблефариди, 61 — гониомонади, 62 — криптомонади, 63 — центрогелідні сонячники, 64 — гаптофіти, 65 — інфузорії, 66 — споровики, 67 — протальвеоляти, 68 — динофлагеляти, 69 — бікосециди, 70 — лабіринтули, 71 — опаліни, 72 — болідові водорості, 73 — діатомові водорості, 74 — синурові водорості, 75 — жовтозелені водорості, 76 — бурі водорості, 77 — золотисті водорості, 78 — рафідові водорості, 79 — актинофріїдні сонячники, 80 — ооміцети, 81 — церкомонади, 82 — еугліфіди, 83 — плазмодіофороміцети, 84 — гаплоспоридії, 85 — громіїди, 86 — хлорарахніофіти, 87 — форамініфери, 88 — радіолярії. Назва Chromista в даному випадку є синонімом назви Stramenopiles. Ілюстрація зі статті D. Leontyev, M. Schnittler, 2017. The phylogeny of myxomycetes, зі зміною

Отже, еволюційне древо еукаріот поділяється на три величезні гілки, які можна для зручності назвати мегастволами. Перший з них, у багатьох відношеннях найпримітивніший, називається Excavata. Більшість членів цього мегастволу — джгутиконоці, одноклітинні і гетеротрофні, тобто нездатні харчуватися за рахунок енергії світла. У свою чергу, мегаствол екскават розпадається на два стволи, що мають різну еволюційну долю. Ствол Metamonada включає кілька груп джгутиконоців (оксимонади, трихомонади, гіпермастигіни, дипломонади, ретортамонади). Багатоклітинних форм серед метамонад немає. Багато з них живуть в організмах багатоклітинних тварин в ролі симбіонтів або паразитів. До стовбура Discoba належать три-чотири групи джгутіконосців (якобіди, цукубамонади, кінетопластиди, евгленові джгутиконосці) і гетеролобозні амеби, які схожі на справжніх амеб, але абсолютно їм не споріднені. Деякі гетеролобозні амеби виробили життєвий цикл з короткочасною багатоклітинною стадією — плодовим тілом, що нагадує плодове тіло гриба. Володарі таких життєвих циклів називаються слизовиками.

Другий мегаствол еукаріот, набагато більш різноманітний, але теж зберігає деякі примітивні ознаки, називається Amorphea. Характерні риси цього мегастволу — схильність до утворення хибноножок і відсутність фотосинтезу, тобто гетеротрофність, як і в екскават. Освіта хибноножок — не унікальна для аморфів властивість, але саме в цьому мегастволі вона особливо розвинена. Часто ложноножки служать для пересування, ще частіше — для харчування, а якщо вони стають довгими і гілкованими, то можуть перетворюватися на грибницю. Іноді одночасно з хибножками у клітин є джгутики, а іноді і немає.

Аморфеї діляться на два еволюційні стволи. Один з них називається Amoebozoa і складається з істот, які через постійне утворення хибноножок позбавлені постійної форми клітини — вони пересуваються, тією чи іншою мірою «перетікаючи» (пеломікси, мастигамеби, звичайні і раковинні амеби, міксоміцети). Як мінімум одна група амебозоїв — міксоміцети — перейшла до способу життя слизовиків: на певному етапі свого життєвого циклу вони утворюють багатоклітинні плодові тіла, досить складно влаштовані. Ймовірно, це один з найдавніших в історії життя на Землі прикладів морфогенезу, побудови складної форми.

Другий еволюційний стовбур аморфів, набагато більш різнорідний, називається Obazoa. У основи цього стовбура знаходиться кілька стародавніх і примітивних гілок, що складаються з джгутіконосців з хибножками (апузомонади, анкіромонади, бревіати). А інша його частина утворює велику гілку Opisthokonta — задніжгутикових, названих так за те, що у їх джгутикових клітин джгутик завжди розташований ззаду, тобто при поступальному русі він є штовхаючим, а не тягнучим, на відміну від більшості джгутіконосців, які рухаються джгутиком вперед. Пояснити це можна тим, що предки опістоконтів, які напевно вели придонний спосіб життя, харчувалися в прикріпленому стані, і «штовхаючий» джгутик створював потік води, що піднімає харчові частинки з дна. Опістоконти діляться на дві гілки — Holomycota («всі гриби») і Holozoa («всі тварини»). У групу голомікот входять деякі ґрунтові і прісноводні амеби (нуклеаріїди), кілька гілок спеціалізованих внутрішньоклітинних паразитів (афеліди, мікроспоридії, криптоміцети), хитридієві гриби, безжгутикові гриби і одна «власна» група слизовиків (фонтикуліди). Як бачимо, життєва форма слизовика виникала незалежно кілька разів у абсолютно різних еволюційних лініях. Серед інших голомикот особливо виділяються безжгутикові гриби: це група-гігант, яка досягла величезного розмаїття (близько 100 000 видів). Саме до неї належать капелюшні, плісняві та багато інших грибів, що живуть на суші. До групи голозоїв входять кілька своєрідних груп амебоподібних противників (мезоміцетозої, філастереї, коралохітріум), комірцеві джгутіконосці і багатоклітинні тварини. Останні, як ми знаємо, стали ще однією групою-гігантом (більше мільйона видів), освоїли всі можливі для еукаріот середовища проживання, а головне — створили організми дуже складної структури.

Третій мегаствол еукаріот — просто неймовірно різноманітний. Він і називається Diaphoretickes, що буквально означає «різноманітні». Дати цьому мегастволу загальну характеристику дуже важко: яка ознака ні назви, обов’язково знайдуться винятки. Загалом його представники схильні до освоєння товщі води і до придбання фотосинтезу (причому деякі від нього потім встигли відмовитися). Переважна більшість фотосинтезуючих еукаріот — члени мегастволу Diaphoretickes. Втім, групи, які не мали фотосинтезу ніколи, в ньому теж зустрічаються.

Мегаствол Diaphoretickes включає два великих стволи, що сильно відрізняються один від одного за еволюційними стратегіями. Ствол Archaeplastida іноді називають просто рослинами. У нього входять стародавня відокремлена гілка одноклітинних глаукофітових водоростей, червоні водорості і група Viridiplantae (зелені рослини). До останньої належать всілякі водорості зеленого кольору (вольвоксові, ульвові, харові, зчеплянкові) і наземні вищі рослини, яких налічується більше 300 тисяч видів — видовим багатством вони поступаються тільки багатоклітинним тваринам. Архепластиди — єдина велика гілка еукаріот, в якій немає хижаків (у всякому разі, одноклітинних: комоядні вищі рослини зараз не в рахунок).

Назва ствола SAR — абревіатура, що складається з перших букв назв трьох гілок, що входять до нього. Для цих гілок характерна колосальна різноманітність життєвих форм. Тільки аналогів багатоклітинних тварин серед них немає, але аналоги майже всього іншого — є. До гілки Stramenopiles належать хижі джгутіконосці бікосециди, багатоядерні опалини, дві групи грибоподібних організмів (ооміцети і лабіринтули), одна група сонячників (актинофріїди), а також безліч водоростей (бурі, золотисті, жовто-зелені, діатомові). Тут присутні як одноклітинні організми (бікосециди, сонячники, багато водорості), так і багатоклітинні — аж до бурої водорості ламінарії, довжина шару якої доходить до десятків метрів. До гілки Alveolata належать хижі або паразитичні джгутіконосці протальвеоляти, інфузорії, спеціалізовані паразити споровики і водорості-динофлагеляти. Нарешті, до гілки Rhizaria відносяться хижі джгутіконосці церкомонади, своєрідні фотосинтезуючі амеби (хлорарахніофіти), «власні» раковинні амеби (еугліфіди і громіїди), паразитичні аналоги слизовиків (плазмодіофороміцети) і споровиків (гаплоспоридії), також морклапеткові фи), а також однокласні. Тут дуже добре видно, наскільки легко в різних гілках можуть незалежно виникати дуже схожі життєві форми — раковинні амеби і слизовики, наприклад. В еволюції еукаріот це швидше правило, ніж виняток.

Крім великих стволів Archaeplastida і SAR, до складу групи Diaphoretickes входять дві самостійні давні еволюційні гілки, представлені одноклітинними водоростями: Cryptista (криптомонади) і Haptista (гаптофіти). Насправді до гілки криптистів належать ще дві групи джгутіконосців (катаблефариди і женіомонади), а до гілки гаптистів — «власна» група сонячників (центрогеліди). Спочатку їх всіх зближували з групою SAR, але в останні кілька років накопичуються молекулярні дані показали, що криптисти ближче до архепластидів, тобто до рослин, а ось гаптисти дійсно ближче до SAR.

Є й такі еукаріоти, приналежність яких взагалі до яких би то не було великих стовбурів (навіть мегастволів) довго була під питанням. Мабуть, найбільш примітна з таких груп — колодиктионіди, хижі прісноводні джгутиконосці, безперечно дуже примітивні і стародавні. Висловлювалася думка, що з усіх сучасних живих організмів саме колодиктионіди максимально близькі до загального предка еукаріот (S. Zhao et al., 2012. Collodictyon — an ancient lineage in the tree of eukaryotes).

Таке загальне уявлення про родинні зв’язки еукаріот, що склалося приблизно два-три роки тому. Тепер подивимося, що в ньому з тих пір змінилося.

Вічнозелена тема, або оновлення дерева

Почнемо з двох застережень. По-перше, «систему» і «еволюційне древо» ми зараз за фактом розглядаємо як синоніми (добре це чи погано, але в сучасній біології так прийнято). По-друге, нас абсолютно не цікавлять відносини всередині нехай навіть і досить великих груп (наприклад, всередині вищих рослин або багатоклітинних тварин). Предмет розмови зараз — виключно спорідненість між головними еволюційними гілками, тими, які приблизно відповідають старовинному поняттю «царство». На цьому рівні суттєві зміни, що з’явилися в системі за останню пару років, можна звести до двох пунктів.

1. Все більше і більше даних вказує на те, що групи Metamonada і Discoba насправді цілком самостійні. Вони не утворюють єдиного мегаствола, а розходяться відразу від загального кореня еукаріот. Якщо це вірно, значить, їхні загальні ознаки — це примітивні ознаки, успадковані від загального предка всіх еукаріот (у всякому разі, сучасних). А ось об’єднання Excavata, схоже, більше неактуально.

2. Висловлена гіпотеза про існування еволюційного стовбура, що отримав абревіатурну назву CRuM (див. Виділено нову супергрупу еукаріот, «Елементи», 17.04.2018). У нього входять дві групи джгутіконосцев (колодиктионіди і мантамонади) і одна група амеб (ригіфіліди). Група CRuM є сестринською щодо всього мегастволу Amorphea. При цьому трохи нижче неї на древі знаходяться ще дві стародавні гілки джгутиконосців — анкиромонади і малавімонади.

Треба сказати, що останній приклад добре прояснює загальну ситуацію в даній галузі науки. Систематика еукаріот розвивається швидко. Будь-який огляд з цієї теми застаріває максимум за рік. З першого погляду швидкість оновлення системи може привести свіжу людину в розпач: від одних тільки нових назв в очах рябить! Але це враження — великою мірою уявне. По-перше, по-справжньому великих змін останнім часом відбулося не так вже й багато. По-друге, — і це найважливіше — сучасна систематика еукаріот зовсім не являє собою якогось хаосу з нескінченними перетасовками. Вона розвивається послідовно, від твердо встановлених фактів до уточнень деталей. Гіпотеза CRuM може бути вірною або неправильною, але при будь-якому вирішенні цього питання зберігає силу загальне твердження: коллодиктиониды, мантамонады, анкиромонады, малавимонады и ригифилиды — все они суть крайне примитивные группы эукариот, ответвляющиеся где-то в окрестностях общего корня группы Amorphea. Ну що ж поробиш, якщо цих примітивних гілок так багато! Встановлення групи CRuM уточнює ймовірну послідовність їх гілки, але принципово картину не змінює.

І ось тепер вдалося прояснити положення ще однієї загадкової групи — гемімастигофор (рис. 3). Строго кажучи, гемімастигофори були і раніше відомі фахівцям, причому розглядалися вони як відокремлена група, що не входить ні в яку велику гілку еукаріот (A. Simpson et al., 2017. Protist diversity and eukaryote phylogeny). Але це було до того, як по них з’явилися молекулярні дані. А тепер канадським біологам, які перебувають в авангарді світової протистології, пощастило ці дані отримати. І виявилося, що гілка гемімастигофор бере початок десь у самому підставі мегастволу Diaphoretickes. Вона є сестринською по відношенню чи то до групи, що включає SAR і гаптистів, чи то до всіх Diaphoretickes в