Озеро Моно в Восточной Сьерра-Неваде известно своими возвышающимися туфовыми образованиями, обилием артемии и черными облаками щелочных мух, уникально приспособленных к соленой воде с высоким содержанием мышьяка и цианида.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили еще одно необычное существо, скрывающееся в соленых мелководьях озера, — существо, которое может рассказать ученым о происхождении животных более 650 миллионов лет назад.
Организм является хоанофлагеллятом, микроскопической одноклеточной формой жизни, которая может делиться и развиваться в многоклеточные колонии способом, похожим на то, как формируются эмбрионы животных. Однако это не тип животного, а член сестринской группы для всех животных. И как ближайший живой родственник животных, хоанофлагеллят является важнейшей моделью для скачка от одноклеточной к многоклеточной жизни.
Удивительно, но он содержит свой собственный микробиом, что делает его первым известным хоанофлагеллятом, который устанавливает стабильные физические отношения с бактериями, а не просто поедает их. Таким образом, это один из самых простых организмов, известных наличием микробиома.
«О хоанофлагеллятах известно очень мало, и существуют интересные биологические явления, о которых мы сможем узнать, только если поймем их экологию», — говорит Николь Кинг, профессор молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), изучающая хоанофлагеллят как модель ранней жизни в древних океанах.
Обычно видимые только через микроскоп, хоанофлагелляты часто игнорируются водными биологами, которые вместо этого сосредотачиваются на макроскопических животных, фотосинтезирующих водорослях или бактериях. Но их биология и образ жизни могут дать представление о существах, которые существовали в океанах до того, как животные эволюционировали, и которые в конечном итоге дали начало животным. Этот вид, в частности, может пролить свет на происхождение взаимодействий между животными и бактериями, которые привели к человеческому микробиому.
«Животные эволюционировали в океанах, которые были заполнены бактериями», — сказала Кинг. «Если вы задумаетесь о древе жизни, все организмы, которые живут сейчас, связаны друг с другом в ходе эволюции. Поэтому, если мы изучим организмы, которые живут сегодня, то мы сможем реконструировать то, что происходило в прошлом».
Кинг и ее коллеги из Калифорнийского университета в Беркли описали организм, который они назвали Barroeca monosierra в честь озера, в статье, опубликованной в журнале mBio.
Почти 10 лет назад тогдашний аспирант Калифорнийского университета в Беркли Дэниел Рихтер вернулся из похода по Восточной Сьерра-Неваде с пробиркой воды из озера Моно, которую он случайно собрал по дороге. Под микроскопом она кишела хоанофлагеллятами. Помимо артемии , щелочных мух и различных видов нематод, в негостеприимных водах озера обитают немногие другие формы жизни.
«Она была просто забита этими большими, красивыми колониями хоанофлагеллят», — сказала Кинг. «Я имею в виду, они были самыми большими, которые мы когда-либо видели».
Колонии, на первый взгляд, насчитывавшие около 100 идентичных клеток хоанофлагеллят, образовывали полую сферу, которая вращалась и вращалась, когда каждая отдельная клетка двигала своими жгутиками.
«Одной из интересных особенностей является то, что эти колонии имеют форму, похожую на бластулу — полый шар из клеток, который формируется на ранних стадиях развития животных», — сказала Кинг. «Мы хотели узнать об этом больше».
Однако в то время Кинг была занята другими видами хоано, как она их называет, поэтому хоано из озера Моно томились в морозильнике, пока некоторые студенты не оживили их и не окрасили, чтобы рассмотреть их необычные хромосомы в форме пончика. Удивительно, но внутри полой колонии, где не должно было быть никаких клеток, также была ДНК. После дальнейшего исследования аспирантка Кейли Хейк определила, что это были бактерии.
«Бактерии стали огромным сюрпризом. Это было просто захватывающе», — сказала Кинг.
Хейк также обнаружил внутри сферической колонии соединительные структуры, называемые внеклеточным матриксом, которые выделялись хоанами.
Только тогда Хейку и Кинг пришло в голову, что это могут быть не остатки бактерий, которыми питались хоаны, а бактерии, живущие и питающиеся веществами, выделяемыми колонией.
«Никто никогда не описывал хоанофлагелляты со стабильным физическим взаимодействием с бактериями», — сказала она. «В наших предыдущих исследованиях мы обнаружили, что хоаны реагировали на небольшие бактериальные молекулы, плавающие в воде, или [что] хоаны поедали бактерии, но не было ни одного случая, когда они делали что-то, что потенциально могло бы быть симбиозом. Или, в данном случае, микробиомом».
Кинг объединилась с Джилл Банфилд, пионером метагеномики и профессором Калифорнийского университета в Беркли по науке об окружающей среде, политике и управлении, а также науке о Земле и планетах, чтобы определить, какие виды бактерий были в воде и внутри хоан. Метагеномика включает в себя секвенирование всей ДНК в образце окружающей среды для реконструкции геномов организмов, живущих там.
После того, как лаборатория Банфилда идентифицировала микробов в воде озера Моно, Хейк создал ДНК-зонды, чтобы определить, какие из них также были внутри хоанос. Бактериальные популяции были не идентичны, сказал Кинг, поэтому, очевидно, некоторые бактерии выживают лучше, чем другие внутри лишенного кислорода просвета колонии хоанофлагеллят. Хейк определил, что они оказались там не случайно; они росли и делились. Возможно, они спасались от токсичной среды озера, размышлял Кинг, или, может быть, хоанос выращивали бактерии, чтобы съесть их.
Она признает, что многое из этого — домыслы. Будущие эксперименты должны раскрыть, как бактерии взаимодействуют с хоанофлагеллятами. Прошлые работы в ее лаборатории уже показали, что бактерии действуют как афродизиак, стимулируя спаривание хоанофлагеллят, и что бактерии могут стимулировать одноклеточные хоаны объединяться в колонии.
Для нее хоанофлагелляты озера Моно станут еще одной модельной системой для изучения эволюции, как и хоаны, которые живут в бассейнах с водой на острове Кюрасао в Карибском море — ее основное внимание в настоящее время — и хоаны в бассейнах на Северном и Южном полюсах. Однако получение большего количества образцов из озера Моно может оказаться сложной задачей. Во время недавнего визита только шесть из 100 образцов содержали эти энергичные микроорганизмы.
«Я думаю, что нужно сделать гораздо больше с микробной жизнью озера Моно, потому что она действительно лежит в основе всего остального в экосистеме», — сказала Кинг. «Я взволнована B. monosierra как новой моделью для изучения взаимодействий между эукариотами и бактериями. И я надеюсь, что она расскажет нам что-то об эволюции. Но даже если и нет, я думаю, что это увлекательное явление».
