Простейшие львы

Люди иногда способны игнорировать слона в комнате, а биологи больше ста лет не замечали льва в капле воды. Как теперь выяснили исследователи из России, Канады, Великобритании и Франции, в водоемах по всему миру — особенно в морях и океанах — обитает обособленная супергруппа хищных простейших, представители которой охотятся на других одноклеточных эукариот, глотая их целиком и отгрызая куски клеток. Эти существа получили название Provora — то есть «прожорливые». Несмотря на то, что проворы широко распространены и заметно отличаются от других протистов, об их существовании стало известно только сейчас. Описание новой группы вышло в журнале Nature — а мы рассказываем, как этим миниатюрным хищникам удавалось прятаться от ученых столько лет и как их все-таки обнаружили.

Расцветающая сложность

Верхние этажи классификации эуакариот еще недавно выглядели довольно просто: вот царство животных, вот царства растений и грибов. А вот царство простейших (Protozoa), представители которого украшают первые страницы учебника зоологии: амебы, инфузории-туфельки и другие крошечные создания, тела которых состоят из единственной эукариотической, то есть обладающей ядром, клетки.

Но 30 лет назад биологи начали подозревать, что царство простейших — всего лишь мусорная корзина, куда попадали все эукариоты, которым не нашлось места в царствах животных, растений и грибов. Генетический анализ подтвердил эти опасения. Выяснилось, что многие протисты приходятся куда более близкими родственниками животным, растениям или грибам, чем друг другу. Так царству Protozoa пришел конец — а в систематике эукариот началась масштабная перестройка, которая продолжается до сих пор.

Традиционный подход, где царства были самой крупной единицей классификации, больше не подходил для описания родственных связей одноклеточных и многоклеточных эукариот. Биологи не стали отказываться от самого термина «царство», но ввели более крупные таксономические единицы. Царства животных, растений и грибов в новой системе оказались всего лишь небольшими эволюционными веточками в составе новых таксонов — супергрупп.

В среднем ученые выделяют семь-восемь супергрупп, которые отличаются генетически и морфологически. Например, животные и грибы относятся к супергруппе заднежгутиковых (Opisthokonta), а растения — к супергруппе архепластид (Archaeplastida). Впрочем, большинство супергрупп представлены только одноклеточными организмами.

Все известные супергруппы биологи объединили в два больших домена — Amorphea и Diaphoretickes. Люди вместе с другими животными, грибами и рядом одноклеточных относятся к первому из них, а растения — ко второму. Таким образом, если раньше систематику эукариот можно было представить себе в виде ящика с четырьмя отсеками-царствами, то теперь это скорее пышный куст из множества ветвей, которые группируются

Одинокий жгутиконосец ищет семью

Обновленная систематика эукариот еще не устоялась окончательно. Биологи то и дело пересматривают родственные связи этих существ, основываясь на анализе их генома и микроструктуры клеток. А некоторые организмы и вовсе остаются сиротами — у ученых просто недостаточно данных, чтобы отнести их к какой-либо из супергрупп.

Одним из таких видов-сирот был оснащенный двумя жгутиками крошечный хищник Ancoracysta twista. Российские биологи Денис Тихоненков (Denis Tikhonenkov) и Александр Мыльников (Alexander Mylnikov) из Института биологии внутренних вод РАН вместе с коллегами из Канады, США, Великобритании и Швеции обнаружили его в пробах воды и слизи кораллов, взятых в 2010 году в морском аквариуме в городе Сан-Диего, — а спустя семь лет описали. От других эукариот A. twista отличается наличием стрекательных органелл (экструсом) необычной формы, которые позволяют охотиться на одноклеточную добычу, а также крупным митохондриальным геномом. Но найти Ancoracysta twista место в какой-либо из известных супергрупп тогда не удалось.

Но загадочный жгутиконосец недолго оставался сиротой. Теперь Тихоненков и его соавторы из России, Канады, Великобритании и Франции нашли семью этого существа — а заодно описали целую супергруппу эукариот, которая до сих пор оставалась неизвестной науке.

Открытие было сделано во время анализа проб, собранных на коралловых рифах острова Кюрасао в Карибском море, в прибрежных отложениях Черного и Красного морей, а также на северо-востоке Тихого океана. Чтобы больше узнать о видовом разнообразии живых организмов в этих пробах, исследователи добавляли в них бактерий Pseudomonas fluorescens, ожидая, что на таком корме питающиеся микроорганизмами эукариоты размножатся и их легче будет обнаружить.

Так и произошло. Но помимо уже известных хищных протистов биологи через несколько дней неожиданно увидели в образцах совершенно незнакомых им созданий: мелких, подвижных и заметно отличающихся от остальных одноклеточных эукариот. Общими чертами этих существ оказались клеточный рот (цитостом) в виде вентральной бороздки, сложно устроенные клеточные покровы, стрекательные органеллы и пара жгутиков разной формы, каждый из которых закреплен в своем кармане. Из широко известных видов они напоминали жгутиконосцев-бактериофагов из рода Bodo.

Первое из этих созданий удалось обнаружить в пробах воды из Арктики. В образцах, взятых в 2015 году в Карском море на глубине 20 метров, ученые увидели необычного эукариота, который получил название Nibbleromonas kosolapovi — в честь первооткрывательницы — коллеги Тихоненкова Натальи Косолаповой (Natalia G. Kosolapova). А потом похожие существа нашлись и в пробах из других уголков мира.

Тихоненков и его соавторы предположили, что перед ними хищники, которые питаются другими эукариотическими микроорганизмами, своеобразные львы и тигры мира простейших. Сначала их численность в образцах была слишком низкой, чтобы ученые могли их заметить, — возможно, всего по несколько особей в каждой пробе. Однако миниатюрных хищников стало намного больше после того, как их жертвы размножились на бактериальной подкормке. В конце концов они попались на глаза ученым.

В попытке больше узнать о необычных существах исследователи отлавливали их из образцов с помощью микропипеток и культивировали в отдельных емкостях, в качестве пищи предоставляя жгутиконосцев Procryptobia sorokini. В результате с крошечными хищниками, которым дали научное название Provora (от латинского глагола «vorare» — пожирать), удалось познакомиться поближе. Благодаря этому ученые подробно изучили этих созданий и классифицировали их, разделив на пять видов и четыре рода.

Кроме того, к проворам отнесли два уже описанных вида и рода хищных протистов. Первый из них — знакомый нам сирота Ancoracysta twista. Уникальные особенности строения этого вида выделяют его среди всех одноклеточных эукариот, но делают своим среди Provora. Второй — жгутиконосец «Colponema» marisrubri, которого Мыльников и Тихоненков описали более 10 лет назад на основе образцов, собранных на кораллах в Красном море. Данный вид, получивший новое имя Nebulomonas marisrubri, по строению очень похож на других провор.

О родственных связях и разорванных жертвах

Сейчас в группе Provora менее десяти видов. Однако в разговоре с N + 1 Денис Тихоненков высказал предположение, что в будущем ему и его коллегам удастся обнаружить и другие виды этих миниатюрных хищников — возможно, несколько сотен, хотя и не больше тысячи.

На это указывают результаты дополнительного исследования, в ходе которого первооткрыватели провор решили поискать в пробах со всего мира характерные для этих протистов последовательности генов 18S рРНК малой субъединицы рибосомы (эти гены часто используется, чтобы определить видовую принадлежность и степень родства живых организмов). В результате они обнаружили следы присутствия по крайней мере 40 гипотетических видов из супергруппы Provora, распространенных от коралловых рифов и поверхности океана до морского дна, а также в солоноватых и пресных водах (но не в почве). Впрочем, на фоне разнообразия некоторых других групп микроскопических эукариот даже предполагаемое разнообразие провор кажется скромным. Например, диатомовых водорослей (Bacillariophyceae) насчитывается около 20 тысяч видов.

Хотя разнообразие провор пока невелико, исследователи уже успели разделить все известные виды на две клады: Nebulidia и Nibbleridia. В первую входят более крупные виды с яйцевидной формой тела, достигающие около десяти микронов в длину: A. twista и N. marisrubri. Они охотятся на одноклеточных эукариот, заглатывая их целиком (такой тип кормления называется фагоцитозом).

Ко второй относятся Ubysseya fretuma и четыре вида из рода Nibbleromonas, которые дорастают до трех микронов в длину. Тела у них серповидные, а под вентральной бороздкой располагается шип с пятью-шестью крупными стрекательными органеллами — они помогают в охоте. Как и небулиды, нибблериды способны глотать добычу целиком.

Однако помимо этого они с помощью вентральной бороздки и расположенных в ней зубовидных выпячиваний отгрызают от клеток жертв крупные куски и проглатывают их. Такое поведение ранее не отмечалось среди хищных протистов. Кроме того, для нибблерид характерны отдельные особенности строения, которые встречаются только у немногих неродственных им эукариот. Среди них, например, пара продольных складок на поверхности тела и нитевидные включения в митохондриях. Возможно, нибблериды сохранили некоторые предковые черты сразу нескольких супергрупп.

Эволюционная дистанция между двумя кладами провор очень велика. Если сопоставить генетические данные с современными калибровками молекулярных часов, то окажется, что Nebulidia и Nibbleridia разошлись уже около 1,8 миллиарда лет назад. Это соответствует позднему палеопротерозою. Впрочем, от остальных живых организмов обе клады Provora отделены еще более значительной генетической пропастью, чем друг от друга. По оценкам исследователей, небулиды и нибблериды отличаются от представителей других супергрупп в среднем на 170-180 нуклеотидных замен в гене 18S рРНК малой субъединицы рибосомы. Для сравнения, различия между человеком и морской свинкой по этому гену составляют всего шесть нуклеотидов. Однако есть у нас и нечто общее с загадочными микроскопическими хищниками, отмечает Тихоненков. Например, порообразующие цитолитические белки провор, которые, вероятно, используются во время охоты, напоминают белки, участвующие в работе иммунитета животных.

К каким именно из уже известных супергрупп наиболее близки проворы, пока остается неизвестным. Попытки установить их родство с помощью транскриптомного анализа дают противоречивые результаты, которые разнятся в зависимости от методики. При этом анализ всякий раз подтверждает, что Provora — монофилетическая группа. Наиболее вероятно, что сестринскими по отношению к проворам следует считать супергруппы Haptista и TSAR.

Как спрятаться у всех под носом

Открытие Provora — большой успех в систематике. Тихоненкову и его коллегам удалось описать новую супергруппу эукариот, которая оставалась незамеченной на протяжении ста лет активных наблюдений. Однако почему небулиды и нибблериды, которые встречаются в морях и океанах по всему миру, от коралловых рифов Карибского и Красного морей до холодных вод Карского моря, так долго не попадались на глаза ученым? Возможных объяснений несколько.

Во-первых, как и многие другие хищники, эти простейшие встречаются куда реже своих жертв. Нечто подобное наблюдается и в царстве животных: например, львов в африканской саванне куда меньше, чем антилоп гну. Во-вторых, при беглом взгляде в микроскоп представители группы Provora напоминают других жгутиконосцев с двумя жгутиками и потому кажутся совершенно непримечательными. При этом они настолько мелкие и подвижные, что поймать их микропипеткой ради внимательного изучения непросто. Наконец, небулид и нибблерид трудно культивировать в лаборатории, поскольку они требуют особых условий и обилия корма — других микроскопических эукариот.

«Другие исследователи наверняка видели их в пробах, но просто не связывались с ними, понимая, что такие быстрые клетки трудно изучать, и, вероятно, предполагая, что они не столь интересные», — отмечает Тихоненков.

Судя по всему, проворы — далеко не последняя супергруппа эукариот, которую предстоит открыть биологам. Первыми представителями этого таксона были два жгутиконосца с неясным систематическим положением — A. twista и N. marisrubri. Лишь после описания Provora им удалось найти подходящее место среди других живых организмов. Однако ученым известны и другие протисты, которые не вписываются в существующую классификацию эукариот. Некоторые из них известны только по рисункам в литературе конца XIX — начала XX века. Другие встречаются в пробах, но так редко, что изучить их как следует невозможно. Наконец, есть виды, для которых отсеквенирован только ген 18S рРНК малой субъединицы рибосомы, который указывает на их уникальное систематическое положение — но больше никакой информации не дает. Высока вероятность, что какие-то из этих видов являются представителями неизвестных ранее супергрупп.

Находка новой супергруппы эукариот важна не только с теоретической, но и с практической точки зрения. Дело в том, что присутствие в водоемах всего мира микроскопических хищных протистов, которые охотятся на других эукариот, следует учитывать во время экологических исследований, например, при моделировании пищевых цепей и потока вещества и энергии. Кроме того, в теории прожорливые Provora могут помочь людям бороться с протистами, которые вызывают болезни или вредят сельскому хозяйству.

«Идея использовать провор для биологических методы борьбы имеет право на жизнь, — считает Тихоненков. — Чтобы оценить ее потенциал, нужны эксперименты на живых культурах — подсаживать провор к тем организмам, которых мы хотим, чтобы кто-то съел».