Для создания в ходе эволюции автотрофных планктонных жгутиковых, с которых начинают изучать типы водорослей, потребовалось так же много времени и творческих усилий природы, как и для развития из такого жгутикового высших и наземных растений, возможно это заняло миллиард лет; и вряд ли эту историю можно описать на нескольких страничках.
В растительных клетках всегда имеются ограниченные мембранами пластиды, содержащие фотосинтетические пигменты. Клетки корней, семян, пыльцы и т. п., лишенные хлоропластов, должны либо сохранять способность к образованию хлоропластов, либо объединяться с клетками, обладающими этой способностью; иначе они не смогут произвести потомков. Откуда появились пластиды? Ботаники А. Шимпер и В. Мейер, впервые подробно описавшие хлоропласта растений, пришли к выводу, что пластиды никогда не возникают de novo, а всегда образуются в результате роста и деления предсуществующих пластид. С самого начала сложилось представление, что хлоропластам свойственна непреходящая индивидуальность; подобно клеткам, ядрам или хромосомам, они подчиняются общему закону генетической преемственности. Нередко приходится наблюдать рост и деление таких дифференцированных пластид, как зрелые хлоропласта. У некоторых водорослей и мхов, например у Zygnema или Anthoceros, пластиды делятся регулярно при каждом клеточном делении. Часто проводили аналогию между пластидами растений и водорослями-эндосимбионтами гетеротрофов — проистов и животных. Каракашьян в 1963 г. писал:
«В эволюции симбиоза парамеции с хлореллой произошла значительная интеграция партнеров. Присутствие симбиотических водорослей оказывает глубокое влияние на рост хозяина… Более того, темп деления парамеции и водорослей стал настолько согласованным, что ни один из партнеров не опережает другого, и таким образом сохраняется наследственная ассоциация. Если между хозяином и плазмидами водорослей происходит свободный обмен метаболитами, на что, видимо, указывают экспериментальные данные, то естественный отбор должен благоприятствовать тем мутациям у хозяина или симбионта, которые уменьшают дублирование метаболических путей, и оба партнера должны становиться все более зависимыми друг от друга». Когда писались эти строки, плазмидами называли органеллы или цитоплазматические включения, обладающие генетической непрерывностью. Теперь значение этого слова обычно сужают: так называют вирусоподобную ДНК, способную реплицироваться независимо от остальной ДНК клетки (в большинстве случаев имеются в виду бактериальные клетки).
В 20-м столетии представления Шимпера и Мейера были подтверждены и уточнены, и сейчас имеется обширная литература по биохимии, генетике, и развитию пластид. Пластиды образуются из предсуществующих хлоропластов или из меньших телец, называемых пропластидами, которые развиваются, превращаясь в хлоропласты. Пластиды содержат ДНК, информационную РНК и системы белкового синтеза. Белки пластид синтезируются на малых рибосомах, которые чувствительны к антибиотикам, подавляющим рост прокариотических микробов. Эти факты согласуются с эндосимбиотической теорией происхождения пластид, согласно которой гетеротрофные протесты приобрели пластиды в виде прокариот, обладавших полностью развитым фотосинтезом с выделением O2. Сходство в деталях между пластидами и фотосинтезирующими прокариотами указывает на то, что протопластиды были, вероятно, приобретены хозяевами позднее, чем протомитохондрии и протоундулиподии.
Нуклеиновые кислоты были выявлены в хлоропластах с помощью многих методов. Обработка специфическими нуклеазами в сочетании с электронной микроскопией позволила обнаружить пластидные нуклеоиды и определить локализацию пластидной ДНК. Методом центрифугирования в градиенте плотности удалось выявить ДНК, отличающуюся от ядерной и прочно связанную с пластидами. Присутствие ядерной и пластидной ДНК в одной и той же клетке было доказано в опытах с эвгленами путем введения меченных 3Н предшественников нуклеиновых кислот, с последующей обработкой клеток ДНКазами и РНКазами. В конце 50-х и начале 60-х годов экспериментаторы вызывали исчезновение хлоропластов у Euglena gracilis, воздействуя ультрафиолетом, повышенной температурой или стрептомицином; при этом клетки навсегда утрачивали способность к образованию пластид. ДНК из нормальных эвглен дает в градиенте плотности хлористого цезия две полосы — главную (ядерная ДНК) и сателлитную (пластидная ДНК); у «бесцветных» клеток, т. е. у эвглен, неспособных формировать хлоропласты, сателлитная ДНК отсутствует. Установление связи между присутствием неядерной ДНК и способностью к образованию пластид стимулировало прямые поиски ДНК хлоропластов. Ныне такие ДНК в виде замкнутых ковалентно связанных колец уже выделены из многих растений; их молекулярная масса варьирует в пределах от 85 до 96 млн. Выяснить свойства этих ДНК позволили три метода: равновесная седиментация в присутствии додецилсульфата натрия, электронно-микроскопические измерения и изучение кинетики ренатурации. ДНК пластид удается даже синтезировать in vitro, добавляя предшественники к выделенным из клеток и солюбилизированным хлоропластам. Для этого синтеза требуется присутствие по меньшей мере трех белков хлоропластов. По-видимому, одиночные кольцевые молекулы ДНК хлоропластов содержат обширную информацию для синтеза соответствующих продуктов. Эта ДНК, подобно ДНК почти всех прокариот, не находится в комплексе с гистонами или РНК.
У хлоропластов есть также ряд других особенностей, совместимых с их эндосимбиотическим происхождением. Хлоропласты содержат рибосомы и рибосомную РНК прокариотического типа. Имеются данные о том, что изолированные хлоропласты осуществляют ДНК-зависимый синтез РНК и включают аминокислоты в белки. Последовательность нуклеотидов в РНК малых (16S) субчастиц рибосом из пластал Porphyridium не родственна их последовательности в РНК малых субчастиц нуклеоцитоплазматических рибосом того же организма. Между РНК пластид и некоторых коккоидных цианобактерий даже больше сходства, чем между 16S-PHK цианобактерий и 16S-PHK других бактерий.
Подводя итоги данным о репликации и биохимии хлоропластов, можно сказать следующее. Содержащие ДНК и РНК пластиды — это самоудваивающиеся тельца; их ДНК представляет собой мультигенную систему, которая не произошла от ядерной системы и частично ответственна за биохимические свойства органеллы; дифференцировка зрелого хлоропласта из пропластиды — это адаптивная система, реагирующая на видимый свет. У некоторых протистов пластиды могут дедифференцироваться или же необратимо утрачиваться; у многих растений они дедифференцируются, превращаясь в пропластиды.
Скорости деления геномов хозяина и симбионта варьируют в зависимости от условий, но они должны оставаться приблизительно равными, для того чтобы ассоциация сохранялась? В этом отношении пластиды ведут себя подобно симбионтам. У эвглен при недостатке витамина В12 возрастает число хлоропластов и сильно увеличиваются размеры клеток. Возможно, что контролируемый пластидами синтез этого витамина достаточен, чтобы обеспечить репликацию самих пластид, но недостаточен для деления всей клетки. Это объяснение согласуется с распределением биосинтеза витамина В12 среди прокариот. У эвглен, лишенных витамина В12, по-видимому, не происходит полимеризации пелликулярных и других микротрубочек, несмотря на большие размеры клетки, что, вероятно, и способствует подавлению процесса деления (G. Le Fort-Tran, 1977, личное сообщение).
Известны организмы, лишенные пластид, но явно гомологичные клеткам, содержащим пластиды. Эти беспластидные гомологи аналогичны апосимбиотическим инфузориям, кишечнополостным, плоским червям и многим другим гетеротрофам, которых находили в природе как с фотосинтезирующими симбионтами, так и без них. Несмотря на интенсивные поиски неуловимой праводоросли, не было найдено ни ископаемых, ни ныне живущих промежуточных форм между лишенными пластид цианобактериями и содержащими пластиды водорослями. Напротив, было выявлено еще большее чисто симбиозов, аналогичных предполагаемому симбиозу, давшему начало клеткам растений (например, Cyanophora paradoxa, симбиотические радиолярии и фораминиферы, ксантеллы и хлореллы коралловых полипов, губок и инфузорий, а также гидр). Неменделевская наследственность впервые была описана у растений; позже выяснилось, что она обусловлена передачей хлоропластов только от одного из родителей. Передача пластид зиготе женским родителем — естественное следствие полового диморфизма и генетической непрерывности органелл, которые не могут быть воссозданы ядерным геномом (сходным образом можно объяснить передачу по материнской линии митохондрий). По этому вопросу имеется много обзоров.
Один из самых давних аргументов в пользу эндосимбиотического происхождения пластид — это их морфология и размеры: пластиды и прокариоты-фотосинтетики очень сходны между собой. Фотосинтезирующие симбионты радиолярий, относящиеся к динофлагеллятам, в ходе эволюции изменились: это морфологически упрощенные родственники свободноживущих динофлагеллят. Аналогичное видоизменение описано у симбионтов — водорослей в лишайниках. Во многих случаях у автотрофного симбионта можно отметить увеличение поверхности тилакоидов, редукцию нуклеоида или ядра и упрощение внешней морфологии. Подобных же изменений следует ожидать у симбионтов, которые превращаются в органеллы. Сравним, например, растительную клетку, содержащую хлоропласты с гетеротрофными протестами, в которых обитают симбиотические цианобактерии. Различия в основном количественные: симбиоз эвглена/пластиды отличается более высокой степенью интеграции, вероятно потому, что он более древний.
Размножение хлоропластов делением связано с биосинтезом нуклеиновых кислот, белков и многих метаболитов. Маловероятно, чтобы столь сложные и крупные (по сравнению с молекулами) структуры смогли спонтанно образовать мультигенные системы путем компартментализации в растительной протоплазме. Джайбор и Граник, обсуждая причины организации пластид и их ДНК в виде «пакетов», утверждали, что «определенные мутации могут происходить независимо в каждой отдельной пластидной ДНК и передаваться далее, так что при резких изменениях условий среды может происходить отбор наиболее подходящих органелл. Таким образом, множественность мутантных органелл в клетке может способствовать более быстрым эволюционным изменениям». Это объяснение не только наделяет эволюцию способностью предвидения, но и игнорирует трудность экспрессии появляющихся мутантных пластид в условиях, когда их партнеры дикого типа присутствуют в большом числе. Альтернативная точка зрения, согласно которой пластидные мультигенные системы-это остатки генетических систем, позволяет избежать телеологических объяснений.
Консервативность микробов, хорошо приспособленных к стабильным условиям среды, подкрепляет гипотезу о том, что предками пластид водорослей и растений были прокариоты. Цианобактерии могут рассматриваться как свободноживущие прокариотические аналоги пластид красных водорослей, тогда как зеленые прокариоты вроде Prochloron были, вероятно, предками пластид зеленых водорослей и растений. После открытия Prochloron стало почти несомненным, что П. Равен был прав в своем предположении о полифилетическом происхождении пластид. Prochloron — коккоидная прокариота, способная к фотосинтезу с выделением O2, обладает именно такими особенностями, какие можно предполагать у протохлоропластов: у нее имеются хлорофиллы a и b, мелкие рибосомы, липиды, типичные для прокариот, и она склонна вступать в симбиотические ассоциации. Не исключено, что дальнейшее изучение тропических прокариот приведет к открытию свободноживущих «бурых» или «желто-зеленых» фотосинтезирующих форм, содержащих хлорофилл с или фукоксантин. С другой стороны, пигментные системы у водорослей могли видоизмениться уже после образования ассоциации с прокариотами. Поздним и независимым приобретением фотосинтезирующих симбионтов можно было бы объяснить существование аномальных пигментных систем у некоторых малоизученных протестов, а также адаптивную радиацию диатомовых, динофлагеллят и желто-зеленых водорослей в фанерозое.
Митоз, для которого необходим кислород, появился спустя миллионы лет после возникновения фотосинтеза — анаэробного по своей сущности процесса. Полифилию эукариотических водорослей можно легко объяснить, предположив, что различными гетеротрофными протестами были приобретены различные фотосинтезирующие симбионты-прокариоты. Образование этих стабильных симбиозов не было одновременным; разнородность как пластид, так и нефотосинтезирующих частей клетки у водорослей позволяет думать, что симбиозы формировались в разное время в период эволюции митоза. У всех водорослей и растений симбиозы эволюционировали таким образом, что в большинстве случаев возможности гетеротрофного питания резко уменьшились, но не исчезли полностью. Зависимость нуклеоцитоплазмы от пластид наиболее выражена у наземных растений, которые в случае утраты способности к фотосинтезу могут выживать только при очень специальных условиях. Например, жизнь растений-альбиносов кукурузы можно поддерживать до созревания, питая их стерильным раствором сахара непосредственно через листья. Повреждение фотосинтетического аппарата у хламидомонады («фотосинтетические минус-мутанты») может компенсироваться предоставлением ацетата, которым клетки дикого типа снабжает нуклеоцитоплазма, а мутантные клетки, вынужденные расти фотоавтотрофно, должен снабжать экспериментатор. Зеленые гидры с хлореллами в энтодермальных клетках неопределенно долго поддерживают рост своих эндосимбиотических водорослей в темноте, снабжая их питательными веществами. Эти наблюдения вскрывают гетеротрофную в своей основе природу эукариот, у которых выключена функция пластид.
По мере того как молекулярно-биологические методы (особенно определение последовательности аминокислот в белках) все шире применяются при изучении проблем эволюции, становится возможным выявление гомологий между пластидами и специфическими цианобактериями и хлороксибактериями. Непластидную же часть клеток растений и протоктистов можно надеяться идентифицировать с отдельными видами ныне живущих гетеротрофов на основе биохимии, морфологии, жизненного цикла и цитологии митоза. Наличие или отсутствие фикопласта, характерные способы прикрепления ундулиподий и морфология (особенно клеточное деление) — все это подкрепляет мнение о том, что зеленые водоросли представляют собой результат конвергентной эволюции после нескольких независимых симбиотических событий. Одна группа, представленная родом Klebsormidium, характеризуется многослойностью тела, образованием фрагмопласта при клеточном делении и по ряду других признаков кажется близкой к бриофитам и трахеофитам. Арсенал современных методов молекулярной биологии позволяет проверить, действительно ли Klebsormidium стоит ближе всех других ныне живущих водорослей к предкам растений.
Конвергентная эволюция облика зеленых водорослей аналогична эволюции лишайников, в которой партнеров-фикобионтов приобрели грибы, относящиеся более чем к 20000 видов. Эти фикобионты принадлежат в основном к двум родам зеленых водорослей — Trebouxia и Pseudotrebouxia, тогда как грибы-хозяева крайне разнообразны. Очевидно, как протисты, приобретавшие фотосинтезирующих прокариот, чтобы стать водорослями, так и грибы, приобретавшие водоросли, чтобы стать лишайниками, были ограничены в своем выборе «фикобионтов» лишь очень небольшим числом фотосинтезирующих видов.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963