Содержание
«Прирученные» вирусы защищают человека
Симбиоз – это не менее важный фактор эволюции, чем конкуренция. Большую роль в симбиотических системах играют вирусы. Теплокровный организм – идеальное место для размножения бактерий, и если бы не иммунная система – бактерии просто уничтожили бы нас. Иммунную систему сформировали «прирученные» животными вирусы. Только симбиоз с вирусами помогает человечеству выжить.
Доктор биологических наук, сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков рассказывает, как эволюция симбиотической системы животных и вирусов привела к созданию иммунной системы, необходимой для существования теплокровного организма, и о той важнейшей роли, которую играют вирусные механизмы в жизни животных и растений.
– Александр, давайте начнем с какого-нибудь яркого примера симбиоза, в котором участвуют вирусы.
– Я могу привести просто поразительный пример такого симбиоза. Совсем недавно появилась статья американских биологов из Йелоустонского национального парка (Yellowstone National Park) Там есть горячие источники и в некоторых местах почва раскалена до 50-60 градусов.
И на этой почве растет трава. Как она выдерживает такую высокую температуру? Нормальное растение не может расти на такой раскаленной почве. Было установлено, что в этой траве имеется симбиотический гриб, который живет внутри клеток травы. Если удалить гриб, то растение выжить при такой температуре не может, но и гриб тоже не может! Дальнейшее исследование показало, что есть третий участник – гриб обязательно должен быть заражен определенным вирусом. Если убрать вирус, что удалось сделать в эксперименте, то гриб вместе с растением теряют эту термоустойчивость и на раскаленной почве расти не могут. То есть действительно вирусы часто входят в состав симбиотических комплексов. И, кроме того, поскольку вирусы способны переносить фрагменты генов или целые гены от одного организма к другому, участвуют в глобальном процессе кооперации, информационного обмена. В процессе эволюции вирусы играют большую роль.
– Чем вирусы отличаются от бактерий?
– У вируса нет клетки.
У них есть наследственная информация в виде молекулы РНК или ДНК и у них есть белковая оболочка, и больше ничего. Вирус – это, конечно, не самостоятельная система, можно сказать, что это часть мирового генетического банка.
– Давайте подробнее остановимся на роли вирусов в эволюции животного мира.
В эволюции животных можно привести, как минимум, три примера, когда вирусы или вирусоподобные объекты – мобильные кусочка генома – сыграли важную положительную роль.
Во-первых, знаменитый фермент – теломераза по своему происхождению, скорее всего, вирусный объект. Дело в том, что теломераза – это специальный белок, который занимается тем, что он достраивает кончики хромосом. Согласно одной из теорий, многоклеточные организмы стареют, потому что при каждом клеточном делении хромосома немножечко укорачивается и возникает опасность, что хромосомы в конце концов так укоротятся, что утратят функциональность и каким-то образом нужно эти кончики, которые не воспроизводятся при копировании, достраивать.
Российский ученый Алексей Оловников предположил, что должен существовать специальный фермент для достройки кончиков хромосом. И этот фермент действительно открыли и назвали теломеразой. Это фермент, который спасает наши клетки от необратимого старения.
Но причем здесь вирусы? Дело в том, что, как сейчас считается, этот белок теломераза имеет вирусное происхождение. Вирус – это специальное устройство (я говорю сейчас о так называемых РНК-содержащих вирусах), это специальное устройство для записи информации в геном других организмов. Он содержит РНК, попадает в клетку. И та информация, которая записана в этой вирусной РНК, она переписывается в форме ДНК уже в геном, скажем, человеческой клетки. Вирус кодирует необходимые ферменты для для записи информации в геном.
Чтобы синтезировать ДНК, потерянную на кончиках хромосомы используется этот же механизм, то есть теломераза содержит в своем составе кусочек РНК, РНК-матрицу, на основе которой тем же самым вирусным способом дописывается кусочек ДНК по этой матрице, и хромосомы таким образом достраиваются.
Каким-то образом предкам всех высших организмов (эукариотам) удалось «приручить» какой-то РНК-вирус и использовать его таким образом, чтобы он достраивал кончики хромосом. Вирусы сами по нельзя назвать живыми организмами, но, попадая в клетку, они начинают работать как часть этой клетки. И это далеко не всегда имеет патологические последствия, далеко не все вирусы вызывают болезни.
Удивительно, но по последним данным, 40-45% всего генома человека – это всевозможные мобильные и повторяющиеся элементы, обладающие способностью перемещаться по геному, то есть, грубо говоря, это бывшие вирусы или размножившиеся вирусоподобные объекты, и это до 45% генома человека.
– То есть мы можем сказать, что молекула ДНК – это симбиотическая молекула. Когда мы видим сложнейшую молекулу ДНК, то непонятно как могло возникнуть столь сложное устройство? Но в действительности она возникла не под воздействием единичных мутаций, а в результате симбиотического обмена – то есть фактически собиралась из строительных блоков.
– Совершенно верно. Это – блочный принцип эволюции.
Второй случай, когда в эволюции высших позвоночных животных пригодились вирусы – это система приобретенного иммунитета. Что происходит, когда мы вырабатываем иммунитет к новой болезни? Ведь антитела вырабатываются даже к синтетическим веществам, которых в природе нет.
В геноме человека нет готовых генов антител, а есть набор заготовок. Ген антитела собирается из трех кусочков, причем в геноме есть сотни вариантов первого кусочка, несколько десятков вариантов второго кусочков и несколько вариантов третьего, их надо собрать. Вот в каждом лимфоците происходит вырезание, берется один кусочек ДНК первого типа, один второго, один третьего, и они склеиваются вместе в работающий ген, и уже с него синтезируется антитело. Оно потом еще может дополнительно доводиться до нужной кондиции, но начальный этап – это нарезание и сбор из кусочков гена. Так происходит редактирование генома.
Кто совершает эти операции – нарезку, перемещение? Это делают белки, тоже заимствованные у мобильных генетических элементов – у вирусов.
Есть так называемые транспонзоны (Transposon) это давно «прирученный» вирус, потерявший способность передаваться между организмами, эти вирусы передаются только от родителей к потомкам, но они сохранили подвижность внутри генома. Транспозон кодирует белок, который способен этот транспозон вырезать и перенести на новое место, размножить. Они могут размножаться, они и составляют до 40% нашего генома. Для нарезки блоков иммунных молекул были тоже использованы ферменты мобильных генетических элементов.
– Необходимо подчеркнуть, что роль иммунной системы чрезвычайно важна. Она позволяет человеку выжить и противодействовать атакам микроорганизмов.
– Посудите сами: теплокровное млекопитающее – это просто инкубатор. 37 градусов постоянная температура тела – это же рай для бактерии. Если бы не иммунная система, нас бы просто съели.
И третий важный пример, того что принесли вирусы в симбиотическую систему, которой является организм животных. Недавно был обнаружен ген в геноме млекопитающих, который необходим для развития плаценты – того органа, который осуществляет обмен между организмом матери и плодом, благодаря которому сравнительно долго плод может безопасно развиваться в утробе матери.
А то что это занимает довольно продолжительное, кстати, считают важнейшей предпосылкой для развития мозга и, в конечном счете, для появления разума.
Был найдет регуляторный ген, который необходим для развития плаценты. Структура этого гена оказалась сходной со структурой одного из мобильно-генетических элементов. То есть это опять-таки «прирученный» РНК-вирус.
– Александр, мы приходим к выводу, что симбиоз играет гораздо более важную роль, чем это может показаться. Мы все слышали, о таких симбиотических системах, в которых насекомые опыляют растения. Но то, что вы рассказали, говорит о том, что симбиоз – это действительно магистральное развитие всей эволюции, именно симбиоз может дать объяснение, почему организмы могут так быстро усложняться и приобретать совершенно новые функции и возможности.
– Мне и представляется эта тема очень важной, но до сих пор в биологии сохраняется отношение к симбиозу, как к некоему курьезу, какой-то причуде матушки-природы.
Но если взять факты, то мы видим, что это не просто типично, но это основа и прогрессивной эволюции и функционирования биосферы. Это – всеобщее явление.
Когда был открыт один из первых случаев симбиоза – оказалось, что лишайник – это симбиотический комплекс гриба и водоросли –ученые очень удивились: надо же, чудеса какие. Мы думали, это растение, а это какой-то немыслимый комплекс – и гриб, и водоросли вместе переплелись, и получился лишайник. Но с тех пор уже столько открыто еще более удивительных симбиотических систем, что уже пора перестать удивляться, а включить это явление в общую теорию как неотъемлемый ее элемент.
– То есть, можно сказать, главное в природе это не всеобщая борьба и взаимное уничтожение, а синтез, взаимопомощь и сотрудничество.
Бактерии, грибы, лишайники
Назовите основные признаки строения
и жизнедеятельности бактерий. Назовите
не менее 4-х особенностей.
1) Бактерии – доядерные организмы, не
имеющие оформленного ядра и многих
органоидов;
2) По способу питания бактерии –
гетеротрофы и автотрофы;
3) Высокая скорость размножения путём
деления;
4) Анаэробы и аэробы;
5) Неблагоприятные условия переживают
в состоянии спор.
Каковы особенности строения бактерий?
1) Наличие одной кольцевой молекулы ДНК,
отсутствие обособленного ядра;
2) Отсутствие мембранных органоидов;
3) Наличие мелких рибосом.
Чем бактерии отличаются от организмов
других царств живой природы?
Укажите не менее 3-х отличий.
1) Отсутствует оформленное ядро, ядерная
оболочка;
2) Отсутствует ряд органоидов: митохондрии,
ЭПС, комплекс Гольджи и др.;
3) Имеют одну кольцевую хромосому.
Какое значение в природе имеют бактерии?
Укажите не менее 4-х значений.
1) Участвуют в круговороте веществ,
выполняя роль всех функциональных групп
биосферы;
2) Участвую в почвообразовании и
поддержании плодородия почвы;
3) Являются возбудителями болезней
растений и животных;
4) Вступают в симбиоз.
В чём состоит роль бактерий в круговороте
веществ?
1) Бактерии-гетеротрофы – редуценты
разлагают органические вещества до
минеральных, которые усваиваются
растениями;
2) Бактерии-автотрофы (фото, хемотрофы)
– продуценты синтезируют органические
вещества из неорганических, обеспечивая
круговорот кислорода, углерода, азота
и др.
Найдите ошибки в приведённом тексте.
Укажите номера предложений, в которых
они сделаны, объясните их.
1.Бактерии – это прокариоты, наследственное
вещество их клеток не отделено от
цитоплазмы. 2. ДНК бактерий представлена
одной молекулой, которая омет линейную
форму. 3. Снаружи бактериальная клетка
окружена плотной оболочкой. 4. На рибосомах
её гранулярной ЭПС происходит биосинтез
белка. 5. При неблагоприятных условиях
бактерии размножаются с помощью спор.
1) 2 – ДНК бактерий кольцевой формы;
2) 4 – ЭПС у бактерий отсутствует;
3) 5 – споры бактерий служат не для
размнож-я, а для переж-я неблагоприятных
условий.
Почему грибы выделены из царства
растений в самостоятельное царство
органического мира? Приведите не менее
4-х доказательств.
1) Не содержат хлоропластов и не способны
к фотосинтезу, гетеротрофы;
2) Оболочка клетки гриба содержит хитин,
а у растений – клетчатку;
3) Запасное питательное вещество и грибов
– гликоген, у растений – крахмал;
4) Тело образовано гифами – тонкими, как
паутина нитями.
По каким признакам царство грибов
отличается от царства растений? Назовите
не менее 3-х признаков.
1) Грибы – гетеротрофы, не способны к
фотосинтезу;
2) Грибы отличаются строением и химическим
составом клетки: не имеют хлоропластов,
клеточная стенка содержит хитин, запасное
питательное вещество – гликоген;
3) Тело грибов образовано гифами.
Найдите ошибки в приведённом тексте.
Укажите номера предложений, в которых
они сделаны, объясните их.
1. Клетки грибов имеют клеточную стенку,
состоящую из целлюлозы. 2. В клетках
грибов пластиды отсутствуют. 3. В клетках
грибов синтез АТФ осуществляется в
митохондриях и пластидах. 4. У грибов в
клетках запасается гликоген. 5. Способ
питания грибов – автотрофный.
1) 1 – клеточная стенка состоит не из
целлюлозы, а из хитина;
2) 3 – синтез АТФ идёт только в митохондриях,
пластид у грибов нет;
3) 5 – способ питания грибов – гетеротрофный,
а не автотрофный.
Каковы особенности строения и
жизнедеятельности шляпочных грибов?
Назовите не менее 4-х особенностей.
1) Имеют грибницу и плодовое тело;
2) Размножаются спорами и грибницей;
3) По способу питания – гетеротрофы;
4) Большинство образует микоризу.
Какую роль в жизни грибов играет
грибница?
1) Грибница гриба всасывает из окружающей
среды готовые органические вещества и
воду с минеральными веществами;
2) Участвует в вегетативном размножении,
образовании плодовых тел.
Почему грибы считают важным компонентом
биоценоза? Приведите не менее 4-х
обоснований.
1) Грибы – звено в цепи питания.
2) Шляпочные грибы вступают в симбиоз с
деревьями, улучшают водный обмен и
минеральное питание растений;
3) Плесневые грибы – разрушители
органических веществ, мёртвых остатков
растений и животных до неорганических
веществ;
4) Грибы-паразиты контролируют численность
организмов в биоценозе.
Чем отличаются лишайники от других
организмов? Назовите не менее 4-х отличий.
1) Тело – слоевище – состоит из
одноклеточных водорослей или цианобактерий
и нитей гриба;
2) Лишайник – это комплексный организм,
так как водоросли синтезируют органические
вещества, грибы поглощают воду и
минеральные соли;
3) Отличаются медленным ростом,
чувствительностью к загрязнению
окружающей среды, пионеры растительности;
4) Размножаются слоевищем.
генов бактерий придали древним растениям черты, необходимые для колонизации земли — ScienceDaily
Гены, перешедшие от микробов к зеленым водорослям сотни миллионов лет назад, могли стать движущей силой эволюции наземных растений, сообщают исследователи в журнале Molecular Plant от 1 марта. Их анализ показывает, что сотни генов бактерий, грибков и вирусов были интегрированы в растения, придавая им желательные черты для земной жизни.
«Наше исследование меняет традиционный взгляд на эволюцию наземных растений, — говорит старший автор Цзиньлин Хуанг, биолог из Университета Восточной Каролины. «Я подозревал, что горизонтальный перенос генов помогает растениям перемещаться из воды на сушу, но до сих пор мы не знали, насколько большую роль он играет».
Горизонтальный перенос генов (HGT) описывает перемещение генетических материалов между организмами разных видов. События смены генома обычны для бактерий, и они ответственны за быстрое распространение устойчивости к антибиотикам у этих прокариот.
Но роль HGT в сложных многоклеточных эукариотах — таких организмах, как растения и животные — остается спорной.
Традиционно ученые считали, что эукариотические гены перемещаются только посредством вертикального переноса генов, во время которого гены передаются от родителей к потомству, и могут происходить мутации, приводящие к возникновению новых генов и признаков. Но Хуан и его коллеги, в том числе биолог растений Чун-Пэн Сонг из Хэнаньского университета, обнаружили в предыдущих исследованиях доказательства того, что ГПГ у растений может быть обычным явлением.
Чтобы изучить роль HGT в эволюции растений, исследователи просканировали геномы 31 растения. Они включали виды из всех четырех групп растений, включая мхи, папоротники и деревья, а также харофиты, группу зеленых водорослей, родственных современным наземным растениям. Они обнаружили, что почти 600 семейств генов современных растений — гораздо больше, чем считалось ранее — были перенесены от других организмов, особенно от микробов, таких как бактерии и грибы.
Кроме того, команда определила два основных эпизода HGT во время ранней эволюции харофитных водорослей и происхождения наземных растений, когда более сотни семейств генов перешли от микробов к растениям.
«Наше открытие предполагает, что HGT играет значительную роль в эволюции наземных растений. По сравнению с мутациями в результате вертикального переноса генов, HGT позволяет растениям быстро приобретать новые черты, и некоторые из этих новых черт могут помочь растениям адаптироваться к совершенно другой среде. , например, когда они перешли из воды на сушу», — говорит Хуанг.
Известно, что многие из приобретенных генов выполняют важные биологические функции в растениях. Например, обильные гены позднего эмбриогенеза, полученные от бактерий, помогают растениям адаптироваться к более сухой среде. Ген переносчика аммония, полученный от грибов, помогает растениям поглощать азот из почвы для роста.
«Почти каждый испытывал слезящиеся глаза, когда нарезал лук.
Мы обнаружили, что ген в луке, ответственный за производство агента, вызывающего слезотечение, на самом деле произошел от бактерий. Это очень интересно, потому что мы все знаем об этой реакции, но не осознавали этого. до сих пор это результат HGT», — говорит Хуанг. «Есть еще много подобных примеров».
Затем команда планирует продолжить изучение перенесенных генов у мохообразных, в группу растений, в которую входят мхи. Многие чужеродные гены в этих растениях имеют неизвестные функции, и будущие исследования могут помочь определить желаемые гены, которые однажды можно будет перенести в сельскохозяйственные культуры для улучшения их приспособленности.
Эта работа частично финансировалась Национальным фондом естественных наук Китая.
Источник истории:
Материалы предоставлены Cell Press . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Бактерии помогают растениям лучше расти
изображение: среди молодых растений кукурузы: доктор Пэн Ю из Института растениеводства и сохранения ресурсов (INRES) Боннского университета (Германия).
посмотреть больше
Авторы и права: © Барбара Фромманн/Боннский университет
Каждый третьеклассник знает, что растения поглощают питательные вещества из почвы через свои корни. Тот факт, что они также выделяют вещества в почву, вероятно, менее известен. И это, кажется, делает жизнь растений намного проще.
По крайней мере, таков вывод текущего исследования. Участвующие исследователи изучили несколько сортов кукурузы, которые значительно различались по урожайности. В поисках причины они наткнулись на фермент флавонсинтазу 2. «Высокоурожайная инбредная линия 787, которую мы изучали, содержит большое количество этого фермента в своих корнях», — объясняет доктор Пэн Ю из Института растениеводства и растениеводства. Сохранение ресурсов (INRES) в Боннском университете. «Он использует этот фермент для производства определенных молекул из группы флавоноидов и выпускает их в почву».
Флавоноиды придают цветам и фруктам их цвет.
Однако в почве они выполняют другую функцию: они обеспечивают скопление очень специфических бактерий вокруг корней. А эти микробы, в свою очередь, вызывают образование на этих корнях более боковых ответвлений, называемых боковыми корнями. «Это позволяет растениям кукурузы поглощать больше азота из окружающей среды», — объясняет профессор доктор Франк Хоххолдингер из Института растениеводства и сохранения ресурсов (INRES). «Это означает, что растение растет быстрее, особенно при недостатке азота».
Стерилизованная почва не вызвала скачка роста
Исследователи смогли экспериментально продемонстрировать, насколько хорошо это работает. Они сделали это, используя сорт кукурузы с аббревиатурой LH93, который обычно дает довольно маленькие растения. Однако все изменилось, когда они посадили этот сорт в почву, где ранее росла высокопроизводительная линия 787: LH93 тогда рос значительно лучше. Эффект исчез, когда ботаники стерилизовали почву перед пересадкой.
Это показывает, что обогащенные бактерии действительно ответственны за турборост, потому что они были убиты во время стерилизации.
Исследователи смогли продемонстрировать в другом эксперименте, что микроорганизмы действительно способствуют росту боковых корней. Здесь они использовали сорт кукурузы, который не может образовывать боковые корни из-за мутации. Однако, когда они добавили бактерию в почву, корни мутанта начали разветвляться. Пока не ясно, как возникает этот эффект. Кроме того, при микробной поддержке кукуруза намного лучше справлялась с дефицитом азота.
Результаты могут способствовать более устойчивому сельскому хозяйству
Азот чрезвычайно важен для роста растений — настолько, что фермеры искусственно увеличивают его количество в почве, применяя удобрения. Однако часть удобрений смывается с полей дождем в ручьи или попадает в грунтовые воды. Он также может попадать в атмосферу в виде оксидов азота или газообразного аммония, где способствует возникновению парникового эффекта.
Кроме того, производство азотных удобрений требует больших затрат энергии. «Если мы будем выращивать культуры, которые могут улучшить использование азота с помощью бактерий, мы сможем значительно уменьшить загрязнение окружающей среды», — надеется Юй.
Исследование показывает, что растения помогают формировать почвенные условия, в которых они растут, таким образом, что в конечном итоге они приносят им пользу. Однако до сих пор этому аспекту в селекции не уделялось должного внимания. Доктор Пэн Юй добавляет, что в целом многие взаимодействия корневой системы с почвенными организмами еще недостаточно хорошо изучены. Он хочет помочь изменить это: он только что возглавил группу молодых исследователей Эмми Нётер в Боннском университете, которая занимается именно этой темой. В рамках программы «Эмми Нётер» Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкий исследовательский фонд) предлагает молодым исследователям возможность получить квалификацию университетского профессора в течение шести лет.