1967 рік. 29-річна вчена вкотре подає свою статтю до наукового журналу. Це вже п’ятнадцята спроба: всі попередні редакції відповіли відмовою. Її ідея надто радикальна, тож ніхто не хотів брати на себе відповідальність за її публікацію. Вона підважувала усталені принципи і розширювала саму дарвінівську теорію еволюції. Ця бунтівна науковиця — Лінн Марґуліс, тоді ще Лінн Саґан за прізвищем свого першого чоловіка, видатного популяризатора науки та астрофізика, Карла Саґана. Після численних відмов її статтю таки опублікували в «Журналі теоретичної біології»1. У своїй статті Марґуліс пропонувала теорію походження еукаріотичної клітини. Згідно з нею, еукаріоти виникли не шляхом лінійної еволюції, а шляхом поєднання двох окремих гілок еволюції: колись одна бактерія проковтнула іншу, і відтоді вони співіснують. Одна з цих бактерій є предком важливих компонентів клітин — мітохондрій. Марґуліс стверджувала, що випадкових мутацій недостатньо для того, щоб пояснити радикальні еволюційні зміни, такі як виникнення еукаріотів2. Для цього потрібні більш складні механізми, наприклад, ендосимбіоз — співпраця організмів з різних доменів життя.
Лінн Марґуліс була незручною для консервативної наукової спільноти. Впевнена, гостра і з неймовірними ідеями, вона не боялася інтелектуальних викликів і руху проти течії. Її методи були доволі революційними. Вона була великою прихильницею вивчення науки не з підручників, а з оригінальних праць. Хочеш зрозуміти спадковість — читай Менделя. Хочеш зрозуміти, звідки взялись основи фізики, — починай із праць Ньютона. Такий підхід, на її думку, спонукав до критичного і самостійного мислення, без покладання на готові висновки чи спрощення. Це дозволяє зрозуміти логіку наукових відкриттів, а не лише їхній результат.
Коли вона зацікавилася походженням еукаріотичних клітин, то звернулася до палеонтологічних літописів — архівних записів про скам’янілості2. Марґуліс хотіла з’ясувати, коли виникли перші еукаріотичні форми і що цьому сприяло. Пошуки привели до початків зародження життя на Землі, коли її населяли найпримітивніші форми життя. Приблизно 3,5 мільярда років тому, в період Архейського еону, з’являються перші одноклітинні організми — прокаріоти. Згодом вчені розділили їх на два великі домени — археї та бактерії3. Через подібність їх довгий час зараховували до одного домену, та все ж їм притаманні суттєво різні молекулярні механізми й будова клітинної мембрани, що і вказує на їх приналежність до різних еволюційних гілок.
Саме симбіоз між цими двома доменами Марґуліс і вважала необхідним для подальшого виникнення еукаріотів. Тоді вона описувала це як симбіоз прокаріотичної та еукаріотичної клітин, адже археї як окремий вид виокремили пізніше. Появу кисню в атмосфері вона визначала каталізатором процесу симбіозу. Кисень виник завдяки ціанобактеріям, одному із різновидів домену Бактерій, які навчилися синтезувати його з води. Його поява в атмосфері змінює умови життя і змушує живі організми адаптуватися. Тепер перевагу мають ті форми життя, які здатні вижити в кисневому середовищі — аероби. Серед прокаріотів, окрім ціанобактерій, існують й інші аеробні організми, зокрема протеобактерії, які не лише живуть в умовах кисню, але й здатні використовувати його для синтезу енергії. Серед архей були як аероби, так і анаероби. Власне анаеробні археї, зіткнувшись з викликом зростання концентрації кисню навколо, знайшли еволюційне рішення: вони поглинули аеробну протеобактерію4. Саме так, згідно з ендосимбіотичною теорією Лінн Марґуліс, утворюється еукаріотична клітина.
Ідея ендосимбіозу була не новою, але саме Лінн Марґуліс сформулювала її як цілісну теорію походження еукаріотів. Вона зазначила структурну та функціональну подібність мітохондрій та бактерій, а також певну автономність мітохондрій всередині клітини. Вони мають власний геном, здатні самі синтезувати білки, розмножуються шляхом поділу, навіть морфологічно вони зберегли бактеріальну мембрану і залишилися двомембарнними органелами всередині клітини. Окрім того, ці висновки змінювали усталені підходи до класифікації живих організмів. Теорія стверджує, що не існує трьох окремих гілок — бактерії, археї та еукаріоти, а натомість еукаріоти — це симбіоз двох інших доменів.
Зараз ендосимбіотична теорія Лінн Марґуліс є загальновизнаною частиною клітинної біології. Але для її наукового прийняття після публікації потрібно було трохи часу. Ключовим моментом для її підтвердження стало дослідження Роберта Шварца та Маргарет Дейгоф5. Вони порівняли мітохондріальний білок у різних організмах і виявили, що він більш подібний до бактеріальних білків, ніж до білків з ядерного геному. Наступні десятиліття стали визначальними для нашого розуміння мітохондрій. Науковці описували білки і ліпіди мітохондрій, з’ясовували функції цих органел, робили перші електронні знімки.
У наш час мітохондрії активно вивчаються в дослідницьких лабораторіях усього світу. Тепер вони — це не просто органели відповідальні за виробництво енергії. Ми знаємо, що мітохондрії задіяні практично всюди: у метаболізмі, синтезі гормонів, підтриманні рівня кальцію, передачі сигналів6. Навіть після декількох мільярдів років після симбіозу мітохондрії не планують поступатися і залишають певну автономію всередині клітини. Вони наче й погодилися на співіснування — навіть віддали більшу частину генів нашому ДНК в ядрі. Проте хитрість полягає в тому, що без тих 37 генів, які мітохондрії залишили собі, неможливо виробляти енергію, і клітина все одно залежить від них. Науковці дедалі частіше розглядають мітохондрії не просто як органели, а як мікроби всередині нас. Вони ж, власне, і реагують як бактерії. Наприклад, мітохондрії є чутливими до певних антибіотиків, бо мають подібні до бактерій компоненти, на які ці ліки діють7.
Автономність мітохондрій змушує задуматися про те, що ж вони будуть робити, якщо на горизонті з’являється інша бактерія або патоген. Тривалий час вважалося, що мітохондрії є мішенню для патогенів, а самі ніяк не беруть участь у їх знешкодженні. Проте нещодавні дослідження із лабораторії американської вченої Лени Парнас показали, що мітохондрії можуть активно захищати клітину від паразита токсоплазми, обплітаючи його та обмежуючи доступ до поживних речовин, тим самим сповільнюючи їхній ріст8. Ці відкриття можуть допомогти нам розробити нові способи боротьби з інфекційними хворобами, враховуючи роль мітохондрій у наших клітинах.
Мітохондрії — це нагадування про те, що ми всі пов’язані. Кожен живий організм, що має у своїх клітинах мітохондрії, походить від одного й того самого предка. Ми є результатом поєднання двох гілок еволюцій, і наші клітини несуть пам’ять про це. Відповіді на глобальні питання нашого походження і виживання є всередині нас. Природа ще неодноразово нас здивує.
