Теорія ендосимбіозу: мітохондрії

Уже наприкінці ХІХ століття зоологи описали незвичайні клітинні органели, що є в усіх клітинах. Німецький патолог Ріхард Альтман 1890 року назвав ці органели біопластами й висунув дивне припущення, що біопласти — це крихітні живі істоти всередині більш складних клітин.

1910 року зоолог Костянтин Мережковський описав свою «теорію двох плазм», у якій висловив припущення, що більш складні клітини виникли з більш простих шляхом об’єднання. Цю теорію він назвав симбіогенезом. За часів Мережковського й Альтмана такі заяви вважали єретичними, наукова спільнота не сприймала їх серйозно. При цьому зоологам і ботанікам були чудово відомі приклади симбіонтів, наприклад, лишайники, які є симбіозом гриба та водорості.

Паразити, що мешкають усередині клітин, теж були описані. 1909 року Говард Тейлор Ріккетс описав збудника плямистої лихоманки Скелястих гір — маленьку бактерію, що живе всередині клітин. Того ж року Ріккетсу вдалося виділити збудника висипного тифу в Мексиці — також крихітних бактерій. На жаль, за кілька днів дослідник загинув, заразившись цією бактерією. На честь відважного вченого нові бактерії було названо рикетсіями.

1922 року Іван Валлін, викладач анатомії в Колорадо, що отримав прізвисько «Mitochondrial Man», висловив припущення, що мітохондрії могли походити від бактерій. На цю думку його навів той факт, що мітохондрії та бактерії можуть забарвлюватись однаковими барвниками, а отже, мають схожу хімічну структуру.

У ХХ столітті битви гриміли й на полях біохімії. Наукова спільнота була зайнята пошуком відповідей на одні з найцікавіших питань життя: як клітина отримує енергію та для чого потрібен кисень. Про мітохондрії знову заговорили: стало очевидно, що ці маленькі органели і є енергетичними станціями клітини. Питання еволюції мітохондрій були відкладені на потім: навіщо спекулювати та висувати безглузді гіпотези, коли серйозна наука зайнята конкретнішими справами?

Лише 1967 року Лінн Маргуліс, спираючись на праці своїх попередників, сформулювала основні ідеї теорії ендосимбіозу. Вона заявила, що мітохондрії, мабуть, походять від непаразитичних бактерій, а хлоропласти — від ціанобактерій.

Її наукову працю відхилили 15 видавництв. На Маргуліс полилася критика з боку незгодних біологів. Заслуговує на повагу те, з якою наснагою ця видатна жінка обстоювала свої погляди. На що ж спиралася дослідниця у своїх висновках?

Мітохондрії та хлоропласти мають власну ДНК, власні рибосоми, що дуже схожі на рибосоми бактерій. Процес синтезу білка всередині цих органел надзвичайно схожий на цей процес у бактерій. А деякі білки у внутрішній мембрані мітохондрій такі самі, як на зовнішніх мембранах бактерій. Окрім того, нові мітохондрії та хлоропласти здатні утворюватися внаслідок поділу, як їхні несимбіотичні предки.

У 1980-х роках із розвитком методів секвенування стало зрозуміло, що ДНК, яка міститься в цих органелах, значно відрізняється від ДНК у ядрі та набагато більше нагадує ДНК бактерій. Надалі виявилося, що геном мітохондрій схожий із геном альфа-протеобактерій, до яких належать і рикетсії. Поступово доказів накопичилося стільки, що вже неможливо було не визнати очевидного: мітохондрії та хлоропласти — це залишки колись вільних бактерій.

Відомий англійський популяризатор науки, автор «Егоїстичного гена» Ричард Докінз назвав теорію ендосимбіозу «одним із найважливіших досягнень у біології ХХ століття».

З часу виходу гучної роботи Маргуліс минуло півстоліття, її теорія ендосимбіозу прийнята всією науковою спільнотою. Поява мітохондрій уважається центральною подією виникнення еукаріотичних клітин: отримавши у своє розпорядження маленькі ферми з виробництва енергії, клітини змогли нарешті «вдихнути на повні груди».

Варто наголосити, що мітохондрії не тільки постачають до клітин енергію, від них залежать важливі рішення. Програмовану клітинну смерть — апоптоз — запускають мітохондрії. Ці крихітні органели вирішують, жити клітині чи вчинити самогубство.

Мітохондрії передаються тільки від матері разом із цитоплазмою яйцеклітини. Так відбувається в усіх видів, що розмножуються статевим шляхом, навіть у тих, у яких статеві клітини, що зливаються, однакові. Тому визначати стать можна так: жіноча — це та, яка передає мітохондрії нащадкам, а чоловіча — не передає. Постає логічне запитання: чи не відіграли мітохондрії певну роль у виникненні статевого розмноження?

Біологія мітохондрій — царина інтенсивних досліджень у сучасній медицині. Велика кількість генетичних захворювань пов’язана саме з цими органелами. Є й складніші аспекти, які мітохондрії можуть прояснити: старіння та рак. Мітохондрії накопичують мутації та самі стають джерелом кисневих радикалів, що ушкоджують клітину. Дихання саме по собі дуже небезпечний процес, мітохондрії буквально бавляться з вогнем!

Мітохондрії залишили слід і в кінематографі: Джордж Лукас у всесвіті Star Wars зобразив джедаїв, наділених Силою завдяки крихітним живим істотам — мідіхлоріанам. Тому день зоряних війн — 4 травня — можна вважати днем мітохондрій.