Как и все, кто работал над этим проектом, Вёзе надеялся нащупать генетическую связь между прокариотами и эукариотами — нечто напоминающее связь между митохондриями и альфа-протеобактериями. Ученых ждали два сюрприза. Во-первых, провал между бактериями и эукариотами продолжал углубляться. Не было найдено никакого промежуточного звена, никакого перехода между бактериальной и эукариотической рибосомной РНК, как должно было быть, если бы эукариоты произошли от бактерий. Вместо этого все последовательности РНК упрямо разбивались на две группы, как будто между ними не было ничего общего. Это означало только одно: разделение между бактериями и эукариотами произошло очень-очень давно, возможно, уже вскоре после появления самых первых форм жизни. Это, в свою очередь означало, что эукариоты не эволюционировали постепенно на протяжении 2 млрд лет, как предполагалось. Разделение должно было произойти быстро и очень рано.
В 1977 г. Вёзе и Фокс объявили о втором неожиданном открытии, которое теперь считают одним из важнейших прорывов в биологических исследованиях прошлого столетия. В самом домене прокариот тоже не было единства. Малоизвестная группа прокариот, большинство представителей которой обитали в экстремальных условиях, таких как горячие источники или очень рибосомной РНК этих организмов было исследовано, тем яснее становилось, что это не просто новое царство внутри домена прокариот, но что-то гораздо более фундаментальное — совершенно новый домен, который стали называть доменом архей (рис. 9). Сегодня уже не говорят о пяти царствах жизни, а выделяют три домена — бактерии, археи и эукариоты. Человек, как и все животные, является всего лишь одной из ветвей домена эукариот (рис. 10).
С учетом существования архей мы можем составить гораздо более убедительное изображение LUCA, сравнивая признаки представителей трех доменов жизни. Археи, безусловно, похожи на бактерий тем, что не имеют ядра, так что они тоже относятся к прокариотам. И организация их геномов напоминает организацию геномов бактерий: они имеют единственную циклическую хромоcoму, гены собраны в кластеры (опероны), и почти нет «мусорной» ДНК. Однако по другим признакам, таким как структура и функции белков в клеточной мембране, они меньше напоминают бактерий. Большинство архей имеют клеточную стенку (но не все, в отличие от бактерий), не содержащую пептидогликанов. Таким образом, сходство между двумя доменами весьма ограниченное.
В других отношениях археи гораздо ближе к эукариотам. У них меньше генов, чем у эукариот, но все же примерно вдвое больше, чем у бактерий. ДНК архей обернута вокруг белков, напоминающих соответствующие белки эукариот. Механизмы репликации ДНК и синтеза белка гораздо больше напоминают аналогичные механизмы у эукариот, чем у бактерий. Например, археи включают и выключают свои гены примерно таким же образом, как эукариоты. Структура рибосомных белков тоже напоминает структуру соответствующих белков эукариот. Другие аспекты функционирования рибосом, включая инициацию синтеза белка, элонгацию белковой цепи и стадию терминации, аналогичны таковым у эукариот. Наконец, результаты генетического анализа так называемых паралогичных генов (генов, которые образовались в результате удвоения одного гена у общего предка, а затем развивались разными эволюционными путями в разных группах потомков) показывают, что археи действительно ближайшие родственники эукариот. Таким образом, археи — это прокариоты, имеющие многие признаки эукариот. Они напоминают то связующее звено между эукариотами и бактериями, которое мы тщетно пытаемся найти[51].
Как все это поможет нам описать LUСА? По-видимому, бактерии и археи разошлись от общего предка очень рано, возможно, 3,8 — 4 млрд лет назад. Мы предполагаем, что и те и другие сохранили какие-то признаки LUСА. Расчеты показывают, что эукариоты отделились от архей позже, возможно, от 2,5 до 3 млрд лет назад, поскольку у них гораздо больше общего с археями, чем с бактериями (см. рис. 10). Мы знаем, что эукариоты приобрели митохондрии и хлоропласты примерно 2 млрд лет назад за счет поглощения бактерий. Также нам известно, что часть бактериальных генов была включена в хромосомы эукариотических клеток. Но здесь мы возвращаемся к проблеме горизонтального переноса генов. Если эукариоты — результат слияния бактерий и архей, получается, что горизонтальный перенос генов происходит и между доменами. Если мы хотим нарисовать портрет LUСА, проводя сравнительный анализ разных доменов, можем ли мы быть уверены, что они не перемешаны полностью?
К счастью, мы знаем, что горизонтальный перенос генов между доменами — явление редкое. Появление эукариот, по-видимому, было уникальным событием, возможно, связанным с какими-то необычными внешними условиями, сложившимися в процессе глобального оледенения Земли 2,3 млрд лет назад (см. главу 3). Но в целом археи остаются археями и очень мало изменяются со временем. Не существует патогенных архей, способных инфицировать эукариотические клетки, так что археи не могут смешивать свои гены с генами эукариот. И с бактериями они не конкурируют. Предпочтение экстремальных условий обитания отделяет их от других организмов, даже от бактерий. Гипертермофильные археи, такие как Pyrolobus fumaris, живут в глубоководных гидротермальных источниках при температуре около 100 °С и в условиях высокого давления. Некоторые археи, такие как Sulfolobus acidocaldarius, обитают не только в горячей, но и в кислой среде — в серных источниках Национального парка Йеллоустон с рН около 1 (как в разбавленной серной кислоте). Другие предпочитают щелочную среду, например щелочные озера Восточно-Африканской рифтовой долины. Вода в этих озерах имеет рН 13 и выше (там расползаются резиновые сапоги). Галофильные археи — единственные организмы, способные жить в сверхсоленых озерах, например в Великом соленом озере в Юте или в Мертвом море. Психрофилы любят холод и лучше всего растут в Антарктике при температуре 4 °С (при более высокой температуре их рост замедляется).
Условия в этих специфических экологических нишах мало изменились за миллиарды лет. Без катастроф и конкуренции нет стимула для естественного отбора, способствующего изменениям и инновациям. Конечно, многие археи живут и в обычных местах (среди планктона на поверхности океана, в болотах, канализационных стоках и рубце жвачных животных), но гены их родственников «экстремалов» совершенно точно не смешивались с генами других видов организмов.
Удивительные свойства архей вызывают большой научный и коммерческий интерес; в 1990-х гг. исследование архей стало отдельным научным направлением. Широкое применение нашли ферменты, активные в условиях высокой температуры или давления. Их добавляют в моющие средства и используют для очистки загрязненных территорий, например разливов нефти. Поскольку для промышленного применения микроорганизмов требуется знание их генетического строения, на сегодняшний день уже определены полные нуклеотидные последовательности представителей всех групп архей. Полученные данные еще раз подтверждают древнейшее происхождение архей и их изолированное существование на протяжении миллиардов лет. Но самым большим сюрпризом оказалось удивительное сходство между многими генами архей и генами бактерий.
Среди генов, участвующих в производстве энергии при аэробном или анаэробном дыхании, как минимум 16 были найдены и у бактерий, и у архей. Сходство последовательностей означает, что эти гены были у LUCA, а затем перешли по наследству обеим группам. Жозе Кастрезана и Матти Сарасте с помощью двух независимых методов подтвердили, что LUCА имел эти 16 дыхательных белков.