Недавнее исследование, опубликованное в журнале Science Advances в прошлую среду (05 число), предлагает кардинально изменить понимание происхождения жизни: бактерии и археи могли достичь состояния живых организмов по отдельным эволюционным путям.
Исследование, проведенное учеными из Университета Хайнрих-Хайне в Дюссельдорфе, Германия, анализировало ферменты, связанные с метаболизмом. Авторы пришли к выводу, что два крупных типа микроорганизмов разработали собственные решения для преодоления критического этапа между неживой химией и первыми самостоятельно жизнеспособными организмами.
Это открытие намекает на то, что универсальный общий предок, известный как LUCA, возможно, не является единственной отправной точкой клеточной жизни. Вместо этого история жизни могла иметь два отдельных начала после общего химического этапа.
Происхождение жизни затрагивает одну из самых сложных проблем науки: как молекулярные комплексы, присутствующие на ранней Земле, превратились в системы, способные получать энергию, расти и размножаться. Центральную роль в этом процессе играет метаболизм.
Хотя существуют различные определения жизни, способность проводить химические реакции для поддержания функционирования организма считается неотъемлемым признаком живых существ. Научный вызов заключается в эволюционной дилемме: ферменты, белки, ускоряющие химические реакции, производятся живыми организмами, но первые живые системы должны были проводить эти реакции еще до появления таких структур.
Исследователи полагают, что экстремальные среды, такие как гидротермальные источники, могли создать необходимые условия для этого перехода. В таких местах природные металлы могли действовать как катализаторы, обеспечивая химические реакции, которые привели к образованию молекул, важных для зарождения жизни.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда изучила белковые структуры, присутствующие в геномах бактерий и архей. На основе этих данных ученые разработали метод для упорядочивания ферментов по уровню сложности и оценки порядка появления различных метаболических компонентов.
Результаты показали, что LUCA, вероятно, обладал лишь частью ферментов, необходимых для современного метаболизма. Остальные функции изначально выполнялись химическими элементами самой окружающей среды.
Согласно предложенной реконструкции, развитие метаболизма шло поэтапно. Сначала реакции полностью зависели от природных катализаторов, таких как металлы. Затем организмы на ранних стадиях начали производить собственные ферменты, постепенно замещая внешние элементы.
С развитием эти клеточные структуры приобрели большую химическую независимость, достигнув стадии свободных клеток, способных поддерживать свой метаболизм без прямой зависимости от окружающей среды для проведения основных реакций.
Основной вывод исследования заключается в сравнении бактерий и архей. По мнению исследователей, ферменты, отвечающие за определенные жизненно важные метаболические функции, не сохранились от одного и того же эволюционного источника в обоих группах. Это указывает на то, что после первоначального разделения линии каждая группа нашла собственные механизмы для выполнения схожих процессов, то есть способность поддерживать независимую клетку возникла дважды.
Гипотеза не исключает существования общего предка для всех живых существ, но предполагает, что этот организм жил до полной метаболической независимости клеток. Разделение эволюционных путей могло произойти еще во время переходного периода между пребиотической химией и клеточной жизнью.
Исследование также рассматривает происхождение механизмов, используемых организмами для получения энергии. Одна из важнейших молекул в этом процессе — АТФ, которая служит универсальным источником энергии для современных клеток. Ученые предполагают, что предшественник АТФ мог существовать в средах, подобных гидротермальным источникам. Они отмечают, что реакции с участием фосфита, соединения фосфора, естественно встречающегося в этих местах, могли способствовать процессам фосфорилирования до появления современных биологических систем.
Несмотря на прогресс, ученые подчеркивают сохраняющиеся вопросы относительно точной среды, в которой происходили эти ранние этапы. Остаются открытыми проблемы, касающиеся роли воды или других более вязких химических сред в формировании первых систем, способных к эволюции.
Если новые исследования подтвердят эти выводы, традиционное представление о древе жизни может потребовать корректировки. Вместо единого корня, ведущего ко всем известным организмам, происхождение клеточной жизни могло включать два отдельных пути, которые встретились только в более поздней эволюционной истории.
