Разделение у истоков
Долгое время в науке господствовала теория о том, что все живое на планете происходит от единого предка, известного как LUCA. Считалось, что этот организм уже обладал полным набором генетических и метаболических инструментов. Однако анализ белковых структур, опубликованный в журнале Science Advances, рисует иную картину.
Исследовательская группа из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе обнаружила, что наш общий предок обладал ферментами лишь для 166 метаболических реакций – это всего половина от количества, необходимого для самостоятельного существования.
Это означает, что LUCA не был свободноживущей клеткой в современном понимании. Он критически зависел от внешней среды, которая выполняла роль "внешнего метаболизма". Лишь после того, как ветви бактерий и архей разделились, они самостоятельно прошли путь к полной биологической независимости. Бактерии изобрели 89 собственных ферментов, а археи – 38, чтобы восполнить пробелы в химических цепочках.
Новые данные позволяют сделать лишь один вывод. Линии бактерий и архей перешли к свободноживущему состоянию независимо друг от друга. Только свободноживущие клетки являются живыми,
– прокомментировал биолог Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне.
То есть LUCA фактически не был живой структурой, а его потомки – бактерии и археи – уже были живыми. Это и позволяет сделать вывод, что из одного источника, независимо друг от друга, дважды возникла жизнь.
Каким образом LUCA существовал без полного набора ферментов
Ответ нашли в экстремальных условиях гидротермальных источников на дне океана. Ученые доказали, что природные металлы – железо, кобальт, никель и палладий – действовали как первоначальные катализаторы. Они ускоряли химические реакции, заменяя сложные белки, которые еще не успели эволюционировать.
Исследователи изучили сеть из более чем 400 реакций, которые преобразуют водород, углекислый газ и аммиак в аминокислоты и сахара. Оказалось, что металлы могут эффективно запускать эти процессы в обычной воде при температуре 20–100 градусов Цельсия. В частности, никель и палладий позволили ученым в лаборатории провести фосфорилирование – процесс передачи энергии, который сегодня во всех клетках осуществляет молекула АТФ. В древности эту роль мог играть более простой фосфит, выделявшийся из горных пород.
Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо изобрели структурно разные ферменты для катализа одной и той же основной метаболической реакции,
– рассказала биолог Наталья Мрнявац.
Конец эпохи единого ствола
Эти находки заставляют биологов пересмотреть структуру "дерева жизни". Вместо одного массивного ствола мы теперь видим две отдельные колонны, которые начали расти из одной "корневой системы" – химической среды горячих источников. Несмотря на то, что генетический код у бактерий и архей одинаков, их системы обмена веществ имеют разное происхождение.
Фактически, человечество и все другие сложные организмы обязаны своим появлением двум параллельным биологическим изобретениям. Органические кофакторы со временем вытеснили зависимость от металлов в земной коре, позволив клеткам покинуть пределы гидротермальных зон и заселить всю планету.
Это открытие не только проливает свет на прошлое Земли, но и дает новые инструменты для поиска жизни на других планетах, где металлические поверхности могут выполнять роль первых биологических лабораторий.