Учёные нашли доказательства двух вариантов происхождения жизни на Земле
Примерно 4 миллиарда лет назад наша планета выглядела совсем не так, как сегодня. Ни зелёных лесов, ни голубого неба, ни привычных нам животных. Только океаны, скалы и горячие гидротермальные источники на дне. Именно там, в этом первобытном аду, могла зародиться жизнь. Но, как выяснили учёные, возможно, не один раз, а целых два.
Международная группа биологов из Дюссельдорфского университета имени Генриха Хайне опубликовала в журнале Science Advances сенсационные результаты исследования, которое переворачивает наши представления о том, как на Земле появились первые клетки.
Один код — два пути
Долгое время считалось, что все живые организмы на Земле произошли от одного общего предка так называемого LUCA (Last Universal Common Ancestor). Однако новое исследование показывает, что история могла быть сложнее.
Учёные изучили 420 химических реакций, которые лежат в основе клеточного метаболизма, процесса, с помощью которого организмы добывают энергию и строят свои тела. Эти реакции настолько древние, что сохранились у всех живых существ, от бактерий до человека, почти в неизменном виде.
Но когда исследователи сравнили, какие ферменты (белки-ускорители реакций) используют для этих процессов бактерии и археи две древнейшие ветви жизни, они обнаружили неожиданное. Оказалось, что у последнего общего предка всех клеток были ферменты только для половины метаболических реакций. Вторую половину «делали» сами металлы из окружающей среды те, что были в изобилии в гидротермальных источниках.
«Металлы, встречающиеся в природе в гидротермальных источниках, могут замещать удивительно большое количество ферментов в метаболизме», — объясняет Харун Тюйсюз, химик-неорганик, соавтор исследования.
Это значит, что ранний метаболизм был гибридным, ферменты работали вместе с неорганическими катализаторами. А главное бактерии иархеи двигались к свободной жизни разными путями.
Как жизнь отделилась от гидротермального источника?
Исследователи реконструировали четыре этапа ранней эволюции биологического катализа:
-
Металлическая эра — реакции шли исключительно за счёт металлов, без участия ферментов.
-
Эра LUCA — металлы и ферменты работали вместе.
-
Разделение путей — бактерии и археи начали эволюционировать по отдельности.
-
Замена металлов — в каждой линии новые ферменты постепенно вытеснили неорганические катализаторы.
Именно на третьем этапе произошло самое интересное. Учёные обнаружили, что бактерии и археи независимо друг от друга «изобрели» разные ферменты для выполнения одних и тех же важных метаболических задач.
«Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо друг от друга разработали структурно различные ферменты для катализа одной и той же важной метаболической реакции, — говорит ведущий автор Наталья Мрнявац. — Такие параллельные изобретения могли проложить путь к независимому появлению свободноживущих бактерий и архей».
Это параллельное развитие позволило двум линиям стать менее зависимыми от химического состава гидротермальных источников и в конечном итоге выжить как независимые клетки.
Откуда бралась энергия до появления АТФ?
Современные клетки используют для энергии сложную молекулу АТФ. Но в древних гидротермальных источниках её не было. Как же тогда работал метаболизм?
Исследователи нашли ответ. Ключевую роль играл палладий — металл, который в изобилии встречается в гидротермальных источниках. В присутствии палладия фосфит (форма фосфора, также распространённая в таких источниках) вступал в реакцию с органическими соединениями, запуская процессы фосфорилирования — те самые, которые сегодня обеспечиваются АТФ и ферментами.
«Когда мы взаимодействуем фосфитом… с органическими соединениями, мы получаем метаболические реакции фосфорилирования, происходящие в воде в течение ночи, — рассказывает Манон Шликкер из исследовательской группы. — Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты; это удивительно, и это значительно упрощает понимание ранней эволюции».
Это открытие даёт возможное объяснение тому, как самые ранние метаболические реакции могли получать энергию до появления современных биологических систем.
Почему это важно для нас сегодня?
На первый взгляд, изучение того, как 4 миллиарда лет назад зародилась жизнь, может показаться далёким от экологических проблем. Но это не так.
Во-первых, понимание механизмов ранней эволюции помогает нам лучше осознать, насколько хрупка и уникальна жизнь на нашей планете. Если жизнь возникала дважды в схожих условиях, это подчёркивает, насколько ценным является каждое живое существо сегодня.
Во-вторых, гидротермальные источники — это не только «колыбель жизни», но и современные экосистемы, которые до сих пор существуют в глубинах океана. Они крайне уязвимы для глубоководной добычи полезных ископаемых и изменения климата. Уничтожая их, мы рискуем потерять не только уникальные виды, но и живую лабораторию, которая хранит ключи к нашему собственному происхождению.
В-третьих, это исследование напоминает нам: природа — гениальный изобретатель. Она нашла не один, а два способа создать свободноживущую клетку. Возможно, и в решении современных экологических проблем нам стоит искать не один, а множество путей.
Что мы можем сделать?
-
Поддерживать защиту океана. Гидротермальные источники и глубоководные экосистемы нуждаются в охране от добычи полезных ископаемых и загрязнения.
-
Изучать природу. Каждое новое открытие — это не только знание, но и ключ к решению проблем, с которыми мы сталкиваемся сегодня.
-
Помнить о своей роли. Мы часть огромной эволюционной истории, которая длится миллиарды лет. И от нас зависит, продолжится ли она.
Жизнь на Земле могла зародиться не один, а два раза. Бактерии и археи, две древнейшие ветви жизни, вероятно, достигли состояния свободных клеток независимо друг от друга. У них один общий генетический код, но два разных пути к свободе.
И это открытие, опубликованное в журнале Science Advances, заставляет нас по-новому взглянуть на самих себя и на наше место в этом удивительном мире, который мы называем домом.