Život na Zemi mohl vzniknout dvakrát: bakterie a archea možná překročily práh života samostatně

Hlavní autor studie William Martin to shrnul slovy: „Vidíme jeden původ genetického kódu, ale dva původy života.“

LUCA možná nebyl plně živý organismus

LUCA bývá znázorňován jako jediný organismus na samém kořeni stromu života. Nový výzkum nabízí složitější obraz. Tým porovnal genomy všech hlavních skupin bakterií a archeí a sledoval původ enzymů, které řídí základní metabolické reakce. Ty jsou potřebné například k tvorbě aminokyselin, základních stavebních prvků RNA a kofaktorů z jednoduchých látek, jako jsou vodík, oxid uhličitý, amoniak a fosfát .

Analýza ukázala, že LUCA měl enzymy přibližně jen pro polovinu z asi 420 sledovaných klíčových metabolických reakcí. Druhou polovinu podle studie nezajišťovaly enzymy, ale kovy přirozeně přítomné v prostředí hydrotermálních průduchů – například železo, nikl a kobalt .

Jinými slovy, LUCA zřejmě nedokázal udržovat metabolismus zcela sám. Bez pomoci svého okolí by nebyl autonomním, volně žijícím organismem v dnešním smyslu.

„Překvapivé je, že enzymy katalyzující tyto reakce nejsou zachované napříč evoluční hranicí mezi bakteriemi a archei,“ uvedl Martin pro časopis Scientific American .

Čtyři kroky od chemie k buňce

Vědci rekonstruovali čtyři fáze vývoje katalýzy, které mohly překlenout cestu od neživé chemie k moderním buňkám :

1. Reakce katalyzované pouze kovy: V nejranější fázi jednoduché metabolické reakce urychlovaly výhradně anorganické kovy.
2. Kombinace kovů a enzymů: Objevila se entita podobná LUCA. Měla některé primitivní enzymy, ale u řady zásadních reakcí byla stále odkázána na kovy z prostředí.
3. Rozdělení vývojových linií: Předkové bakterií a archeí se začali oddělovat a každá linie zdědila jen částečnou enzymatickou výbavu LUCA.
4. Nezávislý vývoj enzymů: Bakterie a archea si samostatně vytvořily nové, strukturálně odlišné enzymy, které nahradily chybějící kovové katalyzátory. Ke stejným metabolickým problémům tak dospěly různými řešeními.

Právě tato nezávislá evoluce enzymů představuje klíčový argument studie. Naznačuje, že bakterie a archea se k autonomnímu, volně žijícímu buněčnému životu dostaly až poté, co se jejich vývojové cesty rozešly .

Co pohánělo raný metabolismus před ATP?

Dnešní buňky používají jako univerzální energetickou „měnu“ adenosintrifosfát, známý jako ATP. Jde však o složitou molekulu, jejíž tvorba vyžaduje enzymy. Na úplném počátku proto ATP nemohlo fungovat jako zdroj energie pro vznikající život.

Studie jako možného předchůdce identifikuje fosfit, formu fosforu, která se může vyskytovat v hydrotermálních průduších. Pokud fosfit reaguje s organickými látkami za katalýzy přirozeně se vyskytujícího palladia, může ve vodě pohánět metabolické fosforylační reakce. Takový systém mohl pomáhat dodávat energii ještě před vznikem moderních enzymů a ATP .

Jde ale zatím o plausibilní chemický scénář. Laboratorní experiment, který by celý přechod od kovem katalyzovaných reakcí k metabolismu založenému na enzymech přesvědčivě napodobil, dosud proveden nebyl .

Strom života možná připomíná spíše keř

Tradiční strom života má LUCA u kořene jediného kmene, z něhož se postupně oddělují všechny další větve. Nové závěry navrhují odlišný obraz :

• Jeden původ genetického kódu: Veškerý dnešní život sdílí genetické dědictví, včetně základního systému DNA, RNA a tvorby bílkovin.
• Dva původy volně žijícího života: Přechod od neživé chemie k autonomním, samostatně fungujícím buňkám se mohl odehrát dvakrát – jednou v bakteriální a jednou v archeální linii.

Strom života by tak mohl více připomínat keř se dvěma samostatnými kmeny vyrůstajícími ze společného, ještě ne zcela živého základu.

Autoři studie svůj závěr formulují jednoznačně: „Nová data ponechávají jediný závěr: bakteriální a archeální linie přešly k volně žijícímu stavu nezávisle na sobě. Živé jsou pouze volně žijící buňky. Říkejme věcem pravými jmény: vidíme jeden původ genetického kódu, ale dva původy života.“

Co to znamená pro hledání života ve vesmíru?

Pokud mohl na Zemi vznik autonomní život více než jednou, má to důsledky i pro astrobiologii. Přechod od neživé chemie k živým buňkám by mohl být dostupnější, než se dříve předpokládalo. Zároveň však může vyžadovat velmi specifické podmínky – například chemicky neobvyklé prostředí bohaté na kovy, jaké nabízely hydrotermální průduchy .

Zjištění tedy neříká, že život vzniká snadno. Spíše naznačuje, že první kroky k autonomnímu metabolismu mohly mít více než jednu evoluční cestu.

Důležité výhrady

Výsledky jsou pozoruhodné, ale jejich interpretace má limity. Analýza ve velké míře vychází z genomických dat bakterií, zatímco genomy archeí nejsou zmapovány stejně podrobně. To může mít vliv na výsledný obraz evoluce.

Také úloha fosfitu a palladia v raném metabolismu zůstává dosud pouze pravděpodobným chemickým modelem, nikoli doloženou prastarou metabolickou cestou . Chybí rovněž laboratorní důkaz, který by v jednom systému předvedl celý přechod od reakcí katalyzovaných kovy k metabolismu řízenému enzymy.

Studie přesto patří k nejpodrobnějším pokusům o rekonstrukci toho, jak se sestavovala nejstarší metabolická síť. A naznačuje, že počátky života nebyly jediným přímým skokem, ale spíše neuspořádaným a pozoruhodným procesem s více možnými cestami.