Kehidupan di Bumi Mungkin Muncul Dua Kali — Kajian Baharu Cabar Kisah Asal Usulnya

Kesimpulan paling mengejutkan kajian itu ialah bakteria dan arkea mungkin melintasi ambang menjadi kehidupan bebas secara berasingan. Dengan kata lain, peralihan daripada kimia tidak hidup kepada sel autonomi mungkin berlaku dua kali — bukan sekali sahaja .

Pengarang kanan kajian, William Martin, merumuskannya begini: “Kita sedang melihat satu asal usul kod genetik, tetapi dua asal usul kehidupan” .

LUCA mungkin belum benar-benar ‘hidup’

Gambaran tradisional tentang LUCA biasanya menunjukkan satu organisma di pangkal salasilah kehidupan, dengan semua cabang hidupan moden berkembang daripadanya. Kajian ini mencadangkan bahawa gambaran tersebut mungkin terlalu ringkas.

Pasukan penyelidik membandingkan genom daripada kumpulan utama bakteria dan arkea. Mereka menjejaki asal usul enzim yang menggerakkan metabolisme asas — rangkaian tindak balas kimia yang diperlukan untuk menghasilkan asid amino, bes RNA dan kofaktor daripada molekul ringkas seperti hidrogen, karbon dioksida, ammonia dan fosfat .

Hasil analisis menunjukkan LUCA memiliki enzim untuk hanya kira-kira separuh daripada sekitar 420 tindak balas metabolik teras. Selebihnya dipercayai dimangkinkan bukan oleh enzim, tetapi oleh logam yang wujud secara semula jadi dalam persekitaran lubang hidroterma, termasuk besi, nikel dan kobalt .

Ini bermakna LUCA tidak dapat mengekalkan metabolisme secara sendiri tanpa bantuan persekitaran. Ia mungkin merupakan peringkat peralihan antara kimia geologi dan sel hidup yang benar-benar bebas.

“Yang mengejutkan ialah enzim yang memangkinkan tindak balas tersebut tidak dipelihara merentasi jurang evolusi yang memisahkan bakteria dan arkea,” kata Martin kepada Scientific American .

Empat peringkat sebelum sel bebas muncul

Berdasarkan asal usul enzim dan tindak balas metabolik, penyelidik membina semula evolusi pemangkinkan kimia melalui empat peringkat :

1. Tindak balas yang hanya menggunakan logam: Pada peringkat paling awal, logam bukan organik memangkinkan tindak balas metabolik ringkas.
2. Fasa gabungan logam dan enzim: LUCA muncul dengan beberapa enzim primitif, tetapi masih bergantung pada logam persekitaran untuk banyak tindak balas penting.
3. Perpecahan keturunan: Leluhur bakteria dan arkea mula berpisah, dengan setiap keturunan mewarisi sebahagian daripada set enzim LUCA.
4. Evolusi enzim secara berasingan: Bakteria dan arkea masing-masing menghasilkan enzim baharu yang berbeza dari segi struktur untuk menggantikan pemangkin logam yang hilang.

Peringkat terakhir menjadi petunjuk utama bahawa kedua-dua keturunan itu menyelesaikan masalah metabolik yang sama melalui laluan evolusi masing-masing. Selepas bakteria dan arkea berpisah, kedua-duanya mungkin berkembang secara bebas menjadi sel yang mampu hidup dan menghasilkan tenaga sendiri .

Bagaimana metabolisme awal berfungsi sebelum ATP?

Sel moden menggunakan adenosina trifosfat, atau ATP, sebagai “mata wang tenaga” sejagat. Namun, ATP ialah molekul kompleks yang dihasilkan oleh enzim. Ia tidak mungkin tersedia dalam bentuk moden sebelum wujudnya sistem biologi yang mampu menghasilkannya.

Kajian ini mengenal pasti satu calon sumber tenaga yang menarik: fosfit, iaitu bentuk fosforus yang boleh ditemui dalam persekitaran lubang hidroterma. Apabila fosfit bertindak balas dengan sebatian organik dan dimangkinkan oleh logam paladium yang wujud secara semula jadi, tindak balas pemfosforilan boleh berlaku dalam air.

Sistem ini berpotensi membekalkan tenaga kepada metabolisme awal sebelum kewujudan enzim kompleks dan ATP, sekali gus menawarkan satu laluan yang munasabah daripada geokimia kepada biokimia . Namun, ia masih merupakan model kimia yang munasabah, bukannya bukti muktamad tentang apa yang benar-benar berlaku di Bumi purba.

Salasilah kehidupan mungkin lebih menyerupai semak

Dalam gambaran klasik, LUCA berada di pangkal satu batang pokok yang kemudiannya bercabang menjadi semua hidupan. Penemuan baharu ini mencadangkan gambaran yang berbeza :

• Satu asal usul kod genetik: Semua hidupan berkongsi warisan genetik yang sama daripada LUCA, termasuk asas DNA, RNA dan sistem pembinaan protein.
• Dua asal usul sel bebas: Peralihan daripada kimia tidak hidup kepada sel autonomi yang mampu mengekalkan kehidupannya sendiri berlaku secara berasingan dalam keturunan bakteria dan arkea.

Jadi, “pokok kehidupan” mungkin lebih tepat digambarkan sebagai semak dengan dua batang utama yang tumbuh daripada asas kimia yang dikongsi. Penting untuk diperjelaskan bahawa kajian ini bukan semestinya mendakwa terdapat dua kod genetik atau dua kejadian penciptaan yang terpisah sepenuhnya. Sebaliknya, ia mencadangkan dua peralihan evolusi yang berbeza menuju kehidupan bebas selepas bahan genetik asas dikongsi oleh leluhur yang sama .

Implikasi terhadap pencarian kehidupan di angkasa

Jika kehidupan autonomi boleh muncul lebih daripada sekali di Bumi, penemuan ini menimbulkan persoalan besar dalam astrobiologi. Peralihan daripada kimia tidak hidup kepada sel mungkin lebih mudah berlaku daripada yang disangka — atau mungkin hanya boleh berlaku dalam keadaan alam sekitar yang sangat khusus.

Lubang hidroterma yang kaya dengan logam menjadi antara kemungkinan penting kerana kawasan ini menyediakan sumber tenaga, mineral dan tindak balas kimia yang berterusan. Dapatan kajian menyokong peranan persekitaran sebegitu sebagai lokasi berpotensi untuk pembentukan metabolisme awal, tetapi belum membuktikan bahawa semua kehidupan mesti bermula di sana .

Had kajian yang masih perlu ditangani

Walaupun kesimpulannya mencabar pandangan lama, kajian ini masih mempunyai beberapa batasan. Analisisnya banyak bergantung pada data genom bakteria, sedangkan genom arkea belum disampel secara menyeluruh. Kekurangan data itu boleh mempengaruhi tafsiran tentang evolusi kedua-dua keturunan.

Selain itu, peranan fosfit dan paladium dalam metabolisme awal masih berupa model kimia yang berpotensi. Setakat ini, eksperimen makmal belum menunjukkan keseluruhan peralihan daripada tindak balas yang dimangkinkan logam kepada metabolisme berasaskan enzim dalam satu sistem sintetik .

Namun begitu, kajian ini memberikan salah satu gambaran paling terperinci tentang cara rangkaian metabolik awal mungkin terbentuk. Ia juga mengingatkan kita bahawa asal usul kehidupan mungkin bukan satu detik tunggal yang kemas, tetapi proses berperingkat — bergantung pada persekitaran, bahan kimia dan beberapa laluan evolusi yang berlaku secara berasingan.