Livet på jorden kan ha oppstått to ganger – ny studie utfordrer historien om LUCA

Seniorforfatter William Martin oppsummerte funnet slik: «Vi ser én opprinnelse til den genetiske koden, men to opprinnelser til livet» .

LUCA var kanskje ikke fullt levende

LUCA blir tradisjonelt fremstilt som organismen ved roten av livets tre – en enkelt stamform som alle dagens organismer kan spores tilbake til. Den nye analysen tegner et mer sammensatt bilde.

Forskerne sammenlignet genomer fra de viktigste gruppene av bakterier og arkéer. Deretter fulgte de utviklingen til enzymene som driver den grunnleggende metabolismen: kjemiske reaksjoner som trengs for å bygge blant annet aminosyrer, RNA-baser og kofaktorer fra enkle stoffer som hydrogen, CO₂, ammoniakk og fosfat .

Analysen tyder på at LUCA bare hadde enzymer for omtrent halvparten av de rundt 420 sentrale metabolske reaksjonene. Resten kan ha blitt katalysert av metaller som fantes naturlig i hydrotermale kilder, blant annet jern, nikkel og kobolt .

Det betyr at LUCA kan ha vært avhengig av omgivelsene for å holde metabolismen i gang. Den var altså ikke nødvendigvis en autonom, frittlevende celle slik den ofte har blitt fremstilt.

«Overraskelsen er at enzymene som katalyserer disse reaksjonene, ikke er bevart på tvers av det evolusjonære skillet mellom bakterier og arkéer», sa Martin til Scientific American .

Fire trinn fra geokjemi til liv

Forskerne rekonstruerte en mulig utvikling i fire faser :

1. Reaksjoner katalysert bare av metaller: I den tidligste fasen kunne uorganiske metaller ha drevet enkle metabolske reaksjoner.
2. En overgangsfase med metall og enzymer: LUCA kan ha hatt noen primitive enzymer, men fortsatt vært avhengig av metaller i miljøet for mange viktige reaksjoner.
3. Evolusjonær splittelse: Forløperne til bakterier og arkéer begynte å utvikle seg i ulike retninger, mens begge arvet deler av det samme enzymatiske grunnlaget.
4. Uavhengig utvikling av enzymer: De to grenene utviklet nye, strukturelt forskjellige enzymer som kunne erstatte metallkatalysatorene og gjøre cellene mer selvstendige.

Det siste punktet er særlig viktig. Når bakterier og arkéer løste de samme metabolske oppgavene med ulike enzymer, tyder det på at de hver for seg tok steget over til et frittlevende og selvopprettholdende liv .

Hva ga energi før ATP?

Dagens celler bruker ATP som en universell energibærer. Men ATP er et komplisert molekyl som produseres ved hjelp av enzymer. Det kunne derfor ikke ha vært energikilden i en verden før enzymer og celler var etablert.

Studien peker på fosfitt, en form for fosfor som kan finnes i hydrotermale kilder, som en mulig del av løsningen. Når fosfitt reagerer med organiske forbindelser i vann, og reaksjonene katalyseres av naturlig forekommende palladium, kan det drive fosforylering – kjemiske reaksjoner som er sentrale i metabolismen .

Et slikt system kan ha gitt tidlig kjemi tilgang til en energikilde før moderne energimolekyler som ATP og avanserte enzymer eksisterte. Det gir en mulig bro mellom geokjemi og biokjemi, selv om det ikke er påvist at akkurat denne prosessen faktisk fant sted på den unge jorden.

Livets «tre» kan ha hatt to stammer

I den klassiske modellen står LUCA nederst i én felles stamme, før livets greiner deler seg videre. Den nye studien foreslår en annen måte å se historien på :

• Én felles opprinnelse for den genetiske koden: Alt kjent liv deler en grunnleggende genetisk arv, inkludert DNA, RNA og mekanismene for å bygge proteiner.
• To separate overganger til frittlevende liv: Bakterier og arkéer kan hver for seg ha blitt autonome celler etter at deres evolusjonære linjer allerede hadde skilt lag.

Bildet kan derfor ligne mer på en busk med to hovedstammer enn på et tre med én tydelig stamme. LUCA var i så fall felles opphav til den genetiske infrastrukturen, men ikke nødvendigvis én ferdig, frittlevende celle som alle andre celler utviklet seg direkte fra.

Forfatterne formulerer konklusjonen svært tydelig: De nye dataene peker mot at bakterie- og arkélinjene uavhengig av hverandre gikk over til en frittlevende tilstand. «Bare frittlevende celler er levende», skriver de i oppsummeringen av argumentet .

Kan dette endre jakten på liv andre steder?

Dersom overgangen fra ikke-levende kjemi til liv faktisk kan ha skjedd mer enn én gang på jorden, får det konsekvenser for astrobiologien – forskningen på livets mulige opprinnelse og utvikling i universet.

På den ene siden kan funnet tyde på at steget fra kjemi til liv er mer oppnåelig enn man tidligere har trodd. På den andre siden kan det bety at liv krever svært spesielle miljøer, for eksempel de metallrike og kjemisk aktive forholdene i hydrotermale kilder .

Det er dermed for tidlig å konkludere med at liv lett oppstår overalt. Men studien antyder at selve overgangen kan ha flere mulige evolusjonære veier enn den tradisjonelle LUCA-modellen har lagt opp til.

Viktige forbehold

Resultatet er oppsiktsvekkende, men ikke endelig bevist. Analysen bygger i stor grad på genomdata fra bakterier, mens arkégenomer er mindre omfattende kartlagt. Det kan påvirke konklusjonene.

I tillegg er fosfitt- og palladiummekanismen foreløpig en plausibel kjemisk modell, ikke en dokumentert historisk vei som er vist å ha drevet metabolismen på den unge jorden . Det er heller ikke gjennomført laboratorieforsøk som viser hele overgangen fra metallkatalyserte reaksjoner til enzymstyrt metabolisme i et syntetisk system.

Likevel gir studien en av de mest detaljerte rekonstruksjonene hittil av hvordan livets tidligste metabolske nettverk kan ha blitt satt sammen. Den peker mot en opprinnelse som var mindre ryddig, mer avhengig av miljøet – og kanskje enda mer bemerkelsesverdig – enn den klassiske historien om én ferdig urcelle skulle tilsi.