Życie na Ziemi mogło powstać dwa razy

Starszy autor badania, William Martin, podsumował tę koncepcję słowami: „Mamy do czynienia z jednym początkiem kodu genetycznego, ale z dwoma początkami życia” .

LUCA mogła nie być w pełni żywym organizmem

W tradycyjnym obrazie drzewa życia LUCA znajduje się u podstawy jednego pnia, z którego później rozgałęziły się wszystkie organizmy. Nowa praca komplikuje ten obraz.

Badacze porównali genomy reprezentujące główne grupy bakterii i archeonów. Prześledzili pochodzenie enzymów odpowiedzialnych za kluczowe reakcje metabolizmu — procesy potrzebne między innymi do wytwarzania aminokwasów, zasad RNA i kofaktorów z prostych cząsteczek, takich jak wodór, dwutlenek węgla, amoniak i fosforan .

Z analizy wynika, że LUCA miała enzymy odpowiadające za jedynie około połowę z około 420 podstawowych reakcji metabolicznych. Pozostałe reakcje nie były napędzane przez enzymy, lecz katalizowane przez metale naturalnie występujące w środowisku kominów hydrotermalnych — między innymi żelazo, nikiel i kobalt .

W praktyce oznacza to, że LUCA nie mogła utrzymywać metabolizmu bez pomocy środowiska. Nie była więc autonomiczną, wolno żyjącą komórką w rozumieniu współczesnej biologii.

„Zaskakujące jest to, że enzymy katalizujące te reakcje nie są zachowane po obu stronach granicy ewolucyjnej oddzielającej bakterie i archeony” — powiedział Martin w rozmowie z Scientific American .

Cztery etapy przejścia od chemii do życia

Na podstawie danych genomicznych naukowcy odtworzyli czteroetapowy rozwój katalizy, czyli procesu przyspieszania reakcji chemicznych :

1. Reakcje katalizowane wyłącznie przez metale. Na najwcześniejszym etapie proste reakcje metaboliczne zachodziły dzięki nieorganicznym metalom.
2. Faza pośrednia metalu i enzymu. Pojawiła się LUCA — wyposażona w część prymitywnych enzymów, ale nadal zależna od metali środowiskowych przy wielu podstawowych reakcjach.
3. Rozdzielenie linii ewolucyjnych. Przodkowie bakterii i archeonów zaczęli się różnicować, dziedzicząc częściowo enzymatyczny zestaw LUCA.
4. Niezależna ewolucja enzymów. Obie linie osobno wykształciły nowe, strukturalnie odmienne enzymy, które zastąpiły brakujące katalizatory metaliczne.

To właśnie niezależne powstanie enzymów wykonujących podobne zadania jest kluczowym argumentem badaczy. Sugeruje ono, że bakterie i archeony osobno przeszły do stanu samodzielnych, wolno żyjących komórek — już po rozdzieleniu się ich linii ewolucyjnych .

Co napędzało pierwszy metabolizm, zanim pojawiło się ATP?

Współczesne komórki korzystają z ATP, czyli adenozynotrifosforanu, jako uniwersalnego nośnika energii. ATP jest jednak złożoną cząsteczką wytwarzaną przy udziale enzymów. Nie mogło więc być dostępne na Ziemi, zanim powstały pierwsze systemy enzymatyczne.

Badanie wskazuje na możliwą wcześniejszą alternatywę: fosforyn, czyli jedną z form fosforu wykrywaną w środowisku kominów hydrotermalnych. W obecności naturalnie występującego palladu fosforyn mógł reagować ze związkami organicznymi i napędzać reakcje fosforylacji w wodzie. Taki układ mógł dostarczać energii pierwotnemu metabolizmowi, zanim pojawiły się enzymy i ATP .

To nadal model chemiczny, a nie odtworzona w laboratorium historia pierwszych organizmów. Pokazuje jednak możliwą drogę od geochemii — reakcji zachodzących w środowisku Ziemi — do biochemii właściwej komórkom.

Jedno źródło kodu genetycznego, dwa początki samodzielnego życia

Tradycyjny model przedstawia LUCA jako początek jednego pnia drzewa życia, z którego wyrastają kolejne gałęzie. Nowe wyniki sugerują raczej obraz przypominający krzew z dwoma głównymi pniami :

• Jeden początek kodu genetycznego. Wszystkie organizmy dzielą wspólne dziedzictwo obejmujące kod genetyczny, podstawowe mechanizmy DNA i RNA oraz maszynerię budowania białek.
• Dwa początki życia wolno żyjącego. Bakterie i archeony mogły niezależnie przejść od zależnej od środowiska chemii do autonomicznych, samowystarczalnych komórek.

W tym ujęciu LUCA pozostaje wspólnym źródłem informacji genetycznej, ale niekoniecznie była pierwszą w pełni samodzielną komórką. Autorzy badania formułują wniosek jednoznacznie: linie bakterii i archeonów niezależnie przeszły do stanu wolno żyjącego. „Żywe są tylko wolno żyjące komórki” — stwierdzają, podkreślając różnicę między wspólnym dziedzictwem genetycznym a samym powstaniem autonomicznego życia .

Znaczenie dla poszukiwania życia poza Ziemią

Jeśli przejście od chemii nieożywionej do życia rzeczywiście mogło wydarzyć się na Ziemi więcej niż raz, zmienia to pytania stawiane astrobiologii. Taki scenariusz może sugerować, że powstanie życia jest łatwiejsze, niż dotąd sądzono.

Możliwy jest jednak także odwrotny wniosek: że życie może powstawać niezależnie tylko w bardzo specyficznych warunkach, na przykład w środowisku kominów hydrotermalnych, gdzie występuje odpowiednia kombinacja metali i reakcji chemicznych .

Zastrzeżenia i pytania bez odpowiedzi

Wyniki są intrygujące, ale nie zamykają dyskusji. Analiza w dużym stopniu opiera się na danych genomicznych bakterii, podczas gdy genomy archeonów są słabiej i mniej kompletnie reprezentowane. Może to wpływać na wnioski dotyczące niezależnego rozwoju obu linii.

Również rola fosforynu i palladu pozostaje na razie prawdopodobnym modelem chemicznym, a nie potwierdzoną ścieżką, którą wykorzystywały najstarsze systemy życia . Nie przeprowadzono jeszcze laboratoryjnego eksperymentu pokazującego pełne przejście od reakcji katalizowanych przez metale do metabolizmu opartego na enzymach w syntetycznym układzie.

Mimo tych ograniczeń badanie przedstawia jedną z najbardziej szczegółowych dotąd rekonstrukcji powstawania najwcześniejszej sieci metabolicznej. Sugeruje, że początki życia nie były prostym wydarzeniem z jednym punktem startowym, lecz chaotycznym i zależnym od środowiska procesem, który mógł niezależnie doprowadzić do powstania dwóch głównych linii wolno żyjących organizmów.