Жизнь на Земле могла зародиться дважды — и не от одного общего предка

Два ствола, а не один: в чём суть открытия?

Учёные проанализировали 420 фундаментальных метаболических реакций — тех самых «кирпичиков», которые позволяют любой клетке добывать энергию и строить свои компоненты. Оказалось, что ферменты, катализирующие эти реакции у бактерий и архей, не являются эволюционно родственными. Они имеют принципиально разную структуру, хотя и выполняют идентичную химическую работу .

«Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо друг от друга эволюционировали, создавая структурно различные ферменты для одних и тех же реакций, — объясняет Уильям Мартин. — Новые данные оставляют только один вывод. Мы имеем дело с единым происхождением генетического кода, но с двумя разными зарождениями жизни» .

Иными словами, «искра жизни» зажглась не в одной точке, а в двух — словно два костра, разведённые по отдельности, но одним и тем же способом.

Кем на самом деле был LUCA? Не клеткой, а «металлическим котлом»

Ранее считалось, что на вершине эволюционного древа стоит LUCA (Last Universal Common Ancestor) — последний универсальный общий предок, некая свободноживущая клетка, от которой произошли и бактерии, и археи, и эукариоты (к которым относимся и мы с вами). Новое исследование переопределяет LUCA.

По версии авторов, LUCA был не свободноживущей клеткой, а доклеточной сущностью — своеобразным «реактором», где часть метаболических реакций уже выполнялась примитивными ферментами, а другая часть — ещё нет. Эти «недостающие» реакции катализировали металлы (железо, никель, кобальт), которые в изобилии присутствовали в горячих гидротермальных источниках древнего океана .

Авторы реконструировали четыре этапа ранней эволюции катализа:

1. Полностью металлический катализ (только металлы).
2. Гибридный этап — металлы + ферменты (это и есть LUCA).
3. Ветвь, ведущая к предкам бактерий.
4. Ветвь, ведущая к предкам архей .

Фосфит и палладий: «топливо» до изобретения АТФ

Один из самых интригующих вопросов — откуда первые «почти-живые» системы брали энергию, если сложная молекула АТФ, универсальная энергетическая валюта всех современных клеток, ещё не была «изобретена»?

Ответ, предложенный командой, звучит почти как научная фантастика. В качестве альтернативы АТФ выступал фосфит (HPO₃²⁻) — восстановленная форма фосфора, которая образуется в тех же гидротермальных источниках . А роль катализатора играл самородный палладий — редкий металл, который также осаждается в этих «чёрных курильщиках» .

Эксперименты показали, что в присутствии палладия фосфит окисляется до фосфата, высвобождая энергию. Эта энергия используется для фосфорилирования простых сахаров и других органических молекул — то есть для тех самых реакций «запасания» энергии, которые сегодня обслуживает АТФ. Реакция идёт в чистой воде при температуре 25–100°C и занимает от нескольких часов до нескольких дней .

«Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты. Это поразительно, и это позволяет гораздо проще понять ранние этапы эволюции», — комментирует соавтор работы Манон Шликкер .

Как теперь выглядит «дерево жизни»?

Традиционная метафора «дерева жизни» подразумевает единый ствол (LUCA), от которого расходятся ветви. Новое исследование предлагает иную топологию:

• Два независимых ствола (бактерии и археи) расходятся прямо от «корней», ещё до того, как жизнь окончательно «ожила».
• LUCA остаётся общим предком, но не клеткой, а доклеточным, неживым сообществом реакций.
• Эукариоты (организмы с клеточным ядром, включая людей) — это, по-видимому, более поздняя «веточка», которая возникла в результате симбиоза древних бактерий и архей, но это уже следующая глава эволюции .

Вывод

Исследование, опубликованное в Science Advances, не просто дополняет, а коренным образом меняет наш взгляд на происхождение жизни. Оно предполагает, что переход от неживой химии к первой клетке был не единственным, уникальным событием, а двунаправленным процессом. Жизнь на Земле — это не один костёр, который зажёгся и разгорелся, а два встречных огня, вспыхнувших почти одновременно в гидротермальных жерлах древнего океана.