Жизнь на Земле могла возникнуть дважды — но генетический код был один

Как сформулировал руководитель исследования Уильям Мартин: «Мы видим одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни» .

LUCA мог быть не вполне живым организмом

Обычно LUCA изображают как единственный организм у основания древа жизни. Однако анализ геномов основных групп бактерий и архей рисует другую картину. Учёные проследили происхождение ферментов, обеспечивающих базовый обмен веществ, — химических реакций, необходимых для синтеза аминокислот, азотистых оснований РНК и коферментов из простых соединений, включая водород, углекислый газ, аммиак и фосфат .

Оказалось, что LUCA имел ферменты лишь примерно для половины из около 420 ключевых метаболических реакций. Остальные реакции, вероятно, ускорялись не ферментами, а металлами, естественным образом присутствовавшими в среде гидротермальных источников: железом, никелем и кобальтом .

Иными словами, LUCA не мог поддерживать метаболизм без внешней химической поддержки. Это был не самостоятельный свободноживущий организм в привычном смысле, а промежуточная система на пути к клеточной жизни.

«Удивительно, что ферменты, катализирующие эти реакции, не сохраняются по обе стороны эволюционного разделения между бактериями и археями», — сказал Мартин Scientific American .

Четыре этапа перехода от химии к жизни

Исследователи восстановили предполагаемую последовательность развития катализа — процесса, который ускоряет химические реакции :

1. Только металлы. На самом раннем этапе простые метаболические реакции шли благодаря неорганическим металлам.
2. Сочетание металлов и ферментов. На стадии LUCA появились первые ферменты, но многие реакции всё ещё зависели от металлов окружающей среды.
3. Разделение линий. Предки бактерий и архей начали расходиться, унаследовав неполный набор ферментов LUCA.
4. Независимое развитие ферментов. Каждая линия самостоятельно выработала новые, структурно отличные ферменты, заменившие недостающие неорганические катализаторы.

Именно последний этап стал главным аргументом авторов. Бактерии и археи во многих случаях пришли к решениям одних и тех же метаболических задач независимо друг от друга, используя разные ферменты. Это указывает на то, что переход к автономной свободноживущей клетке произошёл уже после расхождения двух линий .

Чем могла питаться ранняя метаболическая система до появления АТФ

Современные клетки используют аденозинтрифосфат, или АТФ, как универсальный «энергетический эквивалент». Но сама АТФ — сложная молекула, синтезируемая ферментами. Поэтому на самых ранних этапах Земли, когда ферментных систем и АТФ ещё не существовало, должен был работать другой механизм.

В исследовании рассматривается возможная роль фосфита — соединения фосфора, которое может встречаться в гидротермальных источниках. В присутствии природного металла палладия фосфит способен реагировать с органическими соединениями в воде и запускать реакции фосфорилирования, необходимые для раннего метаболизма. Такой механизм мог обеспечивать энергией химические процессы до появления современных ферментов и АТФ .

Это пока химически правдоподобная модель, а не доказанный путь, которым пользовалась древнейшая жизнь. Но она показывает, как геохимические процессы могли постепенно перейти в биохимию.

Древо жизни может оказаться «кустом»

Классическая схема помещает LUCA у основания единого ствола, от которого затем расходятся все ветви жизни. Новые данные предлагают переосмыслить эту модель .

• Генетический код имеет единственное происхождение. Все современные организмы унаследовали от общего предка базовую генетическую систему, включая принципы работы ДНК, РНК и механизм сборки белков.
• Автономная жизнь могла возникнуть двумя путями. Бактерии и археи независимо перешли от химических систем, зависящих от среды, к самоподдерживающимся свободноживущим клеткам.

Вместо одного ствола с ветвями жизнь в таком случае больше напоминает куст: две основные линии выросли из общей доклеточной основы, но самостоятельно завершили переход к автономному существованию.

Авторы формулируют вывод предельно прямо: «Новые данные оставляют лишь один вывод: бактериальная и архейная линии независимо перешли к свободноживущему состоянию. Живыми являются только свободноживущие клетки. Назовём вещи своими именами: мы видим одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни» .

Что это меняет в поисках жизни за пределами Земли

Если переход от неживой химии к жизни действительно может происходить неоднократно, это важно для астробиологии. Такой сценарий может означать, что зарождение автономного метаболизма — не настолько невероятное событие, как считалось раньше. Но возможна и противоположная трактовка: переход мог быть возможен лишь в очень специфических условиях, например в богатой металлами химической среде гидротермальных источников .

Для поиска жизни на других планетах это означает, что внимание нужно уделять не только готовым клеточным формам, но и геохимическим условиям, способным поддерживать ранние метаболические реакции.

Какие вопросы остаются открытыми

Исследование опирается главным образом на геномные данные бактерий. Геномы архей изучены менее полно, поэтому новые сведения об этой группе могут повлиять на итоговые выводы. Кроме того, роль фосфита и палладия пока остаётся гипотезой, основанной на химической модели, а не прямым свидетельством существования такого древнего метаболического пути .

Учёные ещё не провели лабораторный эксперимент, который полностью показал бы переход от реакций, катализируемых металлами, к метаболизму, управляемому ферментами, в искусственно созданной системе.

Тем не менее работа предлагает одну из наиболее подробных реконструкций ранней метаболической сети. Она показывает, что происхождение жизни могло быть не единичным и прямолинейным событием, а запутанным процессом, в котором химия, минералы и разные эволюционные линии сыграли самостоятельные роли.