Livet på jorden kan ha uppstått två gånger

William Martin, studiens huvudförfattare, sammanfattade slutsatsen så här: ”Vi ser ett ursprung för den genetiska koden, men två ursprung för livet” .

LUCA var kanske inte fullt levande

Den klassiska bilden placerar LUCA längst ned vid roten av livets träd, som en enda organism ur vilken alla senare livsformer förgrenar sig. Den nya rekonstruktionen är betydligt mer komplicerad.

Forskarna jämförde arvsmassor från de stora grupperna av bakterier och arkéer. De spårade bland annat ursprunget till de enzymer som driver den centrala metabolismen – kemiska reaktioner som behövs för att bygga aminosyror, RNA-baser och så kallade kofaktorer av enkla ämnen som väte, koldioxid, ammoniak och fosfat .

Analysen antyder att LUCA hade enzymer för ungefär hälften av de cirka 420 centrala metabola reaktionerna. Många av de övriga reaktionerna kan i stället ha katalyserats av metaller som fanns naturligt i miljön kring hydrotermala källor, bland annat järn, nickel och kobolt .

Det skulle innebära att LUCA inte kunde upprätthålla sin metabolism helt på egen hand. Den var beroende av den metallrika miljön och var därför inte en autonom, frilevande cell.

”Överraskningen är att de enzymer som katalyserar dessa reaktioner inte är bevarade över den evolutionära gränsen mellan bakterier och arkéer”, sade Martin till Scientific American .

Fyra steg från geokemi till biologi

Forskarna beskriver en möjlig utveckling i fyra faser :

1. Reaktioner som enbart drevs av metaller: I det tidigaste skedet katalyserade oorganiska metaller enkla metabola reaktioner.
2. En blandfas hos LUCA: LUCA hade några primitiva enzymer men var fortfarande beroende av metaller i omgivningen för många viktiga reaktioner.
3. Uppdelningen mellan bakterier och arkéer: De två evolutionära linjerna började skiljas åt och ärvde varsin del av LUCA:s begränsade enzymuppsättning.
4. Oberoende utveckling av nya enzymer: Bakterier och arkéer utvecklade var för sig nya, strukturellt olika enzymer som kunde ersätta de metallkatalyserade reaktionerna.

Det sista steget är centralt för studiens slutsats. Om bakterier och arkéer använder olika enzymer för att lösa samma metabola problem, talar det för att de utvecklade förmågan att leva självständigt efter att deras evolutionära vägar redan hade skilts åt .

Vad gav de första reaktionerna energi?

I dagens celler fungerar ATP, adenosintrifosfat, som den universella ”energivalutan”. Men ATP är en komplex molekyl som tillverkas med hjälp av enzymer. Den kan därför inte utan vidare ha drivit metabolismen innan de första enzymstyrda cellerna fanns.

Studien pekar på fosfit, en fosforförening som kan förekomma i hydrotermala miljöer, som en möjlig energikälla. När fosfit reagerar med organiska ämnen i vatten och katalyseras av naturligt förekommande palladium kan det driva fosforyleringsreaktioner – reaktioner som är viktiga i metabolismen .

Det ger en möjlig kemisk länk mellan geologi och biologi: en process som kunde ha hjälpt till att driva tidiga metabola reaktioner innan ATP och avancerade enzymer fanns. Men detta är fortfarande en plausibel modell, inte ett bevis på att just denna väg användes av det tidigaste livet .

Ett livsträd med två stammar?

Den traditionella modellen visar LUCA som basen på en enda stam, där allt liv sedan förgrenar sig. Den nya studien föreslår i stället en bild som mer liknar en buske med två separata stammar :

• En gemensam början för den genetiska koden: Bakterier, arkéer och alla andra nu levande organismer delar ett genetiskt arv från LUCA – bland annat grundläggande mekanismer för DNA, RNA och proteinsyntes.
• Två separata övergångar till frilevande liv: Bakterier och arkéer kan var och en ha tagit steget från en gemensam, icke-autonom kemisk förstadieform till självförsörjande celler.

Det är viktigt att formulera slutsatsen noggrant. Studien säger inte nödvändigtvis att två helt separata genetiska koder eller två oberoende livsformer uppstod från ingenting. Den föreslår snarare att övergången från icke-levande kemi till självständigt levande celler kan ha skett två gånger, efter ett tidigare gemensamt stadium.

Vad betyder det för sökandet efter liv i rymden?

Om övergången till frilevande liv kunde ske mer än en gång på jorden väcker det nya frågor inom astrobiologin. Kanske är steget från kemi till biologi lättare att ta än man tidigare trott. Eller så kräver det mycket speciella miljöer – exempelvis den unika kombinationen av värme, mineraler och metallrik kemi som finns vid hydrotermala källor .

Båda möjligheterna är betydelsefulla. Den första skulle antyda att livets uppkomst kan vara relativt vanlig när rätt kemiska förutsättningar finns. Den andra skulle innebära att även små skillnader i en planets geologi kan avgöra om liv över huvud taget får fäste.

Flera frågor återstår

Studien är uppseendeväckande, men slutsatserna är inte slutgiltiga. Analysen bygger i hög grad på genetiska data från bakterier, medan arkéernas arvsmassor är mindre heltäckande kartlagda. Det kan påverka bilden av hur enzymerna utvecklades.

Dessutom är fosfitens och palladiumets roll i den tidiga metabolismen än så länge en kemiskt möjlig modell. Forskare har ännu inte i ett syntetiskt laboratoriesystem visat hela övergången från metallkatalyserade reaktioner till en enzymdriven metabolism .

Trots begränsningarna ger arbetet en av de mest detaljerade rekonstruktionerna hittills av hur livets första metabola nätverk kan ha satts samman. Det antyder att livets början inte var en rak väg från en första cell till allt annat – utan en betydligt rörigare, mer beroende och mer fascinerande process.