ชีวิตบนโลกอาจเกิดขึ้นสองครั้ง? นักวิทยาศาสตร์เสนอภาพใหม่ของจุดกำเนิดชีวิต

ข้อสรุปที่สะดุดตาที่สุดคือ แบคทีเรียและอาร์เคียอาจก้าวข้ามจากเคมีไร้ชีวิตไปสู่การเป็นเซลล์อิสระอย่างอิสระต่อกัน นั่นหมายความว่า “ต้นกำเนิดรหัสพันธุกรรม” อาจมีเพียงครั้งเดียว แต่ “ต้นกำเนิดของชีวิตในรูปเซลล์อิสระ” อาจเกิดขึ้นสองครั้ง

LUCA อาจยังไม่ใช่สิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์

ทีมวิจัยเปรียบเทียบจีโนมจากกลุ่มหลักของแบคทีเรียและอาร์เคีย เพื่อย้อนรอยที่มาของเอนไซม์ซึ่งขับเคลื่อนเมแทบอลิซึมพื้นฐาน หรือเครือข่ายปฏิกิริยาเคมีที่ใช้สร้างกรดอะมิโน เบสของ RNA และโคแฟกเตอร์จากโมเลกุลง่าย ๆ เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย และฟอสเฟต

ผลการวิเคราะห์ชี้ว่า LUCA มีเอนไซม์สำหรับปฏิกิริยาเมแทบอลิซึมหลักเพียงประมาณครึ่งหนึ่งจากทั้งหมดราว 420 ปฏิกิริยา ส่วนอีกครึ่งหนึ่งไม่ได้อาศัยเอนไซม์ แต่ถูกเร่งโดยโลหะที่มีอยู่ตามธรรมชาติในบริเวณปล่องน้ำพุร้อนใต้ทะเล เช่น เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์

หากเป็นเช่นนั้น LUCA ก็ยังไม่สามารถรักษาเมแทบอลิซึมของตัวเองได้อย่างเป็นอิสระโดยสมบูรณ์ นักวิจัยจึงมองว่า LUCA อาจเป็นขั้นกลางระหว่างเคมีของโลกยุคแรกกับเซลล์ที่มีชีวิตเต็มรูปแบบ มากกว่าจะเป็น “เซลล์แรก” ตามภาพจำทั่วไป

วิลเลียม มาร์ติน ผู้เขียนอาวุโสของงานวิจัย สรุปแนวคิดนี้ไว้ว่า “เรากำลังเห็นต้นกำเนิดของรหัสพันธุกรรมหนึ่งครั้ง แต่เห็นต้นกำเนิดของชีวิตสองครั้ง”

วิวัฒนาการของการเร่งปฏิกิริยา 4 ระยะ

นักวิจัยเสนอแบบจำลองการเปลี่ยนผ่านจากเคมีไร้ชีวิตสู่เมแทบอลิซึมของเซลล์ไว้ 4 ระยะ

1. ระยะที่ใช้โลหะเพียงอย่างเดียว ปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานในยุคแรกถูกเร่งโดยโลหะอนินทรีย์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ
2. ระยะผสมระหว่างโลหะกับเอนไซม์ LUCA เริ่มมีเอนไซม์ดั้งเดิมบางชนิด แต่ยังต้องพึ่งพาโลหะในสิ่งแวดล้อมสำหรับปฏิกิริยาสำคัญอีกหลายอย่าง
3. ระยะการแยกสายวิวัฒนาการ บรรพบุรุษของแบคทีเรียและอาร์เคียเริ่มแยกออกจากกัน โดยแต่ละสายได้รับชุดเอนไซม์บางส่วนจาก LUCA
4. ระยะวิวัฒนาการเอนไซม์อย่างอิสระ แบคทีเรียและอาร์เคียพัฒนาเอนไซม์ใหม่ที่มีโครงสร้างแตกต่างกัน เพื่อทำหน้าที่แทนตัวเร่งปฏิกิริยาจากโลหะที่ยังขาดหายไป

หลักฐานสำคัญอยู่ที่เอนไซม์ซึ่งทำหน้าที่เดียวกันในแบคทีเรียและอาร์เคียไม่ได้มีต้นกำเนิดร่วมกันทั้งหมด แต่หลายชนิดดูเหมือนวิวัฒน์ขึ้นแยกจากกันเพื่อแก้ปัญหาเมแทบอลิซึมแบบเดียวกัน นี่จึงสนับสนุนแนวคิดว่า ทั้งสองสายวิวัฒนาการก้าวสู่การเป็นเซลล์อิสระหลังจากแยกสายกันแล้ว

ก่อนมี ATP ชีวิตยุคแรกใช้พลังงานจากอะไร

เซลล์สมัยใหม่ใช้ ATP เป็น “สกุลเงินพลังงาน” สำหรับขับเคลื่อนปฏิกิริยาต่าง ๆ แต่ ATP เป็นโมเลกุลซับซ้อนที่ต้องอาศัยเอนไซม์ในการสร้าง จึงไม่น่าจะมีพร้อมใช้ตั้งแต่ก่อนเกิดชีวิต

งานวิจัยนี้เสนอผู้สมัครที่น่าสนใจคือ ฟอสไฟต์ ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของฟอสฟอรัสที่พบได้ในบริเวณปล่องน้ำพุร้อนใต้ทะเล เมื่อฟอสไฟต์ทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์ โดยมี แพลเลเดียม ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเป็นตัวเร่ง อาจช่วยผลักดันปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันในน้ำได้

ระบบดังกล่าวอาจให้พลังงานแก่เมแทบอลิซึมยุคแรก ก่อนการเกิดขึ้นของเอนไซม์และ ATP จึงเป็นเส้นทางทางเคมีที่เป็นไปได้จากธรณีเคมีไปสู่ชีวเคมี อย่างไรก็ตาม นี่ยังเป็นแบบจำลองที่มีความเป็นไปได้ ไม่ใช่หลักฐานยืนยันว่าเส้นทางนี้เกิดขึ้นจริงบนโลกยุคแรก

จากต้นไม้แห่งชีวิตสู่ “พุ่มไม้” สองลำต้น

ตามมุมมองเดิม LUCA อยู่ที่โคนลำต้นเดียวของต้นไม้แห่งชีวิต แล้วสิ่งมีชีวิตทั้งหมดจึงแตกแขนงออกไปจากจุดนั้น

ผลการศึกษานี้ชวนให้มองภาพใหม่ว่าอาจมีฐานร่วมที่ไม่ใช่เซลล์มีชีวิตอย่างสมบูรณ์ ก่อนที่สายของแบคทีเรียและอาร์เคียจะก้าวสู่การดำรงชีวิตแบบอิสระคนละเส้นทาง เปรียบได้กับพุ่มไม้ที่มีสองลำต้นงอกจากรากฐานเดียวกัน

• รหัสพันธุกรรมมีต้นกำเนิดร่วมกันหนึ่งครั้ง สิ่งมีชีวิตทั้งหมดแบ่งปันมรดกทางพันธุกรรมพื้นฐานจาก LUCA ทั้งระบบ DNA, RNA และกลไกสร้างโปรตีนพื้นฐาน
• เซลล์อิสระอาจมีต้นกำเนิดสองครั้ง แบคทีเรียและอาร์เคียอาจพัฒนาความสามารถในการสร้างเมแทบอลิซึมที่พึ่งพาตัวเองได้แยกจากกัน หลังจากสายวิวัฒนาการแยกออกแล้ว

ดังนั้น คำว่า “ชีวิตเกิดขึ้นสองครั้ง” ในที่นี้ไม่ได้หมายความว่าชีวิตทั้งหมดมีต้นกำเนิดทางพันธุกรรมคนละชุด แต่หมายถึงการเปลี่ยนผ่านสู่เซลล์ที่ดำรงชีวิตได้อย่างอิสระอาจเกิดขึ้นสองแนวทาง

ความหมายต่อการค้นหาชีวิตนอกโลก

หากข้อเสนอนี้ถูกต้อง การเปลี่ยนจากเคมีไร้ชีวิตไปสู่เซลล์ที่มีชีวิตอาจไม่ได้เกิดขึ้นยากจนแทบเป็นไปไม่ได้ แต่อาจเกิดซ้ำได้เมื่อมีเงื่อนไขเหมาะสม

ในทางกลับกัน ผลการศึกษาก็อาจชี้ว่า จุดเปลี่ยนดังกล่าวต้องอาศัยสภาพแวดล้อมเฉพาะอย่างมาก เช่น เคมีที่อุดมด้วยโลหะในปล่องน้ำพุร้อนใต้ทะเล ประเด็นนี้มีความสำคัญต่อชีวดาราศาสตร์ เพราะช่วยกำหนดว่าเราควรมองหาสัญญาณของชีวิตบนดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์อื่นในสภาพแวดล้อมประเภทใด

ข้อจำกัดที่ยังต้องตอบ

แม้ผลการศึกษาจะน่าสนใจ แต่ยังไม่ใช่คำตอบสุดท้ายเกี่ยวกับกำเนิดชีวิต การวิเคราะห์พึ่งพาข้อมูลจีโนมของแบคทีเรียค่อนข้างมาก ขณะที่จีโนมของอาร์เคียยังถูกเก็บตัวอย่างและศึกษาไม่ครอบคลุมเท่ากัน ซึ่งอาจส่งผลต่อข้อสรุปได้

นอกจากนี้ บทบาทของฟอสไฟต์และแพลเลเดียมในเมแทบอลิซึมยุคแรกยังเป็นแบบจำลองทางเคมีที่มีเหตุผลรองรับ แต่ยังไม่มีการพิสูจน์ว่าเป็นเส้นทางโบราณที่เกิดขึ้นจริง และยังไม่มีการทดลองในห้องปฏิบัติการที่แสดงการเปลี่ยนผ่านอย่างครบถ้วน ตั้งแต่ปฏิกิริยาที่โลหะเร่ง ไปจนถึงเมแทบอลิซึมที่ขับเคลื่อนด้วยเอนไซม์ในระบบสังเคราะห์

ถึงอย่างนั้น งานวิจัยนี้ก็เป็นหนึ่งในการ реконструкции เครือข่ายเมแทบอลิซึมยุคแรกที่ละเอียดที่สุดชิ้นหนึ่ง และกำลังเปลี่ยนเรื่องเล่าที่เราเคยคุ้นเคย จากชีวิตที่เริ่มต้นบนเซลล์เดียว ไปสู่ภาพของกระบวนการที่ยุ่งเหยิง อาศัยเงื่อนไขแวดล้อม และอาจเกิดการก้าวสู่ “ชีวิตอิสระ” ได้มากกว่าหนึ่งครั้ง