Життя на Землі могло виникнути двічі — але не зовсім так, як ми думали

Старший автор роботи Вільям Мартін сформулював висновок так: «Ми бачимо одне походження генетичного коду, але два походження життя» .

LUCA міг бути ще не повністю живим

У традиційній схемі LUCA зображують як єдиний організм біля основи дерева життя, від якого згодом розійшлися всі інші гілки. Нові результати змінюють акцент: спільний предок міг мати генетичну основу, але ще не володіти повністю самодостатнім метаболізмом.

Команда порівняла геноми основних груп бактерій і архей та простежила походження ферментів, що забезпечують базовий обмін речовин. Йдеться про реакції, необхідні для синтезу амінокислот, компонентів РНК і кофакторів із простих молекул — водню, CO₂, аміаку та фосфату .

Дослідники встановили, що LUCA мав ферменти лише приблизно для половини з близько 420 ключових метаболічних реакцій. Іншу половину, за їхньою реконструкцією, могли каталізувати не ферменти, а метали, природно присутні в середовищі гідротермальних джерел, зокрема залізо, нікель і кобальт .

Отже, така система не могла підтримувати метаболізм без зовнішньої хімічної підтримки. У цьому сенсі LUCA не був автономною вільноживучою клітиною.

«Сюрприз полягає в тому, що ферменти, які каталізують ці реакції, не збереглися однаковими по той бік еволюційної межі між бактеріями та археями», — пояснив Мартін Scientific American .

Чотири етапи становлення раннього метаболізму

Науковці реконструювали чотири фази розвитку каталізу, які могли поєднати неживу геохімію із сучасною біохімією :

1. Реакції за участю лише металів. На найпершому етапі прості метаболічні реакції каталізували неорганічні метали.
2. Гібридна фаза LUCA. З’явилися примітивні ферменти, однак для багатьох важливих реакцій система й далі залежала від металів довкілля.
3. Розходження ліній. Предки бактерій та архей почали еволюціонувати окремо, успадкувавши неповний набір ферментів від LUCA.
4. Незалежна еволюція ферментів. Кожна лінія окремо виробила нові, структурно відмінні ферменти, які замінили відсутні металеві каталізатори.

Саме незалежне виникнення ферментів для однакових життєво важливих реакцій є ключовим аргументом дослідників. На їхню думку, бактерії та археї розв’язали подібні метаболічні проблеми різними способами й окремо перетнули поріг автономного клітинного життя .

Чим ранній метаболізм міг живитися до появи АТФ

Сучасні клітини використовують аденозинтрифосфат, або АТФ, як універсальний «енергетичний носій». Але АТФ — складна молекула, яку виробляють ферменти. На найдавнішій Землі, до появи повноцінних клітинних систем, її не мало бути в готовому біологічному форматі.

Дослідження розглядає як можливе джерело енергії фосфіт — одну з форм фосфору, яка могла бути присутньою в гідротермальних джерелах. У реакціях з органічними сполуками, за участю природного металевого каталізатора паладію, фосфіт може стимулювати реакції фосфорилювання у воді. Теоретично це могло підтримувати ранній метаболізм ще до появи ферментів і АТФ .

Водночас ідеться саме про правдоподібну хімічну модель, а не про доведений сценарій походження життя.

Як змінюється «дерево життя»

Класична модель поміщає LUCA в основу одного стовбура, від якого відгалужуються всі форми життя. Нова гіпотеза пропонує іншу метафору — радше розгалужений кущ із двома окремими стовбурами, що виросли зі спільної до-клітинної основи .

• Один початок генетичного коду. Усі сучасні організми успадкували від спільного предка базову генетичну систему — ДНК, РНК і механізми побудови білків.
• Два переходи до вільного життя. Бактерії та археї могли незалежно набути повністю автономного метаболізму й стати вільноживучими клітинами.

Це важливе уточнення: дослідження не обов’язково стверджує, що на Землі двічі незалежно виникли абсолютно різні форми життя. Воно припускає, що після спільної ранньої стадії два основні мікробні напрями окремо подолали шлях до самодостатніх клітин.

Що це означає для пошуку життя за межами Землі

Якщо перехід від неживої хімії до автономної клітини справді може відбуватися більше одного разу, це змінює питання, які ставить астробіологія. Такий перехід може бути доступнішим, ніж вважалося, — або, навпаки, вимагати дуже специфічних умов, наприклад унікального поєднання металів, води, газів і джерел енергії в гідротермальних середовищах .

Поки що невідомо, чи були підводні гідротермальні джерела єдиним можливим місцем для таких процесів. Але їхня хімія залишається одним із найпереконливіших кандидатів для пояснення того, як геологічні реакції могли поступово перейти в біологічний метаболізм.

Важливі застереження

Результати дослідження вражають, однак мають обмеження. Аналіз значною мірою спирається на геномні дані бактерій, тоді як геноми архей представлені менш повно. Це може впливати на висновки про те, наскільки незалежно розвивалися їхні ферментні системи.

Крім того, роль фосфіту та паладію в ранньому метаболізмі поки залишається правдоподібною хімічною моделлю, а не підтвердженим давнім шляхом . Повного лабораторного відтворення переходу від металокаталізованих реакцій до ферментного метаболізму в синтетичній системі ще не проведено.

Попри це, робота є однією з найдетальніших спроб реконструювати формування найдавнішої метаболічної мережі. Вона підказує, що походження життя могло бути не прямою одноразовою подією, а складним і багатоступеневим процесом: один генетичний фундамент — і два незалежні шляхи до автономного життя.