Вопрос о том, где именно и каким способом на нашей планете впервые возникла жизнь, остается одной из самых интригующих загадок науки. Группа ученых из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе совместно с международной командой опубликовала в журнале Science Advances работу, которая проливает свет на химическую сеть, позволившую самым первым клеткам производить энергию и строительные блоки для тел. Новые данные указывают на то, что фундаментально разные ветви жизни — бактерии и археи — могли обрести независимость друг от друга совершенно самостоятельно, а не от одного общего предка.
Около четырех миллиардов лет назад облик Земли кардинально отличался от современного. Если бы мы могли заглянуть в ту эпоху, мы бы увидели две принципиально разные формы примитивной клеточной жизни. Как отмечает Наталия Мрнявак, биолог из Дюссельдорфа и ведущий автор работы, первыми «пионерами» стали бактерии и археи. Именно они предприняли первые попытки покинуть безопасные гидротермальные источники и начать самостоятельное существование во враждебном океане.
Для реконструкции этого прошлого биологи изучили геномы, пространственную структуру белков и химические реакции сотен организмов. Уильям Мартин, старший автор исследования, подчеркивает значимость такого подхода. Сравнение данных дало беспрецедентные знания о фазе эволюции, когда метаболизм только зарождался. В те времена сложные биохимические превращения катализировались не белками-ферментами, а простыми металлами, растворенными в горячей воде земных недр.
Ученые решили взглянуть на проблему шире, чем это делалось ранее. Вместо изучения отдельных реакций они проанализировали полную группу из 420 химических превращений, необходимых для создания аминокислот, РНК и витаминов. Эта сеть реакций невероятно стабильна и сохраняется в живых существах почти так же строго, как генетический код.
Однако исследователей ждал сюрприз. Ферменты (белки-катализаторы), выполняющие эти древние реакции, оказались вовсе не универсальными между двумя доменами жизни. Выяснилось, что последний универсальный общий предок всех клеток (LUCA) обладал инструментами лишь для половины этих реакций. Оставшаяся половина процессов шла за счет металлов самой среды, где обитал LUCA. Это открытие говорит о том, что ранний метаболизм был гораздо сильнее зависим от геологии планеты, чем современная биология.
«Металлы, естественным образом выходящие из подводных вулканов, способны заменить собой поразительное количество ферментов», — поясняет Харун Тёйсюз, специалист Института Макса Планка. Его коллега Джозеф Моран из Канады добавляет, что ранняя химия была гибридом: живые белки работали бок о бок с неживыми металлическими частицами.
Исследователи смогли выделить четыре четкие стадии этой химической революции.
- Чисто металлический катализ (реакции идут сами при контакте с породой).
- Смешанный этап у LUCA (металлы работают вместе с первыми ферментами).
- Разделение путей бактерий и архей.
- Полная замена внешних металлов внутренними белковыми машинами внутри каждой линии.
Особый интерес вызвал энергетический вопрос. Сегодня любая клетка использует молекулу АТФ как батарейку. Но сама эта молекула крайне сложна и требует ферментов для своего создания. Чем питались самые ранние организмы? Команда обнаружила новый источник энергии. Оказалось, что фосфит — форма фосфора — может вступать в нужные реакции в присутствии обычного металла палладия, который часто находят в гидротермальных ключах. Палладий и фосфит успешно имитируют работу АТФ и ферментов буквально за одну ночь в лабораторных условиях. Это значительно упрощает понимание того, как вообще мог запуститься двигатель жизни до появления сложных белков.
Чтобы распутать клубок из 420 взаимосвязанных реакций, к работе привлекли математиков — профессора Майка Стила из Новой Зеландии и Даниэля Хьюсона из Германии. Они разработали алгоритм, способный выстроить эти реакции в логическом порядке — от простейших к сложным. Полученная последовательность отражает реальный ход событий в начале времен.
Главный вывод звучит революционно. Бактерии и археи не проходили совместный переход к свободной жизни. Каждая ветвь достигла состояния независимого организма своим путем. Как резюмирует Мартин, перед нами картина одного генетического кода, но двух независимых происхождений клеточной жизни. Живы сегодня только свободноживущие клетки, прошедшие этот фильтр.
Напомним, что все живое делится на эукариот (сложные клетки с ядром) и прокариот (древние клетки без ядра). Прокариоты делятся на бактерий и архей. Многие из них живут в экстремальной среде вокруг черных курильщиков на дне океана — там, где сейчас ищут колыбель всей земной биологии.
Изображение: AI/ScienceDaily.com
