То, что на Земле вообще появились люди, животные, растения и любые другие организмы, стало результатом длинной цепочки событий, начавшейся более четырёх миллиардов лет назад. Но самый трудный шаг, вероятно, был первым: каким образом неживая химическая смесь превратилась в нечто живое?
Новое исследование предлагает радикальный ответ. Возможно, этот переход произошёл не один раз, а дважды.
Авторы работы предполагают, что две основные ветви клеточной жизни — бактерии и археи — могли независимо друг от друга приобрести полноценный обмен веществ и превратиться в свободно живущие клетки.
По словам биолога Уильяма Мартина из Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне, данные указывают на один источник генетического кода, но два отдельных происхождения жизни.
Это чрезвычайно смелое утверждение, тем более что даже само понятие жизни не имеет совершенно однозначного определения. Обычно живыми называют системы, способные реагировать на окружающую среду, получать энергию, расти и размножаться. Однако под такое описание частично подходят и вирусы, которые традиционно не считают живыми.
Одним из главных признаков клеточной жизни остаётся обмен веществ — совокупность химических реакций, с помощью которых организм получает необходимые ему молекулы и энергию.
Сегодня этими реакциями управляют ферменты — белки, ускоряющие химические процессы. Но здесь возникает парадокс: сами ферменты тоже создаются в ходе химических реакций. Как первые организмы могли производить их, если у них ещё не было ферментов?
Исследователи считают, что на раннем этапе эту работу выполняла окружающая среда.
Предполагается, что первые предшественники жизни появились в химически активных местах вроде гидротермальных источников. Содержащиеся там металлы могли заменять ферменты и ускорять превращение водорода, аммиака, углекислого газа и других соединений в полезные органические вещества.
При этом сложная сеть обмена веществ, включающая около 400 реакций, не могла появиться мгновенно. Она должна была складываться постепенно, проходя через промежуточные стадии, которые до сих пор оставались плохо понятными.
Чтобы восстановить эту последовательность, учёные изучили строение ключевых ферментов в геномах бактерий и архей. Затем они расположили их по степени сложности и попытались определить, в каком порядке те могли возникнуть.
Результаты показали, что последний общий предок всех современных клеток имел ферменты лишь примерно для половины необходимых реакций. Остальные процессы, вероятно, всё ещё зависели от металлов в окружающей среде.
Авторы выделили четыре этапа развития обмена веществ.
Сначала реакции полностью обеспечивались природными металлическими катализаторами. Затем в ещё не вполне живых протоклетках начали появляться первые собственные ферменты, частично заменявшие металлы. Постепенно таких ферментов становилось всё больше, а зависимость от окружающей среды уменьшалась.
Только когда клетки научились самостоятельно проводить все необходимые реакции, они стали по-настоящему свободно живущими.
Главная неожиданность заключается в том, что это, по мнению исследователей, произошло уже после разделения бактерий и архей. Каждая из двух ветвей самостоятельно создала собственные ферменты для решения одних и тех же задач.
Учёные обнаружили случаи, когда предки бактерий и архей независимо развили совершенно разные по строению ферменты, ускоряющие одну и ту же важнейшую реакцию. Такие параллельные изобретения могли привести к появлению двух самостоятельных форм клеточной жизни.
Работа предлагает возможное объяснение ещё одной давней загадки.
Современные организмы используют для снабжения обмена веществ энергией молекулу аденозинтрифосфата. Но она сама производится с помощью ферментов и не могла быть доступна на самых ранних этапах химической эволюции.
Исследователи нашли возможную замену. В опытах фосфит — встречающаяся в гидротермальных источниках форма фосфора — вместе с палладием смог выполнять роль аденозинтрифосфата и ферментов. При взаимодействии с органическими соединениями в воде уже за одну ночь возникали реакции, необходимые для обмена веществ.
Однако важный вопрос остаётся без ответа: в какой именно среде происходили первые реакции, приведшие к жизни? Это могла быть вода или более густая, вязкая смесь.
Если выводы исследования подтвердятся, привычное древо жизни придётся представить немного иначе. Обычно его единым стволом считают последнего общего предка клеток, от которого затем разошлись все остальные организмы.
Но, возможно, у этого древа было два ствола. Они начали расходиться ещё до того, как их предшественников можно было в полном смысле назвать живыми.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
