Биологи пришли к выводу, что самостоятельно живущие организмы возникли дважды

Последним общим универсальным предком называют организм (или группу организмов), гены которого есть у всех ныне живущих — неважно, бактерий, архей (микробы с принципиально отличающимся от бактерий устройством клетки) или эукариот. Эукариоты, к которым относится и человек, по современным взглядам возникли от своего рода «скрещивания» бактерий и архей. Более корректно назвать это симбиогенезом: крупная архея когда-то проглотила бактерию, но не переварила ее, а включила в свою клетку. Десяток лет назад генетики установили три с половиной сотни генов, общих для всех. Их и отнесли к генам LUCA.

С этим существом (существами) связано много не вполне ясных биологических вопросов. Во-первых, такое количество генов крайне мало. Вероятность того, что остальные просто отсеялись в ходе эволюции не выглядит большой: у разных групп потомков всеобщего предка разные условия, где-то пригодились бы практически любые имевшиеся у него гены. Трудно подобрать современный отдельно живущий организм, у которого всего около 350 генов. Как при таком малом разнообразии «кирпичей» ДНК LUCA выживал — не очень ясно.

Во-вторых, возраст всеобщего предка по генетическим методам определить непросто, отчего часть получаемых дат яростно оспаривают. Некоторые генетики считают, что он возник 4,28 миллиарда лет назад, а иные — что 4,5 миллиарда лет назад. Последняя дата почти совпадает с возрастом планеты, что смущает многих биологов.

Теперь международная группа исследователей попробовала разобраться с тем, какие особенности метаболизма были у LUCA, и что это может нам рассказать о его потомках. Работу об этом опубликовали в Science Advances.

Ученые сосредоточили свое внимание на ферментах, которые мог использовать, исходя из его набора генов, LUCA. Ферменты в живых организмах выполняют роль катализаторов, ускорителей определенных химических реакций, нужных организму. Первые организмы Земли, предположительно, получали энергию, используя доступные им источники, такие как водород, аммиак и некоторые другие. Всего насчитывают 420 реакций, нужных для базового метаболизма живых существ.

Согласно новой работе, гены LUCA не могли кодировать ферменты примерно для половины из всех необходимых метаболических реакций. Жить без них он не мог бы. Очевидно, что-то должно было заменять ему примерно половину ферментов. Исследователи пришли к выводу, что роль замены играли какие-то металлы, — например, известный своими каталитическими возможностями палладий — с которыми он сталкивался в древних гидротермальных источниках на морском дне. Таким образом, получается, что его метаболизм примерно наполовину ускорялся не катализаторами «собственной постройки», а теми, что он черпал в окружающей его среде.

Эаолюционное древо земной жизни (приблизительное) / © Wikimedia Commons

Авторы пошли еще дальше и предположили, что исходно вся каталитическая активность первых живых организмов (предшественников LUCA) была основана на катализаторах-металлах. Всеобщий предок стал носителем гибридного метаболизма, где половина реакций ускорялась ферментами его производства, а еще половина — металлами. И лишь на третьей стадии эволюции возникли метаболизмы, целиком построенные на ферментах, как у нас или других современных живых существ. Причем гены, кодирующие такой метаболизм у двух важнейших ветвей земной жизни, бактерий и архей, разные.

Это означает, что бактерии и археи научились ускорять ферментами свои химические реакции уже после того, как отделились от LUCA. Есть одинаковые метаболические реакции, ускоряемые разными ферментами у бактерий и архей. По мнению авторов, это говорит о том, что свободноживущие археи и бактерии возникли независимо друг от друга. То есть это две независимые ветки, отделившиеся от всеобщего предка в момент выхода из гидротермального источника в иную среду, где не было значительного количества свободных металлов-катализаторов.

Исследователи также пришли к выводу, что из-за нехватки ферментов LUCA не мог иметь АТФ, основного клеточного источника энергии в нашу эпоху (впрочем, ранее сходные мысли на другой основе высказывали и другие научные группы). Источником энергии для него, согласно их выводам, были фосфиты, соединения фосфора, возникающие в гидротермальных источниках без участия живых организмов.

В комментариях для СМИ авторы выдвинули достаточно категоричный тезис: только свободноживущие клетки — живые. То есть с их точки зрения LUCA — не совсем живой организм, поскольку вне его среды обитания он не мог бы поддерживать активный метаболизм. Они даже заявили, что у жизни один генетический корень (LUCA), но два корня возникновения — бактериальный и архейный. В такой картине всеобщий универсальный предок фактически теряет статус первого живого организма.

Эта часть их выводов вызывает большие вопросы. Почему именно наличие ферментов для 420 химических реакций стало для исследовательской группы критерием свободноживущих клеток? Хорошо известно, что бактерии и археи, лишаясь того или иного компонента окружающей среды, прекращают свою метаболическую активность. У людей, отдаленных потомков и бактерий, и архей, метаболическая активность тоже сравнительно быстро останавливается, стоит им лишиться кислорода или воды. Без некоторых металлов в пище и воде человек тоже прекратит метаболическую активность, что в его случае означает смерть. Почему зависимость от металлов-катализаторов авторы посчитали критерием, разделяющим живое и неживое, а зависимость от металлов-переносчиков кислорода — нет?

Несмотря на эти спорные моменты работа, если ее тезисы выдержат проверку временем, существенно прояснит многие вопросы о ранней стадии земной жизни. Если LUCA так широко опирался на внешние катализаторы, умеренное число его генов становится существенно понятнее. Да и большая древность возникновения в таком случае выглядит более естественной.