История жизни на Земле — это захватывающая эпопея, охватывающая миллиарды лет. Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature, показывает, что последний универсальный общий предок (для всех форм жизни), LUCA (от Last Universal Common Ancestor), мог появиться гораздо раньше, чем считалось ранее, что ставит под сомнение устоявшиеся хронологии эволюции жизни.
Согласно новым оценкам, составленным международной исследовательской группой под руководством Бристольского университета, LUCA жил около 4,2 миллиарда лет назад, через несколько сотен миллионов лет после образования Земли. Это открытие противоречит предыдущим оценкам, согласно которым LUCA появились между 3,5 и 3,8 миллиардами лет назад. Ученые смогли уточнить эту хронологию, используя генетические и ископаемые данные и новые методы анализа.
LUCA: микроб в центре эволюции
LUCA часто описывают как примитивный микроб, но детали его природы остаются неясными. "Вероятно, LUCA был одноклеточным организмом с клеточной мембраной и использовал ДНК, РНК и белки для своих биологических функций", — объясняет доктор Джек Сзостак, лауреат Нобелевской премии по медицине, который не принимал участия в исследовании. Это описание важно, потому что оно помогает нам понять первые механизмы жизни и основы современной биологии.
В новом исследовании ученые выявили около 2600 генов, кодирующих белки, которые можно отнести к LUCA, что значительно превышает предыдущие оценки — около ста генов. Эти гены дают ценные сведения о биологических возможностях LUCA, позволяя предположить, что он уже обладал сложными метаболическими и репродуктивными механизмами, а также иммунной системой.
"Эволюционная история генов осложняется их обменом между линиями. Нам необходимо использовать сложные эволюционные модели, чтобы согласовать эволюционную историю генов с генеалогией видов", — заявил доктор Эдмунд Муди, ведущий автор , в пресс-релизе Бристольского университета.
Условия жизни на Земле во времена LUCA были экстремальными. Океаны были очень горячими, вулканы — очень активными, а атмосфера — насыщенной токсичными газами. И все же именно такая среда была средой обитания общего предка. Вероятно, эти условия сыграли ключевую роль в эволюции первых форм жизни. Согласно исследованию, опубликованному Чикагским университетом, первые организмы должны были адаптироваться к гидротермальной среде, богатой минералами и химическими соединениями.
Погружение в гены последнего универсального общего предка
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Ecology & Evolution, использовались передовые методы филогении для выявления универсальных генетических маркеров, присутствующих в археях и бактериях. Проанализировав 574 генома архей и 3020 геномов бактерий, исследователи смогли выделить 59 генетических маркеров, подходящих для филогении, содержащей как археи, так и бактерии.
Для этого они составили нередуцированный список маркеров, использованных в предыдущих исследованиях, и сопоставили их с профилями в базах данных COG (Orthologous Gene Groups), arCOG и TIGRFAM - базе данных белковых семейств для аннотации геномов, идентификации и аннотации белковых семейств, в основном у бактерий и архей. Соответствующие белки были извлечены и проанализированы для проверки их присутствия в геномах архей и бактерий.
"Одним из реальных преимуществ этого исследования является применение подхода, основанного на согласовании генов и деревьев видов, к такому разнообразному набору данных, представляющему первичные домены жизни, которыми являются археи и бактерии. Это позволяет нам с определенной долей уверенности говорить о том, как жил LUCA", — говорит доктор Том Уильямс из Бристольской школы биологических наук, соавтор исследования.
Затем последовательности генетических маркеров были выровнены, и с помощью моделей сложных замен были построены филогенетические деревья. Исследователи также провели тщательные тесты, чтобы исключить горизонтальный перенос генов и дупликации, которые могли бы исказить результаты. Используя методы молекулярного датирования, они смогли оценить возраст расхождений между группами и пришли к выводу, что LUCA существовала уже около 4,2 миллиарда лет назад. Помимо прочего, эти данные позволили воссоздать надежное филогенетическое древо и проследить эволюцию генов от этого общего предка.
Переписывая историю жизни
Технологический прогресс и новые методы генетических исследований позволяют ученым все глубже проникать в историю зарождения жизни на Земле, включая LUCA. В других недавних исследованиях использовались генетические базы данных тысяч современных микроорганизмов для выявления семейств генов, которые могли присутствовать в LUCA. Результаты каждого из этих исследований помогают нам понять немного больше о том, как жизнь развивалась от этого общего предка.
"Я думаю, что если мы найдем жизнь в другом месте, она будет очень похожа на современную жизнь, по крайней мере с химической точки зрения", — заявил Уильям Мартин, профессор эволюционной биологии Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне, в статье о LUCA, опубликованной НАСА в 2017 году.
Последние данные о LUCA заставляют нас пересмотреть наше понимание истории жизни на Земле. Они также подчеркивают невероятную стойкость и изобретательность жизни, способной процветать в условиях, которые сегодня мы бы назвали негостеприимными. Эти открытия также напоминают нам о том, что, несмотря на все наше разнообразие, все формы жизни на Земле объединяет глубокая и древняя связь, уходящая корнями в самые ранние моменты существования нашей планеты.