Учёные предположили что жизнь на Земле могла возникнуть дважды
Учёные предложили новую гипотезу происхождения жизни на Земле, согласно которой первые свободноживущие клетки могли возникнуть не один, а два раза. Исследователи считают, что бактериальная и архейная линии независимо друг от друга приобрели способность к самостоятельной жизни, развив собственные ферменты для обеспечения ключевых метаболических процессов.
Происхождение первых живых организмов остаётся одной из самых сложных проблем современной науки. Для появления жизни был необходим целый комплекс химических реакций, лежащих в основе обмена веществ, самоподдерживающихся химических сетей и ферментативного катализа. Однако на самых ранних этапах существования Земли ферментов ещё не было, поэтому первые метаболические реакции должны были происходить другим способом.
Несмотря на продолжающиеся дискуссии о том, как возник первичный обмен веществ без участия ферментов, учёные сходятся во мнении, что древнейший метаболизм представлял собой сложную взаимосвязанную сеть примерно из 420 химических реакций. Предполагается, что именно эта сеть преобразовывала водород, углекислый газ, аммиак, сероводород и фосфаты в аминокислоты, азотистые основания и кофакторы — основные строительные блоки будущих живых клеток.
Одним из главных вопросов остаётся происхождение метаболизма у LUCA — последнего универсального общего предка всех современных клеточных организмов. Учёные давно пытаются понять, мог ли LUCA самостоятельно синтезировать все необходимые промежуточные соединения или часть веществ поступала непосредственно из окружающей среды.
Ответить на этот вопрос до сих пор было сложно из-за небольшого количества экспериментальных исследований, посвящённых ранней эволюции обмена веществ. Специалисты Института молекулярной эволюции Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе заявили, что им удалось выявить промежуточные этапы формирования древнейших метаболических систем и проследить происхождение ферментов, появившихся во время разделения эволюционных линий бактерий и архей.
Современный центральный метаболизм включает около 400–420 химических реакций, значительная часть которых сохраняется практически у всех живых организмов. Для своего исследования учёные проанализировали геномы, структуры белков и химические реакции, относящиеся к самым ранним этапам эволюции микроорганизмов, ещё до появления первых свободноживущих клеток.
По словам одного из руководителей исследования, биолога Уильяма Мартина, результаты позволяют впервые подробно изучить переход от спонтанных химических реакций, катализируемых металлами земной коры, к полноценному ферментативному метаболизму.
Анализ показал, что LUCA обладал ферментами лишь примерно для половины из 420 основных метаболических реакций. Остальные процессы, по мнению исследователей, могли протекать благодаря природным металлам, присутствовавшим в окружающей среде. Авторы отмечают, что металлы гидротермальных источников способны заменять многие ферменты, необходимые для обмена веществ.
Соавтор исследования Джозеф Моран из Оттавского университета считает, что ранняя биохимическая эволюция представляла собой своеобразную гибридную систему, в которой одновременно использовались как ферменты, так и неорганические металлические катализаторы.
Исследователи выделили четыре последовательных этапа развития каталитических механизмов. Сначала химические реакции обеспечивались исключительно металлами, затем возникла гибридная система, сочетавшая металлический и ферментативный катализ. После этого бактериальная и архейная линии начали развиваться независимо друг от друга, постепенно заменяя природные неорганические катализаторы собственными ферментами.
По мнению авторов, полученные результаты свидетельствуют о том, что бактерии и археи независимо разработали различные ферменты для выполнения одних и тех же жизненно важных метаболических реакций. Это указывает на то, что обе эволюционные линии самостоятельно сформировали механизмы, позволившие им существовать в виде свободноживущих клеток.
При этом для работы древнейшего метаболизма требовался источник энергии. Сегодня эту функцию выполняет молекула АТФ, однако она синтезируется ферментами и не встречается естественным образом в гидротермальных источниках, где, как предполагается, могла зародиться жизнь.
В качестве возможного механизма получения энергии на ранних этапах эволюции исследователи предлагают использовать фосфит — природную форму фосфора, встречающуюся в гидротермальных системах, — совместно с металлами переходной группы. В лабораторных экспериментах такая комбинация обеспечивала реакции фосфорилирования органических соединений всего за одну ночь, заменяя функции АТФ и ферментов.
Авторы подчёркивают, что полученные данные позволяют по-новому взглянуть на происхождение жизни. По их мнению, общий генетический код возник один раз, однако бактериальная и архейная линии независимо эволюционировали до состояния свободноживущих клеток. Поскольку именно свободноживущие клетки можно считать полноценной жизнью, исследователи делают вывод о двух независимых происхождениях жизни в современном понимании этого понятия.
При этом речь идёт о научной гипотезе, которая требует дальнейшей проверки и обсуждения, поскольку она затрагивает одну из наиболее фундаментальных проблем биологии.
Исследование в журнале Science Advances.