(witsawat sananrum/iStock/Getty Images Plus)
То, что мы вообще существуем, — результат длинной цепочки невероятных случайностей, растянувшейся более чем на 4 миллиарда лет. Одним из самых серьёзных препятствий на этом пути был самый первый шаг: как жизнь возникла из первичного бульона веществ, которые сами по себе точно не были живыми?
Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, предполагает, что этот невероятный порог мог быть пройден не единожды, а дважды.
Согласно работе, две основные ветви жизни — бактерии и археи — могли независимо друг от друга разгадать секреты метаболизма, позволившие им перейти из состояния неживого в живое. Исследователи сосредоточились на самом элементарном наборе химических реакций, которые, как считается, обеспечили этот переход.
«Удивительно, что ферменты, катализирующие эти реакции, не сохраняются на протяжении эволюционного разрыва, который разделяет бактерии и архей», — говорит Уильям Мартин, биолог из Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе (Германия).
«Новые данные оставляют только один вывод. Ветви бактерий и архей совершили переход к свободноживущему состоянию независимо друг от друга. Живыми являются только свободноживущие клетки.
Назовём это своим именем: мы наблюдаем одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни».
Заявление серьёзное, особенно учитывая, что даже само определение того, что такое жизнь, может быть на удивление непростым.
В общих чертах жизнью считается материя, которая реагирует на окружающую среду, потребляет энергию, растёт и воспроизводит себя. Звучит так, как будто это покрывает все основы, но даже это широкое определение неидеально: вирусы способны на большинство из перечисленного, но традиционно не считаются «живыми».
Один из аспектов жизни, который является универсальным — и которого не хватает вирусам, — это метаболизм: набор химических реакций, которые организмы используют для создания молекул, необходимых для повседневного функционирования.
Ферменты — это рабочие белки, выступающие катализаторами этих реакций в организмах. Но здесь возникает странный вопрос о курице и яйце. Сами ферменты являются продуктами химических реакций — так как же первые формы жизни начали метаболизировать вещества, включая создание ферментов, без помощи других ферментов?
Ответ, судя по всему, кроется в окружающей среде. Общепринято считать, что первая жизнь возникла в крайне реактивных условиях, таких как гидротермальные источники. Металлы, естественным образом присутствующие в этих местах, могли стать первыми катализаторами метаболизма, превращая такие соединения, как водород, аммиак и диоксид углерода, в другие полезные молекулы.
«Почти всё, что касается происхождения метаболизма, остаётся предметом споров, включая роль энергии, генетики, автокатализа, фосфата, кофакторов, цианида, CO₂ и воды», — пишут Мартин и коллеги в своей статье.
«Тем не менее в одном все согласны: сеть из примерно 400 реакций, превращающая H₂, CO₂, NH₃, H₂S и фосфат в аминокислоты, основания и кофакторы, не могла возникнуть мгновенно.
Её формирование из спонтанных реакций в окружающей среде должно было пройти через промежуточные стадии сборки, которые прежде оставались неуловимыми».
Исследователи изучили структуры белков ключевых метаболических ферментов в геномах бактерий и архей и разработали метод и алгоритм для их упорядочивания по сложности. Это позволило определить, в каком порядке эволюционировали те или иные ферменты, и составить приблизительную хронологию.
«Мы обнаружили, что последний универсальный общий предок всех клеток, LUCA, обладал ферментами лишь для примерно половины реакций метаболизма», — говорит Мартин.
«Вторая половина катализировалась металлами в среде, где возник LUCA».
Команда установила, что развитие катализа (реакций, управляемых ферментами) прошло, вероятно, через четыре различных фазы. На первой этапе всё зависело исключительно от металлов в окружающей среде.
Когда полезных молекул накопилось достаточно, ещё не совсем живые протоклетки (к которым относился и LUCA) начали развивать собственные ферменты, выполнявшие часть функций металлических катализаторов.
Со временем более поздние протоклетки развивали всё больше ферментов, снижая зависимость от внешних металлов, пока не перестали нуждаться в них вообще. Только в этот момент их можно было бы назвать «свободноживущими клетками».
Важно, что, по словам исследователей, это произошло уже после того, как бактерии и археи разделились. Обе ветви самостоятельно нашли собственные способы решения одних и тех же проблем.
«Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо друг от друга развили структурно различные ферменты для катализа одной и той же важнейшей метаболической реакции», — говорит Наталья Мрняваc, биолог из Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе.
«Такие параллельные изобретения могли открыть путь к независимому возникновению свободноживущих бактерий и архей».
Работа может также закрыть ещё один пробел в понимании происхождения жизни. Молекула АТФ сегодня является жизненно важным источником энергии для метаболизма — но она также создаётся ферментами и была недоступна в добиологической химии. Исследователи говорят, что нашли альтернативу.
«Когда мы соединяем фосфит — форму фосфора, естественным образом встречающуюся в гидротермальных источниках, — с органическими соединениями, реакции метаболического фосфорилирования происходят в воде буквально за одну ночь», — говорит Манон Шликкер, специалист по молекулярной эволюции из Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе.
«Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты; это поразительно и значительно упрощает понимание ранней эволюции».
Тем не менее критически важна среда, в которой протекают химические реакции, а у учёных до сих пор нет ясного представления о том, какой она была. Вода или, может быть, вязкая липкая масса?
Если выводы подтвердятся дальнейшими исследованиями, привычное представление о дереве жизни может потребовать пересмотра. Обычно LUCA представляют «стволом» дерева, от которого расходятся все прочие формы жизни, прошлые и настоящие.
Но, возможно, на самом деле было два совершенно отдельных ствола, разошедшихся ещё у самых корней — прежде чем их обладатели формально стали живыми.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.