|
Реконструировали прародителя всего живого на Земле
|
|
|
|
Понимание того, как зародилась и эволюционировала жизнь на Земле, - это вопрос, который долгое время интересовал людей, и современные ученые добились больших успехов в поиске ответов на некоторые из них. Теперь наше недавнее исследование, как мы надеемся, позволит по-новому взглянуть на происхождение жизни на Земле.
|
|
|
|
Около 375 миллионов лет назад наши рыбоподобные предки дышали через жабры. Более 600 миллионов лет назад появился общий предок всех животных — микроскопический урметазоан. Однако за миллиарды лет до того, как все это произошло, должен был существовать общий предок всех живых организмов, последний универсальный общий предок (Luca).
|
|
|
|
Ученые десятилетиями работали над идентификацией Луки, выдвигая различные предположения о том, каким был Лука. Еще одним спорным моментом является возраст Луки. Самым ранним ископаемым свидетельствам о жизни, которые у нас есть, около 3,4 миллиардов лет. Некоторые исследования отодвигают возраст Луки почти на 4,5 миллиарда лет назад, когда родилась Земля. Другие считают, что это невозможно из-за времени, которое потребовалось бы для создания генетического кода и механизма репликации ДНК.
|
|
|
|
Лука не был первой формой жизни; это был организм, от которого произошли все живые организмы. Тем не менее, ученые считают, что живые организмы могли существовать задолго до Луки. Понимание того, каким был Лука и когда он жил, важно для того, чтобы помочь нам понять, как развивалась жизнь на Земле.
|
|
|
В нашем недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Ecology & Evolution, мы использовали комбинацию научных методов, чтобы реконструировать геном Луки и показать, как найденные нами гены могли позволить Луке выжить. Этот проект стал результатом нескольких лет работы международной команды сотрудников.
|
|
Природа Луки
|
|
|
|
Чтобы реконструировать геном Луки, нам понадобились образцы геномов (всей генетической информации организма) из разных групп бактерий и архей (одноклеточных организмов, отличных от бактерий), чтобы мы могли быть уверены, что перед нами образцы современной жизни. Мы исключили эукариот (растения, животных и грибы), потому что ученые считают, что они произошли от союза архей и бактерий гораздо позже. У нас был набор из 700 геномов (350 архей и 350 бактерий), уже собранных на основе исследования 2022 года, в котором некоторые из нас принимали участие.
|
|
|
|
Мы распределили эти гены по разным семействам, чтобы понять их назначение в современных организмах. Для этого мы использовали базу данных под названием KEGG, которая помогает ученым понять метаболические пути организмов (как они поддерживают жизнь).
|
|
|
|
Затем мы использовали эти семейства для построения филогенетических древ (или филогений, что-то вроде генеалогического древа), чтобы понять взаимоотношения между различными видами и увидеть, как они эволюционировали с течением времени. Мы также создали отдельный набор из 57 генов, которые являются общими для всех 700 организмов, участвовавших в нашем исследовании, и которые, вероятно, присутствуют почти у всех живых организмов. Эти типы генов не сильно изменились за последние несколько миллиардов лет.
|
|
|
|
Мы использовали эти 57 генов для построения древа видов, которое показывает дарвиновское родство различных организмов. Затем мы могли бы объединить наши генеалогические деревья KEGG с древом видов, смоделировав частоту дупликации, переноса и потери генов. Это также позволило нам рассчитать вероятность присутствия в Luca различных семейств генов.
|
|
|
|
Реконструкция генома Luca позволила нам оценить его метаболизм, как если бы он был жив сегодня. Мы представляем Luca как довольно сложный организм, такой как современные бактерии и археи, с небольшим геномом. Однако мы не нашли свидетельств фотосинтеза (который используют некоторые бактерии) или азотфиксации - химического процесса, используемого некоторыми современными бактериями и археями для поддержания жизни.
|
|
Сколько лет было Луке?
|
|
|
|
Мы также опробовали новый метод оценки возраста Луки, используя гены, которые, по нашему мнению, дублировались до Луки, а также информацию из окаменелостей.
|
|
|
|
Обычно, чтобы определить временные рамки эволюции, мы получаем филогению интересующего нас вида с гомологичными генами, которые восходят к общему предку.
|
|
|
|
Затем мы могли бы найти группу видов, которые находятся в отдаленном родстве (внешнюю группу) с интересующим нас видом, чтобы установить истоки филогении.
|
|
|
|
"Ветви", которые связывают виды в филогенезе, содержат информацию о скорости, с которой происходили генетические изменения (мутации), и о времени, в течение которого виды разделились. Мы можем использовать ископаемые или геологические данные, чтобы сообщить молекулярным часам о возможном минимальном возрасте, в котором происходили события видообразования.
|
|
|
|
Однако в случае с Luca у нас есть две проблемы. В "происхождении жизни" нет внешней группы, и существует не так много окаменелостей или геологических свидетельств ранней истории Земли, которые мы могли бы использовать для калибровки молекулярных часов.
|
|
|
|
Чтобы преодолеть эти ограничения, мы использовали паралогичные гены, которые ученые уже обнаружили у Luca. Паралогичные гены связаны друг с другом посредством дупликации генов. Это может произойти, когда вид распадается на два, каждый из которых имеет свою собственную копию дублированного гена.
|
|
|
|
По нашим оценкам, Лука бродил по Земле около 4,2 миллиарда лет назад. Если наша оценка времени близка к истине, то такие вещи, как генетический код, трансляция белков и сама жизнь, должны были развиваться быстро, почти сразу после образования Земли.
|
|
|
|
Наша реконструкция Luca не первая и, безусловно, не последняя. С каждым годом обнаруживается и упорядочивается все больше организмов, компьютеры становятся все более мощными, а эволюционные модели постоянно совершенствуются. Таким образом, наше понимание Luca может измениться, когда появится больше данных и мощных методов.
|
|
|
|
Например, мы должны учитывать, что во времена Луки, вероятно, существовало много других организмов, которые сегодня больше не представлены никакими другими организмами. Если кто-либо из ранних потомков Луки не дожил до наших дней и их гены не сохранились, то мы никогда не сможем сопоставить эти семейства генов с Лукой, что означает, что наша реконструкция Луки может быть неполной.
|
|
|
|
Несмотря на все технические ограничения, наше исследование позволяет по-новому понять Luca. Но предстоит еще многое сделать, чтобы лучше понять, как развивалась жизнь с момента образования нашей планеты Земля.
|
|
|
|
Источник
|
