02.12.2024. - Вся жизнь на Земле произошла из одной клетки

Вся жизнь на Земле произошла из одной клетки

Если вы проследите любой путь предков достаточно далеко назад, вы придете к той же единственной точке. Начинаете ли вы с горилл, деревьев гинкго или бактерий, живущих глубоко в недрах Земли, — или с себя, если уж на то пошло, — все пути ведут к LUCA, “последнему универсальному общему предку”. Этот древний одноклеточный организм (или, возможно, популяция одноклеточных организмов) был прародителем всех разнообразных форм, которые сегодня создают условия для жизни на нашей планете.

LUCA не представляет собой историю происхождения жизни, пример того, как некая химическая алхимия преобразовала молекулы в форму, которая позволила самовоспроизводиться и запустить все механизмы эволюции. Скорее, это момент, когда зародилась жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. LUCA - это самая отдаленная точка в эволюционной истории, которую мы можем увидеть, возвращаясь к тому, что существует на сегодняшний день. Это самый недавний предок, общий для всей современной жизни. "Наша коллективная родословная восходит к одной древней клеточной популяции или организму.

“Это не первая клетка, это не первый микроб, вообще ничего не впервые”, - говорит Грег Фурнье (открывает новую вкладку), биолог-эволюционист из Массачусетского технологического института. “В некотором смысле, это конец истории происхождения жизни”.

Тем не менее, понимание того, был ли LUCA простым или сложным, и как быстро он появился после зарождения жизни, могло бы помочь ответить на некоторые из наших самых глубоких вопросов о том, откуда мы пришли и одиноки ли мы во Вселенной.

“[LUCA] рассказывает нашу собственную историю”, - сказал Эдмунд Муди (открывает новую вкладку), биолог-эволюционист из Бристольского университета. “Это дает нам точку зрения, с которой мы можем заглянуть еще дальше в прошлое”.

В течение полувека биологи изучали различные виды физиологических, геномных и ископаемых свидетельств, чтобы нарисовать портреты LUCA, которые иногда кардинально расходятся. В 2024 году Муди и команда междисциплинарных исследователей, включая геологов, палеонтологов, специалистов по системному моделированию и филогенетиков, объединили свои знания, чтобы построить вероятностную модель, которая реконструирует общего предка современной жизни и оценивает, когда он жил.

Результаты анализа, опубликованные в журнале Nature Ecology and Evolution в июле, рисуют удивительно сложную картину (откроется новая вкладка) клетки. Согласно результатам исследования, LUCA питался водородом и углекислым газом, обладал геномом размером с геном некоторых современных бактерий и уже обладал рудиментарной иммунной системой. Авторы утверждают, что сложность его генома позволяет предположить, что LUCA была одной из многих линий, остальные из которых уже вымерли, живших около 4,2 миллиарда лет назад, в относительно раннее неспокойное время в истории Земли, которое долгое время считалось слишком суровым для процветания жизни.

По словам Аарона Голдмана (открывает новую вкладку), который изучает молекулярную эволюцию ранних стадий жизни в Оберлинском колледже и не принимал участия в новом исследовании, проведенный анализ позволяет сделать два вывода, которые, по-видимому, противоречат друг другу. “Во-первых, LUCA был сложным клеточным организмом, который, вероятно, жил в сложных экологических условиях”, - сказал он. “Во-вторых, LUCA относится к довольно раннему периоду в истории Земли”. По его словам, полученные результаты могут означать, что жизнь удивительно быстро эволюционировала от простого репликатора к чему-то, напоминающему современных микробов. “Это действительно захватывающе”.

“Наша работа предполагает, что эти ранние этапы эволюции не были трудными; они довольно просты”, - сказал соавтор Фил Донохью (открывает новую вкладку), биолог-эволюционист из Бристольского университета. “Если вас интересует происхождение микробной жизни, то это, по-видимому, очень просто, и это должно быть довольно распространенным явлением во Вселенной”.

Однако не все эксперты в этой области согласны с этим. Некоторые утверждают, что несколько сотен миллионов лет - недостаточный срок для развития сложной жизни. Авторы подчеркивают, что их анализ является первой попыткой нарисовать более полную, хотя и нечеткую картину LUCA. “Я полностью ожидаю и надеюсь, что люди докажут, что мы ошибаемся в некоторых аспектах”, - сказал Муди, ведущий автор статьи, особенно если эти новые результаты позволят получить более четкое представление о древнем предке всей известной нам жизни.

Вероятностный портрет

Разгадать природу существа, жившего так давно, на основании фрагментарных данных, полученных путем умозаключений, - непростая задача. Микроскопические окаменелости могут помочь исследователям в этом вопросе, но древнейшие следы жизни появились всего около 3,5 миллиардов лет назад, вероятно, намного позже, чем жил LUCA. Это оставляет нам возможность изучать потомков LUCA. “Чтобы изучить ЛУКУ, нужно сравнить разнообразие генов, физиологии и метаболизма на сегодняшний день, а затем вернуться к прошлому”, - сказал Фурнье, который не принимал участия в новой работе.

В 1970—х годах — задолго до геномной эры - исследователи полагали, что последний общий предок всего живого (тогда еще не названный LUCA) был довольно примитивным (открывает новую вкладку), реплицирующимся существом, которое еще не овладело способностью преобразовывать гены в белки. Но по мере развития технологии генетического секвенирования и появления новых доступных геномов исследователи получили возможность искать общие гены у множества различных организмов, чтобы определить, какие из них являются наиболее древними и законсервированными во времени.

Так начинала команда Moody's. Они построили эволюционное древо, представляющее взаимосвязи между 350 ныне живущими видами бактерий и 350 архейными видами. Затем они проанализировали эволюционные истории почти 10 000 семейств генов, общих для этих видов, чтобы создать эволюционное древо для каждого гена.

Когда мы сравниваем две близкородственные генетические линии, естественно прийти к выводу, что у их общего предка должен был присутствовать какой-либо общий генетический материал. Однако по мере углубления во времени этот вывод становится все более сложным. Если один из генов LUCA исчез в более поздних линиях, то, по-видимому, он развился совсем недавно. С другой стороны, ген, который развился намного позже LUCA, мог распространиться среди неродственных линий посредством процесса, известного как горизонтальный перенос генов; в этом случае генетический анализ показал бы, что нечто, возникшее гораздо позже, возникло у LUCA. “Существует множество эволюционных процессов, которые могут помешать четкому сигналу”, - сказал Голдман.

Один из способов отделить сигнал от эволюционного шума - отобрать только те гены и белки, которые демонстрируют незначительные признаки горизонтального переноса генов. Самый известный анализ такого рода, проведенный в 2016 году, показал, что LUCA была относительно простым объектом (открывает новую вкладку), который был “наполовину живым” и зависел от геохимии гидротермальных источников для получения энергии. Однако, по словам Донохью, такое консервативное внимание только к наиболее очевидным общим генам и белкам может привести к предвзятости исследователей, что приведет к слишком простой концепции LUCA.

Таким образом, вместо бинарного подхода "вход-выход" Муди и его коллеги вычислили вероятность присутствия данного гена. Сравнивая генетические деревья с деревьями видов, исследователи оценили частоту горизонтального переноса генов, потери генов и других эволюционных процессов, которые могут внести коррективы в картину. В конце процесса они определили вероятность того, что каждый ген был частью генома LUCA.

“Они использовали наилучший подход для одной семьи и расширили его”, - сказал Голдман.

Команда выявила 399 семейств генов с высокой вероятностью присутствия в LUCA, что примерно соответствует консервативному анализу 2016 года. Также объединив вероятности тысяч других семейств генов, они подсчитали, что геном LUCA, вероятно, кодирует около 2600 белков, что делает его похожим по размеру на геномы некоторых современных бактерий.

Учитывая то, что известно об этих белках, “вы получаете представление об этом довольно сложном организме”, - сказал Муди. LUCA, вероятно, существовал без кислорода, преобразуя углекислый газ и водород в энергию. Эти материалы могли поступать из неживых источников, таких как гидротермальные источники или атмосферные газы на поверхности океана.

В качестве альтернативы, LUCA, возможно, питался химическими отходами других существ, что позволяет предположить, что он уже был частью сложной экосистемы с другими микробами. Анализ не может предоставить прямых доказательств такой возможной древней экологии, поскольку следы таких линий давно исчезли. Но маловероятно, что LUCA развил бы сложность в изоляции, утверждают авторы. Поскольку его метаболизм согласуется как с зависимостью от других микробов, так и с потенциальной поддержкой их, LUCA, вероятно, был частью более широкой экосистемы, из которой его род остался единственным выжившим.

По крайней мере, в этой экосистеме были вирусы: Исследователи говорят, что в LUCA, вероятно, содержится 19 генов CRISPR, которые бактерии используют для устранения вирусных угроз.

“Мы склонны думать, что ранняя жизнь в некотором роде проще, менее изощренна... но я не думаю, что есть какие-либо основания так думать”, - сказал Бетул Качар (открывает новую вкладку), биолог-эволюционист из Висконсинского университета в Мэдисоне, который не принимал участия в исследовании. “Сложная экосистема, на мой взгляд, звучит более реалистично”.

Жить может быть проще

Единственный оставшийся след LUCA содержится в генетическом коде каждого живого на сегодняшний день существа. К счастью, исследователи могут использовать основной факт жизни — она эволюционирует — чтобы выяснить, как давно жил LUCA. Гены меняются со временем, и тиканье случайных, но неизбежных мутаций может служить своего рода молекулярными часами. Сравнивая накопленные генетические изменения между двумя линиями, исследователи могут оценить, как давно они разделились.

Исследователи обычно калибруют свои часы по датированным окаменелостям, используя в качестве ориентира родословные, которые откололись от интересующей их точки. Однако летопись окаменелостей начинается значительно позже эпохи LUCA. Чтобы добавить к дереву предлуцкий корень и более точно определить его возраст, исследователи обратились к пяти генам с особенно древней историей. “Это умный способ подтвердить их результаты”, - сказал Голдман.

Основываясь на этих генах, они подсчитали, что LUCA жил около 4,2 миллиарда лет назад — примерно через 300 миллионов лет после того, как Луна образовалась в результате столкновения планеты размером с Марс с Землей. Это было бурное время в истории нашей планеты. Вероятно, потребовалось как минимум 100 или 200 миллионов лет, чтобы планета заселилась настолько, чтобы поддерживать жизнь.

Если эта хронология верна, то у жизни было всего пара сотен миллионов лет, чтобы зародиться и стать достаточно сложной. LUCA и его ранние потомки также пережили бы период, который когда-то считался слишком суровым для жизни, когда Земля постоянно подвергалась бомбардировке астероидами.

Не все ученые верят в то, что LUCA настолько стар. “Очень трудно представить, что LUCA жили до 4 миллиардов лет назад”, - сказал Патрик Фортерре (открывает новую вкладку), бывший руководитель отдела микробиологии в Институте Пастера, который был одним из организаторов конференции, на которой был введен термин “LUCA”. Он утверждает, что Земле потребовалось бы больше времени, чтобы остыть после образования Луны, и он скептически относится к тому, что мы можем точно определить темпы эволюции во времена LUCA.

Тем не менее, 4,2 миллиарда лет примерно соответствуют нескольким другим исследованиям. “Я думаю, что LUCA действительно древний”, - говорит Луис Делайе (открывает новую вкладку), биолог из Cinvestav Irapuato, исследовательского института в Мексике. Но Делайе не совсем уверен, что LUCA был таким сложным, как показало исследование. Он приводит ключевые различия в клеточных мембранах и механизмах репликации ДНК между двумя ветвями, которые отделились от LUCA — бактерий и архей, — в качестве доказательства того, что LUCA, возможно, был несколько проще.

По словам Делайе, для уточнения этой картины микроба, из которого сегодня развилось все живое на Земле, потребуются более детальные исследования отдельных общих генов и белков, чтобы лучше понять их эволюционную функцию. И, в конечном счете, даже идеальная реконструкция биологии LUCA рассказала бы нам лишь о первых химических шагах жизни. “Возможно, если мы продвинемся в этой биологии настолько далеко, насколько это возможно, - сказал он, - химики смогут заполнить пробелы”.

Источник