Согласно выводам авторов исследования, последний универсальный предок всех известных форм жизни (LUCA) изначально не обладал способностью к самостоятельному существованию. Его потомки эволюционировали по двум различным направлениям, что привело к формированию двух отдельных ветвей живых организмов.

Организм или группа организмов, чьи гены присутствуют у всех современных видов – от бактерий и архей (микроорганизмы с уникальной клеточной структурой, отличной от бактериальной) до эукариот, включая человека, считается последним общим предком. Современные научные представления утверждают, что возникновение эукариотов произошло в результате своеобразной «рекомбинации» между бактериями и археями – процесса, более точно описываемого как симбиогенез: крупная архея когда-то проглотилавключила бактерию внутрь своей клетки, не переварив ее. Около десятилетия назад ученые выявили три с половиной сотни генов, общих для всех организмов. Эти гены и были идентифицированы как гены LUCA.

Существование этого предка порождает ряд сложных биологических вопросов. Прежде всего, крайне малое количество этих генов вызывает удивление. Маловероятно, что остальные просто исчезли в процессе эволюции: различные группы потомков LUCA столкнулись с разными условиями окружающей среды, и большинство из его генов могли бы оказаться полезными для них. Сложно представить себе современный свободноживущий организм, обладающий всего лишь около 350 генами. Как существо с таким ограниченным набором генетического материала могло выжить – остается неясным.

Кроме того, установить точный возраст общего предка на основе генетических исследований представляет собой сложную задачу, что вызывает споры относительно некоторых полученных оценок. Разные группы генетиков предлагают различные временные рамки: одни указывают на 4,28 миллиарда лет назад, другие – на 4,5 миллиарда лет назад. Эта последняя цифра практически идентична возрасту Земли, вызывая недоумение у многих специалистов в области биологии.

В настоящее время международная команда ученых предприняла попытку выяснить характеристики метаболизма LUCA и как эти знания могут пролить свет на эволюцию его потомков. Результаты исследования были опубликованы опубликовали в Science Advances.

Исследователи сконцентрировались на ферментах, которые могли бы использоваться LUCA, учитывая состав его генов. Ферменты в живых организмах действуют как катализаторы – вещества, ускоряющие определенные химические процессы, необходимые для жизнедеятельности. Предполагается, что первые формы жизни получали энергию из доступных ресурсов, таких как водород и аммиак. Всего идентифицировано 420 реакций, необходимых для поддержания основных метаболических процессов.

Новое исследование указывает на то, что геном LUCA не содержал инструкций для производства ферментов, необходимых примерно в половине всех метаболических процессов. Без этих ферментов существование было бы невозможно, и следовательно, должна была существовать альтернатива – замена приблизительно половине требуемых катализаторов. Ученые полагают, что эту роль могли выполнять различные металлы, такие как палладий, известный своими свойствами ускорения химических реакций, который был доступен LUCA в древних подводных гидротермальных источниках. Таким образом, метаболизм этого организма на половину зависел не от собственных ферментов, а от каталитических веществ из окружающей среды.

Авторы исследования выдвинули более смелую гипотезу: первоначально все каталитические процессы у первых живых организмов (предшественников LUCA) основывались исключительно на металлах. Всеобщий предок представлял собой существо с комбинированным метаболизмом, где часть реакций ускорялась собственными ферментами, а другая – за счет использования минеральных катализаторов. Лишь впоследствии эволюция привела к формированию метаболических систем, полностью зависящих от ферментов, как это наблюдается у современных организмов, включая бактерии и археи, причём гены, ответственные за эти процессы в этих двух группах, различаются.

Это указывает на то, что бактерии и археи приобрели способность ускорять химические реакции с помощью ферментов уже после того, как они отделились от LUCA. Существуют идентичные метаболические пути, катализируемые разными ферментами у этих двух типов организмов. Авторы исследования интерпретируют это как свидетельство независимого возникновения свободноживущих архей и бактерий. Таким образом, можно говорить о существовании двух отдельных эволюционных линий, отделившихся от общего предка в момент перехода из гидротермального источника в новую среду с ограниченным количеством свободных металлов-катализаторов.

Исследователи также заключили, что дефицит ферментативной системы препятствовал образованию АТФ – основного источника энергии для клеток на современном этапе развития (хотя подобные предположения ранее высказывались и другими научными коллективами). По мнению ученых, энергией LUCA служили фосфиты — соединения фора, образующиеся в гидротермальных средах без участия живых организмов.

В комментариях для СМИ авторы выдвинулиПредставлен достаточно смелый тезис: жизнеспособными являются только свободноживущие клетки. Исходя из этой позиции, LUCA сложно считать полноценным живым существом, поскольку вне его специфической среды он не мог бы поддерживать необходимый уровень метаболизма. Они утверждают о наличии единого генетического происхождения жизни (LUCA), но двух различных путей возникновения — бактериального и архейного. В такой модели универсальный предок утрачивает роль первого живого организма.

Обоснование этого утверждения представляется весьма сомнительным. Возникает вопрос: почему исследователи выбрали способность осуществлять 420 химических реакций посредством ферментов в качестве определяющего признака свободножизненных клеток? Известно, что микроорганизмы при дефиците определенных ресурсов окружающей среды приостанавливают свои метаболические процессы. Аналогичная ситуация наблюдается и у людей – потомков бактерий и архей: прекращение поступления кислорода или воды быстро приводит к остановке их обмена веществ. Недостаток необходимых минеральных элементов в рационе и воде также вызывает нарушение метаболизма, что для человека равносильно смерти. Почему зависимость от металлов, выполняющих роль катализаторов, авторы рассматривают как границу между живым и неживым, а потребность в металлах, участвующих в транспорте кислорода – нет?

Тем не менее, несмотря на возникшие разногласия, данная работа, при условии подтверждения выдвинутых положений будущими исследованиями, может значительно пролить свет на особенности ранних этапов развития жизни на Земле. Если предок всего живого (LUCA) в значительной степени полагался на внешние катализаторы, то относительно небольшое количество его генов становится более логичным объяснением. И возраст возникновения при этом кажется вполне вероятным.