В традиционном представлении последний универсальный общий предок (LUCA) считается первичным бактериоподобным организмом. Но в концепции дюссельдорфской группы LUCA был полубиологической гибридной системой, сформировавшейся в микропорах глубоководных щелочных гидротермальных источников так называемых белых курильщиков.
Возможно, жизнь на Земле зарождалась дважды
Эволюционный биолог Билл Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе и его коллеги представили доказательства того, что жизнь на Земле могла зарождаться дважды. Ученые утверждают, что две древнейшие ветви древа жизни возникли независимо из единого источника, который сам по себе еще не являлся живым организмом.
Белый курильщик, Эйфуку, Япония. Википедия
Загадка происхождения жизни волнует ученых со времен Чарльза Дарвина, предложившего в 1871 году гипотезу о «теплой маленькой луже». Но окончательный ответ до сих пор остается неуловимым. Возможно, как предполагает команда исследователей в новой работе, мы задавали неправильный вопрос.
«Древо жизни», нарисованное в записных книжках Чарльза Дарвина примерно в июле 1837 года, предполагает наличие единого общего предка у его корня, обозначенного (1). Но согласно новой работе единого предка не было.
Каталитические функции в этой системе выполняли не сложные белковые ферменты, а простые самородные металлы (железо, никель, кобальт, палладий), образовавшиеся в результате геологического процесса (серпентинизации). Работа опубликована в журнале Science Advances. Соавтор работы Джозеф Моран подчеркивает: «Ранняя биохимическая эволюция представляла собой гибрид работы ферментов и металлических катализаторов».
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Математический анализ метаболических сетей показал, что у LUCA отсутствовала почти половина генов, предназначенных для производства ферментов. В результате предки бактерий и архей независимо друг от друга достраивали недостающие ферменты для аналогичных метаболических реакций. Как отмечает соавтор исследования Натали Менавац: «Предки бактерий и архей независимо выработали структурно различные ферменты для катализа одной и той же ключевой реакции». Когда минеральные «костыли» были заменены собственными белками, две независимые линии вырвались из гидротермальных пор в открытый океан.
Минеральная мембрана и бесплатная батарейка
Семейства белков возникли независимо друг от друга в доменах бактерий и архей. Приведены пять примеров независимого происхождения структурно несвязанных семейств белков: (A) AlaDH, (B) шикимат-киназа, (C) 3-дегидрохинатодегидратаза, (D) 2-амино-4-гидрокси-6-гидроксиметил-дигидроптеридин-дифосфокиназа и (E) рибофлавин-синтаза. Структура археи обозначена красным цветом, структура бактерии — синим, а между ними показана схема катализируемой реакции.
Модель щелочных гидротермальных источников разрешает фундаментальный тупик биохимии, связанный с возникновением клеточной оболочки. Современная липидная мембрана требует сложных белковых насосов; без них она просто изолирует клетку, и клетка умирает. У полубиологического LUCA первой «мембраной» служила сама горная порода — микроскопические поры из сульфидов железа и никеля.
Вместо затрат энергии на накачку протонов LUCA использовал естественный геохимический градиент: щелочной поток из недр (pH 9–11) встречался с кислой водой древнего океана (pH 5–6) через тонкие минеральные стенки. Эта разность потенциалов работала как природная батарейка. Тот факт, что бактерии и археи обладают принципиально разными типами мембранных липидов и ферментов их синтеза, подтверждает: собственную «живую» броню они изобрели независимо, уже после разделения.
Загружаем