Жизнь на Земле могла возникнуть из неживой материи сразу дважды

Фото из открытых источников

Сам факт нашего существования — это череда удивительных случайностей, история которых насчитывает более 4 миллиардов лет.  Одной из самых больших трудностей была самая первая: как жизнь возникла из первобытного бульона из веществ, которые по своей сути не были живыми?

Новое радикальное исследование, опубликованное в журнале Science Advances, предполагает, что этот маловероятный порог мог быть преодолен не один, а два раза.

Согласно исследованию, две основные линии жизни — бактерии и археи — возможно, независимо друг от друга разгадали секреты метаболизма, которые позволили им перейти от неживой формы к живой, и которое сосредоточилось на самом элементарном наборе химических реакций, которые, как считается, обеспечивают эту трансформацию.

«Удивительно, что ферменты, катализирующие эти реакции, не сохраняются на эволюционном рубеже, разделяющем бактерии и археи», — говорит Уильям Мартин из Университета имени Генриха Хайне в Дюссельдорфе, Германия. «Новые данные позволяют сделать лишь один вывод. Бактериальные и археальные линии независимо друг от друга перешли в свободноживущее состояние. Живыми остаются только свободноживущие клетки. Давайте назовем это по имени: мы рассматриваем одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни».

Это очень смелое заявление, особенно учитывая, что определить, что вообще представляет собой жизнь, может быть на удивление сложно.

В общем, под жизнью понимается материя, которая реагирует на окружающую среду, поглощает энергию, растет и размножается.

Кажется, это должно охватывать основные моменты, но даже такое общее утверждение несовершенно. В конце концов, вирусы могут делать большинство из этого, но традиционно не считаются «живыми» организмами.

Один из универсальных аспектов жизни, которого нет у вирусов, — это метаболизм, совокупность химических реакций, которые организмы используют для создания молекул, жизненно важных для их повседневного функционирования.

Ферменты — это белки, которые являются основными катализаторами этих реакций в организмах, но это поднимает странный вопрос о курице и яйце.

Сами ферменты являются продуктами химических реакций — так как же первые формы жизни начали метаболизировать вещества, в том числе производить ферменты, без помощи других ферментов?

Ответ, по всей видимости, кроется в их окружении.

Принято считать, что первая жизнь зародилась в чрезвычайно реактивных средах, таких как гидротермальные источники. Металлы, встречающиеся в природе в таких местах, могли быть первыми катализаторами метаболизма, превращая такие соединения, как водород, аммиак и углекислый газ, в другие полезные молекулы.

«Практически все аспекты происхождения метаболизма являются предметом дискуссий, включая роль энергии, генетики, автокатализа, фосфата, кофакторов, цианида, CO2 и воды», — пишут Мартин и его коллеги в своей статье. «Однако в одном все согласятся: сеть из примерно 400 реакций, которая превращает H₂ , CO₂, NH₃ , H₂S и фосфат в аминокислоты, основания и кофакторы, не могла возникнуть мгновенно. Его возникновение в результате спонтанных реакций окружающей среды должно было пройти через промежуточные стадии сборки, которые ранее оставались труднодостижимыми».

Исследователи изучили белковые структуры основных метаболических ферментов в геномах бактерий и архей и разработали метод и алгоритм для упорядочивания их по сложности. На основе этого они смогли определить, какие из них эволюционировали в каком порядке, и составить приблизительную хронологию.

«Мы обнаружили, что последний универсальный предок всех клеток, LUCA, обладал ферментами лишь примерно для половины реакций метаболизма», — говорит Мартин. «Вторая половина процесса была катализирована металлами, содержащимися в окружающей среде, где возник LUCA».

Команда исследователей обнаружила, что в развитии катализа (реакций, управляемых ферментами) существует, вероятно, четыре различных фазы. Первая фаза полностью зависела от металлов, присутствующих в окружающей среде.

Как только накопилось достаточное количество полезных молекул, еще не совсем живые протоклетки (включая LUCA) могли начать развивать собственные ферменты, выполнявшие некоторые функции этих металлических катализаторов.

Со временем у более поздних протоклеток развивалось все больше ферментов, что снижало их зависимость от внешних металлов, пока они полностью в них не нуждались. Только тогда их можно было считать «свободноживущими клетками». 

Важно отметить, как говорят исследователи, что это произошло лишь после разделения бактерий и архей. Эти две ветви нашли свои собственные способы решения одних и тех же проблем.

«Мы можем наблюдать случаи, когда предки бактерий и архей независимо друг от друга развили структурно различные ферменты для катализа одной и той же важной метаболической реакции», — говорит Наталья Мрнявац из Университета имени Генриха Хайне в Дюссельдорфе. «Подобные параллельные изобретения могли бы проложить путь к независимому появлению свободноживущих бактерий и архей».

Данное исследование может также восполнить еще один пробел в нашем понимании происхождения жизни.

Молекула под названием АТФ в настоящее время является жизненно важным источником энергии для поддержания метаболизма, но она также вырабатывается ферментами и не была доступна в пребиотической химии. Исследователи утверждают, что они нашли альтернативу.

«Когда мы взаимодействуем фосфитом, формой фосфора, которая естественным образом встречается в гидротермальных источниках, с органическими соединениями, мы получаем метаболические реакции фосфорилирования, происходящие в воде в течение ночи», — говорит Манон Шликкер из Университета имени Генриха Хайне в Дюссельдорфе. «Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты; это удивительно, и это значительно упрощает понимание ранней эволюции».

Однако решающее значение для химических реакций имеет среда, в которой они происходят, и у ученых до сих пор нет четкого представления об этом. Была ли это вода или липкая масса?

Если эти выводы подтвердятся дальнейшими исследованиями, то, похоже, древо жизни в том виде, в каком мы его себе представляем, нуждается в обновлении. Мы склонны рассматривать LUCA как «ствол» этого древа, от которого отходят все остальные формы жизни, прошлые и настоящие.

Но, возможно, существовали два совершенно отдельных ствола, которые впервые разошлись у корней, еще до того, как они технически стали живыми.