Фактите, че вие, аз или което и да е друго живо същество изобщо сме тук, са поредица от удивителни късмети, простиращи се назад в продължение на повече от 4 милиарда години.
Едно от най-големите препятствия беше именно първото: Как животът е възникнал от първичната супа от материя, която определено не е била жива?
Радикално ново изследване, публикувано в Science Advances, показва, че този малко вероятен праг може би всъщност е бил преминат не веднъж, а два пъти.
Два от основните клонове на живота – бактериите и археите – може независимо един от друг да са разгадали тайните на метаболизма, което ги е надградило от нежива в жива материя. Това твърди новото изследване, фокусирано върху най-елементарния набор от химични реакции, за които се смята, че са активирали тази трансформация.
Големият пропуск: НАСА може би е подминала признаци за извънземен живот
„Изненадата е, че ензимите, които катализират тези реакции, не са запазени от другата страна на еволюционното деление, разделящо бактериите и археите“, казва Уилям Мартин, биолог от Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф, Германия.
„Новите данни оставят само едно заключение. Линиите на бактериите и археите са преминали към свободно живеещо състояние независимо една от друга. Само свободно живеещите клетки са живи“, казва Уилям Мартин.
„Нека го кажем с истинското му име: виждаме един произход на генетичния код, но два произхода на живота“, казва Уилям Мартин.
Озадачени учени намериха хламидия в Арктическия океан
Това е огромно твърдение, особено имайки предвид, че дефинирането на това какво изобщо представлява „животът“ може да бъде изключително трудно.
Общо казано, за живот се смята материя, която реагира на средата си, абсорбира енергия, расте и се възпроизвежда.
Това звучи така, сякаш трябва да покрива основите, но дори толкова общо твърдение е несъвършено. В крайна сметка вирусите могат да правят повечето от тези неща, но традиционно не се смятат за „живи“.
Един аспект на живота, който е универсален – и който липсва при вирусите – е метаболизмът: мрежата от химични реакции, които организмите използват за създаване на молекули, жизненоважни за ежедневното им функциониране.
„Може би всички ние сме марсианци“ – учени доказаха, че животът може да „прескача“ между планетите
Ензимите са основните работни протеини, които действат като катализатори за тези реакции в организмите, но това повдига странния въпрос за кокошката и яйцето.
Самите ензими са продукти на химични реакции – тогава как първите форми на живот са започнали да метаболизират вещества (включително да произвеждат ензими) без помощта на други ензими?
Отговорът, изглежда, се крие в заобикалящата ги среда.
Общоприето е вярването, че първият живот е възникнал в изключително реактивни среди, като например хидротермалните извори. Металите, които се срещат естествено на тези места, може да са били първите катализатори за метаболизма, превръщайки съединения като водороден газ, амоняк и въглероден диоксид в други полезни молекули.
Мистерията е разкрита: Учени откриха неочакван източник на метан в океана
„Голяма част от нещата около произхода на метаболизма са обект на спорове, включително ролята на енергията, генетиката, автокатализата, фосфатите, кофакторите, цианида, CO2 и водата“, пишат Мартин и колегите му в своята научна публикация.
„Но по един аспект всички ще се съгласят: мрежата от около 400 реакции, която превръща H2, CO2, NH3, H2S и фосфатите в аминокиселини, бази и кофактори, не е могла да възникне за един миг“, казва Уилям Мартин.
„Нейната поява от спонтанни реакции в средата е трябвало да премине през междинни етапи на сглобяване, които досега бяха уплътнени в загадка“, допълва той.
Изследователите са проучили протеиновите структури на основните метаболитни ензими в геномите на бактериите и археите и са разработили метод и алгоритъм за подреждането им по сложност. Оттам те са успели да определят кои от тях са се развили първи и са сглобили приблизителна хронологична линия.
Учени откриха „трето състояние“ на живот след смъртта
Началната смес от съединения е показана отляво; те се превръщат чрез метаболизъм в градивните елементи на живота. 420-те ензимни реакции са представени като кръгове, а химическите метаболити – като ромбове; линии свързват реакциите, които споделят метаболити. Кръговете, оцветени в лилав нюанс, показват реакции, които биха могли да бъдат катализирани от неорганични съединения в средата, където е възникнал метаболизмът на първите клетки. (Източник: HHU / Надя Хофман)
„Открихме, че последният универсален общ прародител на всички клетки, LUCA, е притежавал ензими само за около половината от метаболитните реакции“, казва Мартин и добавя:
„Другата половина е била катализирана от металите в средата, където възниква LUCA“.
Екипът е установил, че най-вероятно е имало четири различни фази в развитието на катализата (управляваните от ензими реакции). Първата е разчитала единствено на металите в средата.
След като са се натрупали достатъчно полезни молекули, протоклетките, които все още не са били напълно живи (включително LUCA), са започнали да развиват свои собствени ензими, които са поели част от функциите на тези метални катализатори.
С течение на времето по-късните протоклетки са развивали все повече ензими, намалявайки зависимостта си от външните метали, докато напълно не са престанали да се нуждаят от тях. Едва в този момент те са можели да се считат за „свободно живеещи клетки“.
Важно е да се отбележи, според изследователите, че това се е случило едва след като бактериите и археите вече са се разделили. Тези два клона са открили свои собствени начини за справяне с едни и същи проблеми.
„Виждаме случаи, при които предците на бактериите и археите са развили независимо един от друг структурно различни ензими, за да катализират една и съща жизненоважна метаболитна реакция“, казва Наталия Мрнявац, биолог от Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф.
„Такива паралелни изобретения са могли да павират пътя към независимото появяване на свободно живеещите бактерии и археи“, казва Наталия Мрнявац.
Изследването може също да попълни друга празнина в разбирането ни за произхода на живота.
Молекула, наречена АТФ (аденозинтрифосфат), днес е жизненоважен източник на енергия за подхранване на метаболизма – но тя също се произвежда от ензими и не е била налична в пребиотичната химия. Изследователите казват, че са идентифицирали алтернатива.
„Когато реактивираме фосфит, форма на фосфор, която естествено се среща в хидротермалните извори, с органични съединения, получаваме метаболитни фосфорилиращи реакции за една нощ във вода“, казва Манон Шликер, учен по молекулярна еволюция в Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф.
„Фосфитът и паладият заместват АТФ и ензимите; това е невероятно и прави ранната еволюция много по-лесна за разбиране“, казва Манон Шликер.
Все пак от ключово значение за химичните реакции е средата, в която те се случват, а учените все още нямат ясна представа за това. Вода ли е била тя, или лепкава слуз?
Ако констатациите бъдат потвърдени с последващи изследвания, изглежда, че дървото на живота, както си го представяме, може да се нуждае от актуализация. Свикнали сме да мислим за LUCA като за „ствола“ на дървото, от който се разклоняват всички останали форми на живот, минали и настоящи.
Но може би е имало два напълно отделни ствола, които първо са се разклонили още в корените, преди технически дори да са били живи.
Изследването е публикувано в списанието Science Advances.
