Самая чёткая на сегодняшний день картина нашего «последнего универсального общего предка» свидетельствует о том, что это был относительно сложный организм, живший 4,2 миллиарда лет назад, в эпоху, которая долгое время считалась слишком суровой для процветания жизни. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Кто был «последним общим предком» всей жизни на Земле? LUCA, возможно, уже обладал основными компонентами современных клеток около 4,2 миллиарда лет назад.
Введение
Если вы проследите любую родословную достаточно далеко в прошлое, вы придёте к одной и той же точке. Начнёте ли вы с горилл, деревьев гинкго или бактерий, живущих глубоко в недрах Земли, — или, если уж на то пошло, с вас самих, — все дороги ведут к ЛУКЕ, «последнему универсальному общему предку». Этот древний одноклеточный организм (или, возможно, популяция одноклеточных организмов) был прародителем всех разнообразных форм, которые сегодня живут на нашей планете.
LUCA не символизирует зарождение жизни, момент, когда некая химическая алхимия придала молекулам форму, позволившую саморепликацию и все механизмы эволюции. Скорее, это момент зарождения жизни в том виде, в котором мы её знаем. LUCA — это самая дальняя точка в истории эволюции, которую мы можем заглянуть, двигаясь назад от того, что живёт сегодня. Это самый поздний общий предок всей современной жизни, наша общая родословная восходит к единой древней клеточной популяции или организму.
«Это не первая клетка, это не первый микроб, это вообще ничего не первое, на самом деле», — сказал Грег Фурнье, биолог-эволюционист из Массачусетского технологического института. «В каком-то смысле это конец истории происхождения жизни».
Тем не менее, понимание LUCA — был ли он простым или сложным, и как быстро он появился после зарождения жизни — может помочь ответить на некоторые из наших самых глубоких вопросов о том, откуда мы произошли и одиноки ли мы во Вселенной.
«[LUCA] рассказывает нашу собственную историю», — сказал Эдмунд Муди, биолог-эволюционист из Бристольского университета. «Он даёт нам точку, с которой мы можем заглянуть ещё дальше в прошлое».
На протяжении полувека биологи концентрировались на различных физиологических, геномных и ископаемых данных, чтобы нарисовать портреты LUCA, которые порой кардинально противоречат друг другу. В 2024 году Муди и команда междисциплинарных исследователей, включая геологов, палеонтологов, специалистов по системному моделированию и филогенетических специалистов, объединили свои знания для создания вероятностной модели, которая реконструирует общего предка современной жизни и оценивает время его существования.
Анализ, опубликованный в журнале Nature Ecology and Evolution в июле, обрисовал удивительно сложную картину клетки. Согласно исследованию, LUCA питался водородом и углекислым газом, обладал геномом такого же размера, как геном некоторых современных бактерий, и уже обладал рудиментарной иммунной системой. Сложность его генома, утверждают авторы, позволяет предположить, что LUCA была одной из многих линий (остальные к настоящему времени вымерли), живших около 4,2 миллиарда лет назад, в неспокойное время на относительно раннем этапе истории Земли, долгое время считавшееся слишком суровым для процветания жизни.
Эдмунд Муди, исследователь из Бристольского университета, возглавлявший новое исследование, использует филогенетический анализ для изучения древнейших ветвей древа жизни.
По словам Аарона Голдмана, изучающего молекулярную эволюцию ранней жизни в Оберлинском колледже и не участвовавшего в новом исследовании, анализ приводит к двум выводам, которые, по всей видимости, противоречат друг другу. «Первый заключается в том, что LUCA был сложным клеточным организмом, вероятно, обитавшим в сложной экологической обстановке», — сказал он. «Второй заключается в том, что LUCA относится к довольно раннему периоду истории Земли». Результаты могут означать, что жизнь удивительно быстро эволюционировала от простого репликатора во что-то, напоминающее современных микробов, сказал он. «Это действительно интересно».
«Наша работа показывает, что эти ранние этапы эволюции не были сложными; они довольно просты», — сказал соавтор Фил Донохью, биолог-эволюционист из Бристольского университета. «Если вас интересует происхождение жизни микробного уровня, то это, по-видимому, очень просто, и это должно быть довольно распространённым явлением во Вселенной».
Однако не все эксперты в этой области согласны с этим. Некоторые утверждают, что нескольких сотен миллионов лет недостаточно для развития сложной жизни. Авторы подчёркивают, что их анализ — это первая попытка нарисовать более полную, пусть и нечёткую, картину LUCA. «Я полностью ожидаю и надеюсь, что люди докажут нашу неправоту в некоторых аспектах», — сказал Муди, ведущий автор статьи, особенно если эти новые результаты дадут более чёткое представление о древнем предке всей известной нам жизни.
Вероятностный портрет
Разгадать природу существа, жившего так давно, на основе фрагментарных, основанных на выводах данных — задача не из лёгких. Микроскопические окаменелости могут помочь исследователям отчасти, но древнейшие следы жизни датируются всего лишь примерно 3,5 миллиардами лет назад, вероятно, гораздо позже жизни LUCA. Это оставляет нам возможность изучать потомков LUCA. «Чтобы изучать LUCA, нужно сравнить разнообразие генов, физиологии и метаболизма сегодня, а затем двигаться в обратном направлении», — сказал Фурнье, не участвовавший в новой работе.
В 1970-х годах, задолго до геномной эры, исследователи считали, что последний общий предок всей жизни (ещё не получивший названия LUCA) был довольно примитивным, реплицирующимся организмом, ещё не овладевшим способностью транслировать гены в белки. Но по мере развития технологий генетического секвенирования и появления новых геномов исследователи получили возможность искать общие гены у множества различных организмов, чтобы определить, какие из них являются наиболее древними и сохранившимися во времени.
Именно так начала работать команда Moody's. Они построили эволюционное древо, отражающее родственные связи между 350 современными видами бактерий и 350 видами архей. Затем они проанализировали эволюционную историю почти 10 000 семейств генов, общих для этих видов, чтобы создать эволюционное древо для каждого гена.
Фил Донохью, биолог-эволюционист из Бристольского университета, изучает основные эволюционные переходы, объединяя живые и ископаемые свидетельства.
Когда мы сравниваем две близкородственные генные линии, естественно заключить, что любой общий генетический материал должен был присутствовать у их общего предка. Однако этот вывод становится более сложным по мере того, как вы углубляетесь во времени. Если один из генов LUCA исчез в каких-то более поздних линиях, может показаться, что он эволюционировал позже. С другой стороны, ген, который эволюционировал намного позже LUCA, мог распространиться среди неродственных линий посредством процесса, известного как горизонтальный перенос генов; в этом случае генетический анализ создаст впечатление, что что-то, возникшее гораздо позже, произошло от LUCA. «Существует множество эволюционных процессов, которые могут помешать четкому сигналу», — сказал Голдман.
Один из способов отделить сигнал от эволюционного шума — выбрать только гены и белки, демонстрирующие мало признаков горизонтального переноса генов. Наиболее известный анализ такого рода, проведённый в 2016 году, показал, что LUCA — относительно простая структура, существующая лишь «наполовину», энергетическая зависимость которой зависит от геохимии гидротермальных источников. Однако, по словам Донохью, столь консервативный подход, сосредоточенный только на наиболее очевидно общих генах и белках, может привести к предвзятости исследователей и к слишком упрощённому представлению о LUCA.
Итак, вместо бинарного подхода «внутри-вне», Муди и его коллеги вычислили вероятность присутствия данного гена. Сравнивая генные деревья с деревьями видов, исследователи оценили скорость горизонтального переноса генов, потери генов и других эволюционных процессов, которые могли исказить картину. В конце процесса они присвоили каждому гену вероятность его присутствия в геноме LUCA.
«Они взяли лучший подход для отдельной семьи и масштабировали его», — сказал Голдман.
Группа исследователей выявила 399 семейств генов с высокой вероятностью присутствия в геноме LUCA, что примерно соответствует данным консервативного анализа 2016 года. Интегрируя вероятности тысяч других семейств генов, они подсчитали, что геном LUCA, вероятно, кодирует около 2600 белков, что делает его сопоставимым по размеру с геномами 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 ресурсы могли поступать из неживых источников, таких как гидротермальные источники или атмосферные газы на поверхности океана.
В качестве альтернативы, LUCA мог питаться химическими отходами других существ, что позволяет предположить, что он уже был частью сложной экосистемы с другими микробами. Анализ не может предоставить прямых доказательств этой возможной древней экологии, поскольку следы таких линий давно исчезли. Однако, по мнению авторов, маловероятно, что LUCA эволюционировал бы до уровня сложности в изоляции. Поскольку его метаболизм согласуется как с зависимостью от других микробов, так и с потенциальной поддержкой их существования, LUCA, вероятно, был частью более широкой экосистемы, из которой его линия была единственной выжившей.
По крайней мере, в этой экосистеме содержались вирусы: исследователи утверждают, что LUCA, вероятно, содержал 19 генов CRISPR, которые бактерии используют для уничтожения вирусных угроз.
«Мы склонны считать, что ранняя жизнь была чем-то проще, менее сложной… но я не думаю, что для этого есть основания», — сказал Бетюль Качар, биолог-эволюционист из Висконсинского университета в Мадисоне, не принимавший участия в исследовании. «Сложная экосистема, на мой взгляд, звучит более реалистично».
Жить может быть легко
Единственный сохранившийся след LUCA находится в генетическом коде каждого современного существа. К счастью, исследователи могут использовать основополагающий факт жизни — она эволюционирует — чтобы определить, 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 точки отсчёта линии, ответвившиеся до интересующей точки. Однако палеонтологическая летопись начинается гораздо позже эпохи LUCA. Чтобы добавить к дереву корень, существовавший до LUCA, и точнее определить его возраст, исследователи обратились к пяти генам с особенно древней историей. «Это умный способ подкрепить свои результаты», — сказал Голдман.
На основании этих генов они установили, что LUCA жил около 4,2 миллиарда лет назад — примерно через 300 миллионов лет после образования Луны в результате столкновения планеты размером с Марс с Землёй. Это был бурный период в истории нашей планеты. Вероятно, потребовалось как минимум 100 или 200 миллионов лет, чтобы планета достаточно успокоилась и стала поддерживать жизнь.
Если эта временная шкала верна, у жизни было всего несколько сотен миллионов лет, чтобы зародиться и стать достаточно сложной. LUCA и её ранние потомки также пережили период, когда-то считавшийся слишком суровым для жизни, когда Земля постоянно подвергалась бомбардировке астероидами.
Не все учёные верят в то, что LUCA настолько древний. «Очень сложно представить, что LUCA существовал ранее 4 миллиардов лет назад», — сказал Патрик Фортер, бывший руководитель отдела микробиологии в Институте Пастера, один из организаторов конференции, на которой был придуман термин «LUCA». Он утверждает, что Земле потребовалось бы больше времени для остывания после образования Луны, и сомневается, что мы можем точно определить темпы эволюции во времена LUCA.
Тем не менее, возраст в 4,2 миллиарда лет примерно соответствует результатам нескольких других анализов. «Я думаю, что LUCA действительно древний», — сказал Луис Делайе, биолог из исследовательского института Cinvestav Irapuato в Мексике. Однако Делайе не полностью убеждён, что LUCA был настолько сложным, как показало исследование. Он приводит ключевые различия в клеточных мембранах и механизме репликации ДНК между двумя ветвями, отделившимися от LUCA — бактериями и археями — как доказательство того, что LUCA мог быть несколько проще.
По словам Делая, для уточнения картины микроба, от которого произошло всё живое на Земле, потребуются более детальные исследования отдельных общих генов и белков, чтобы лучше понять их эволюционную функцию. В конечном счёте, даже идеальная реконструкция биологии LUCA расскажет нам лишь ограниченное количество информации о первых химических этапах жизни. «Возможно, если мы продвинемся в этом направлении до конца, — сказал он, — химики смогут заполнить пробелы».
Источник: www.quantamagazine.org
