Анализ на 420 химични реакции показва, че бактериите и археите вероятно са достигнали самостоятелен клетъчен живот по различни пътища

Как и къде е възникнал животът на Земята? Ново изследване на международен екип учени предлага необичаен отговор. Според резултатите бактериите и археите може да са достигнали до състоянието на свободно живеещи клетки независимо едни от други, съобщава Science Daily.

Изследването е ръководено от биолози от Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф и е публикувано в научното списание Science Advances. Учените са анализирали геноми, структури на белтъци и химични реакции, за да реконструират най-ранните етапи от развитието на клетъчния метаболизъм.

Резултатите сочат, че преди около 4 милиарда години на Земята може да са се развивали два различни типа примитивни клетки - предшественици на съвременните бактерии и археи.

„Бихме видели два много различни типа клетки, които се появяват - първите бактерии и първите археи, които правят първите си опити за живот извън пределите на хидротермалния извор“, казва Наталия Мрнявац от Университета „Хайнрих Хайне“, водещ автор на изследването.

Метаболизмът преди появата на съвременните клетки

Изследователите са разгледали цялата мрежа от химични реакции, чрез които клетките произвеждат основни компоненти на живота. Сред тях са аминокиселини, азотни бази за РНК и витамини.

Мрежата включва общо 420 химични реакции. Според учените самите реакции са изключително древни и са запазени в различните форми на живот в степен, сравнима с генетичния код.

Ензимите, които днес катализират тези реакции, обаче не са еднакво запазени при бактериите и археите.

Това е ключово наблюдение. Според екипа последният универсален общ предшественик на всички клетки, известен като LUCA, е разполагал с ензими само за около половината от тези реакции. Останалите вероятно са били подпомагани от метали в околната среда.

„Изненадата е, че ензимите, които катализират тези реакции, не са запазени през еволюционната граница, която разделя бактериите и археите“, казва Уилям Мартин от Университета „Хайнрих Хайне“, старши автор на изследването.

Това означава, че ранният метаболизъм вероятно е зависел много повече от околната среда, отколкото метаболизмът на съвременните клетки.

Металите са могли да заменят ензимите

Хидротермалните извори на морското дъно съдържат различни метали с каталитични свойства. Според учените те са могли да изпълняват част от функциите, които днес се извършват от ензими.

„Металите, които естествено се срещат в хидротермалните извори, могат да заменят изненадващо голям брой ензими в метаболизма“, казва Хару́н Тюйсюз, неорганичен химик от Института „Макс Планк“ за изследване на въглищата и IMDEA Materials Institute в Мадрид.

„Колкото по-внимателно разглеждаме данните, толкова по-ясно виждаме, че ранната биохимична еволюция е била хибрид от ензимни и метални катализатори“, казва Джоузеф Моран от Университета на Отава.

Изследователите описват четири етапа в развитието на биологичната катализа. Първоначално реакциите вероятно са били задвижвани изцяло от метали. След това е настъпил период, в който металите и първите ензими са работили заедно.

По-късно бактериите и археите са поели по различни еволюционни пътища. Във всяка линия нови ензими постепенно са заменяли неорганичните катализатори от околната среда.

Бактериите и археите са развили едни и същи функции по различен начин

Една от най-интересните находки е свързана с ензимите. Учените са открили случаи, при които предшествениците на бактериите и археите независимо са развили структурно различни ензими за извършването на една и съща основна метаболитна реакция.

„Виждаме случаи, при които предците на бактериите и археите независимо са развили структурно различни ензими, за да катализират една и съща основна метаболитна реакция“, казва Мрнявац.

Според учените тези паралелни еволюционни процеси може да са помогнали на двете линии да станат по-малко зависими от химията на хидротермалните извори. Така постепенно те са могли да се превърнат в независими свободно живеещи клетки.

Откъде е идвала енергията?

Изследването разглежда и друг основен проблем - откъде първите метаболитни системи са получавали необходимата енергия.

Днешните клетки използват широко ATP за задвижване на метаболитните процеси. ATP обаче е сложна молекула и нейното производство зависи от ензими. Затова учените търсят механизъм, който е можел да съществува преди появата на ATP-базираната енергийна система. Екипът посочва възможна роля на паладия. Този метал се среща естествено в хидротермални среди и има силни каталитични свойства.

Учените са установили, че фосфит - форма на фосфора, която може да се среща в хидротермалните извори - реагира с органични съединения в присъствието на паладий. При тези условия се получават реакции, свързани с метаболитното фосфорилиране.

„Когато реагираме фосфит, форма на фосфора, която естествено се среща в хидротермалните извори, с органични съединения, получаваме реакции на метаболитно фосфорилиране за една нощ във вода. Фосфитът и паладият заместват ATP и ензимите. Това е невероятно и прави ранната еволюция много по-лесна за разбиране“, казва Манон Шликер от екипа в Дюселдорф.

Този механизъм може да обясни как някои от първите метаболитни реакции са получавали необходимата енергия, преди да се появят съвременните системи за производство и използване на енергия в клетките.

Математически модел подрежда 420 реакции

Пълната мрежа от 420 реакции е изключително сложна. Едни и същи химични съединения участват в множество процеси.

За да реконструират развитието на метаболизма, професор Майк Стийл от Университета на Кентърбъри в Нова Зеландия и професор Даниел Хузон от Университета в Тюбинген са разработили метод за анализ на сложни мрежи.

Той позволява реакциите да бъдат подредени от най-простите към най-сложните. Получената последователност може частично да отразява реда, в който тези реакции са се появили в ранната биологична еволюция.

„Първият въпрос е дали съществува единствен ред за тези реакции. След като успяхме да докажем, че такъв ред съществува, алгоритъмът за подреждането им стана приложим“, казва Стийл.

Един произход на генетичния код, но два произхода на живота

Според учените най-важното следствие от изследването е свързано с момента, в който бактериите и археите са станали независими клетки.

Те смятат, че двете линии не са извършили този преход едновременно. Вместо това всяка от тях вероятно е достигнала до свободно живеещо състояние по собствен еволюционен път.

„Новите данни ни оставят само с едно заключение. Бактериалната и архейната линия са направили прехода към свободно живеещото състояние независимо една от друга. Само свободно живеещите клетки са живи. Нека го наречем с истинското му име: виждаме един произход на генетичния код, но два произхода на живота“, казва Мартин.

Това не означава, че учените са доказали два напълно независими момента на възникване на живота. Данните по-скоро сочат към сценарий, при който един общ предшественик е дал началото на две линии, които независимо са придобили способност за самостоятелен живот.

Бактериите и археите са двете древни основни линии сред прокариотите - клетъчни организми без клетъчно ядро. Еукариотите, към които принадлежат растенията, животните и хората, се характеризират със сложни клетки с ядро.

Много бактерии и археи могат да оцеляват при екстремни температури и в силно кисела или алкална среда. Част от тях обитават районите около хидротермални извори на океанското дъно.

Именно тези среди са сред основните кандидати за мястото, където може да е започнала историята на живота на Земята.