Раскрывая тайны LUCA: путь к пониманию зарождения жизни на Земле благодаря ДНК

Поиски истоков жизни на Земле, стремление разгадать тайну зарождения первого организма, из которого возникло всё многообразие живых существ -это не даёт покоя учёным уже долгие десятилетия!

В центре этого исследования находится LUCA (Last Universal Common Ancestor) — последний универсальный общий предок. Его гены до сих пор присутствуют во всех организмах - от бактерий до синих китов и человека.

Ранее представления учёных о LUCA были размыты. Считалось, что это был примитивный организм, способный лишь на простейшее самокопирование.

Однако новое международное исследование изменило наше понимание этого древнего предка! Всё изменилось благодаря ДНК!
Учёные реконструировали предполагаемый геном LUCA - для этого они использовали сложные математические модели и учли различные факторы, влияющие на эволюцию генов.

Оказалось, что геном LUCA был удивительно сложным для своего времени, насчитывая около 2600 генов, кодирующих белки. Это свидетельствует о том, что в геноме LUCA уже были заложены основы для всего будущего биологического разнообразия. И это несмотря на его микроскопические размеры!

Кроме того, учёные выяснили, что LUCA жил гораздо раньше, чем считалось ранее — примерно 4,2 миллиарда лет назад. Не самое спокойное время для нашей планеты! Именно тогда происходила интенсивная геологическая активность и постоянные метеоритные бомбардировки Земли.
Удивительно, что жизнь могла зародиться и достигнуть такого уровня сложности в столь неблагоприятных условиях! Это заставляет по-новому взглянуть на способность жизни к адаптации и выживанию.

Предположительно, LUCA жил в древнем океане, омывавшем молодую Землю. У него нашли ДНК, отвечающие за защиту от ультрафиолетового излучения. Кроме того, LUCA, вероятно, использовал водород в качестве основного источника энергии, что типично для примитивных микроорганизмов.

Также ученые предположили, что наш прародитель не был единственным организмом в океане ранней Земли. Просто именно он передал свои гены всем последующим поколениям живых существ.

Не забудем и про то, что реконструкция событий такой давности — сложная задача, возможности ошибок никто не исключает. Но значимость проделанной уже работы - огромна! Чем больше исследователи будут узнавать о тайнах прошлого, тем больше шансов узнать о зарождении жизни на нашей Земле!

Пояснения к картинке:

a Представление LUCA, основанное на реконструкции содержимого генов наших предков.
Было сделано предположение, что:
названия генов, выделенных черным цветом, присутствуют в LUCA ниже самого строгого порога (PP = 0,75, выборка в обоих доменах);
те, которые выделены серым цветом, присутствуют при наименее строгом пороге (PP = 0,50, без требования присутствия в обоих доменах).

b LUCA в контексте древа жизни.
Ветви на древе жизни, которые сегодня оставили потомков - окрашены в черный цвет, а те, которые не оставили потомков - в серый.
Как общий предок существующей клеточной жизни, LUCA является старейшим узлом, который может быть реконструирован с помощью филогенетических методов. Она должна была разделить раннюю Землю с другими линиями (выделенными бирюзовым цветом), которые не оставили потомков среди образцов клеточной жизни сегодня. Тем не менее, эти линии, возможно, оставили след в современных организмах, перенеся гены в отобранное древо жизни (красные линии) до их исчезновения.

c хемоавтотрофный метаболизм LUCA, вероятно, зависел от газообмена с ближайшим окружением для получения органического углерода (CОрг) через ацетогенез, а также, возможно, запустил метаболизм в обратном направлении.

d LUCA в контексте ранней экосистемы.
Командир2 и H2 который подпитывал вероятно ацетогенный метаболизм LUCA, мог происходить как из геохимических, так и из биотических факторов. Органическое вещество и ацетат, произведенные LUCA, могли создать нишу для других метаболизмов, в том числе тех, которые перерабатывают CO2 и H2 (как в современных отложениях).

e LUCA в контексте системы Земля.
Ацетогенный LUCA мог быть ключевой частью как поверхностных, так и глубоких (хемо)автотрофных экосистем, питаемых H2. Если бы метаногены также присутствовали, водород выделялся бы в виде CH4 в атмосферу, в пересчете на H2 фотохимией и, таким образом, возвращается на поверхность экосистемы, повышая ее продуктивность. Ferm., ферментация

Автор: Moody, E.R.R., Álvarez-Carretero, S., Mahendrarajah, T.A. et al. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nat Ecol Evol (2024).https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com