Жизнь на Земле возникала дважды? Ученые сделали революционное открытие

Долгое время считалось, что все многообразие биологических видов на Земле происходит от одного-единственного общего предка, которому удалось полностью сформировать свой метаболизм. Однако новое фундаментальное исследование немецких ученых из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, опубликованное в журнале Science Advances, разрушает этот традиционный условный порядок.

Изучая простейшие химические реакции и структуры метаболических ферментов, биологи пришли к выводу, что две основные линии клеточной жизни – бактерии и археи – достигли свободноживущего состояния совершенно независимо друг от друга. Это открытие заставляет пересмотреть классическую концепцию единого эволюционного "дерева жизни" и демонстрирует удивительную гибкость природы в процессе зарождения биологических процессов, отмечает издание sciencealert.com.

Загадка первоначального метаболизма и парадокс ферментов

Одним из главных вопросов биологии всегда оставалось то, как неживая материя из первоначального химического бульона смогла превратиться в сложные органические системы. Главное отличие живых клеток от неживой природы или вирусов – это наличие метаболизма, то есть совокупности химических реакций для синтеза необходимых молекул и поддержания жизнедеятельности.

Современные биохимические реакции катализируются ферментами – специализированными белками. Однако возникает классический парадокс: сами ферменты являются продуктами метаболических процессов, поэтому первые протоклетки не могли использовать их с самого начала. Для решения этого вопроса учёные проанализировали белковые структуры ключевых ферментов в геномах бактерий и архей, разработав специальный алгоритм для их ранжирования по сложности и хронологии возникновения.

Гидротермальные источники как первые биохимические лаборатории

Ответ на вопрос о возникновении первичных реакций заключается во влиянии внешней среды. Последний универсальный общий предок всех клеток (LUCA) возник в чрезвычайно реактивных условиях, таких как подводные гидротермальные источники. Анализ показывает, что LUCA обладал ферментами лишь для примерно половины необходимых метаболических реакций.

Другая половина биохимических превращений происходила без участия белков: их катализировали металлы, естественным образом содержавшиеся в окружающей среде. Соединения, такие как водород, аммиак, сероводород и углекислый газ, превращались в аминокислоты и другие базовые молекулы благодаря неорганическим катализаторам в горячих минеральных источниках.

Четыре фазы эволюции и разделение линий жизни

Формирование автономного метаболизма проходило четыре последовательных этапа. На первом этапе протоклетки полностью зависели от минералов окружающей среды. По мере накопления полезных молекул полуживые структуры начали самостоятельно синтезировать белки-ферменты, которые постепенно заменяли внешние металлические катализаторы.

Важнейшим открытием исследователей является то, что окончательный переход к полноценному свободноживущему состоянию произошел уже после того, как линии бактерий и архей разделились. Предки этих двух групп независимо друг от друга создали структурно различные ферменты для катализа абсолютно одинаковых биохимических реакций. Таким образом, обе линии нашли свои собственные уникальные решения для преодоления одинаковых метаболических вызовов.

Альтернативная энергетика ранней Земли

Исследование также проливает свет на то, как первобытные организмы получали энергию до появления молекулы АТФ, которая является универсальным источником энергии в современных клетках, но требует сложных ферментов для своего синтеза.

Учёные экспериментально доказали, что фосфит – форма фосфора, распространенная в гидротермальных источниках – в сочетании с металлическими катализаторами (например, палладием) способен обеспечивать реакции метаболического фосфорилирования непосредственно в воде. Это открытие объясняет, как ранний метаболизм мог функционировать в пребиотических условиях без доступа к сложным энергетическим молекулам.

Новое видение эволюционного дерева

Сделанные выводы требуют кардинального пересмотра традиционной модели эволюции. Ранее LUCA представлялся как единый ствол, от которого ответвлялись все существующие организмы.

Согласно новым данным, генетический код действительно имеет общее происхождение, однако метаболическая независимость формировалась параллельно. Это означает, что эволюционное дерево Земли фактически имеет два отдельных ствола, которые разошлись у самого корня – еще до того, как протоклетки стали живыми в современном понимании этого слова.

OBOZ.UA ранее писал, что ученые назвали год исчезновения жизни на планете Земля.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.