Життя на Землі виникало двічі? Вчені зробили революційне відкриття

Тривалий час вважалося, що все різноманіття біологічних видів на Землі походить від одного-єдиного спільного предка, який зумів повністю сформувати свій метаболізм. Проте нове фундаментальне дослідження німецьких науковців з Університету Генріха Гейне в Дюссельдорфі, опубліковане в журналі Science Advances, руйнує цей традиційний уявний порядок.

Вивчаючи найпростіші хімічні реакції та структури метаболічних ферментів, біологи дійшли висновку, що дві основні лінії клітинного життя – бактерії та археї – досягли вільноживучого стану абсолютно незалежно одна від одної. Це відкриття змушує переглянути класичну концепцію єдиного еволюційного "дерева життя" та демонструє дивовижну гнучкість природи під час зародження біологічних процесів, зазначає видання sciencealert.com.

Загадка первісного метаболізму та парадокс ферментів

Одним із головних питань біології завжди залишалося те, як нежива матерія з первісного хімічного бульйону змогла перетворитися на складні органічні системи. Головна відмінність живих клітин від неживої природи чи вірусів – це наявність метаболізму, тобто сукупності хімічних реакцій для синтезу необхідних молекул та підтримки життєдіяльності.

Сучасні біохімічні реакції каталізуються ферментами – спеціалізованими білками. Проте виникає класичний парадокс: самі ферменти є продуктами метаболічних процесів, тому перші протоклітини не могли використовувати їх від самого початку. Для розв'язання цього питання вчені проаналізували білкові структури ключових ферментів у геномах бактерій і архей, розробивши спеціальний алгоритм для їхнього ранжування за складністю та хронологією виникнення.

Гідротермальні джерела як перші біохімічні лабораторії

Відповідь на питання про виникнення первинних реакцій полягає у впливі зовнішнього середовища. Останній універсальний спільний предок усіх клітин (LUCA) виник у надзвичайно реактивних умовах, таких як підводні гідротермальні джерела. Аналіз показує, що LUCA володів ферментами лише для приблизно половини необхідних метаболічних реакцій.

Інша половина біохімічних перетворень відбувалася без участі білків: їх каталізували метали, що природним чином містилися в навколишньому середовищі. Сполуки на кшталт водню, аміаку, сірководню та вуглекислого газу перетворювалися на амінокислоти й інші базові молекули завдяки неорганічним каталізаторам у гарячих мінеральних джерелах.

Чотири фази еволюції та розділення ліній життя

Формування автономного метаболізму проходило чотири послідовні етапи. На першому етапі протоклітини повністю залежали від мінералів середовища. По мірі накопичення корисних молекул напівживі структури почали самостійно синтезувати білки-ферменти, які поступово замінювали зовнішні металеві каталізатори.

Найважливішим відкриттям дослідників є те, що остаточний перехід до повноцінного вільноживучого стану відбувся вже після того, як лінії бактерій та архей розділилися. Предки цих двох груп незалежно створили структурно відмінні ферменти для каталізу абсолютно однакових біохімічних реакцій. Таким чином, обидві лінії знайшли власні унікальні рішення для подолання однакових метаболічних викликів.

Альтернативна енергетика ранньої Землі

Дослідження також проливає світло на те, як первісні організми отримували енергію до появи молекули АТФ, яка є універсальним джерелом енергії в сучасних клітинах, але вимагає складних ферментів для свого синтезу.

Науковці експериментально довели, що фосфіт – форма фосфору, поширена в гідротермальних джерелах – у поєднанні з металевими каталізаторами (наприклад, паладієм) здатний забезпечувати реакції метаболічного фосфорилювання безпосередньо у воді. Це відкриття пояснює, як ранній метаболізм міг функціонувати в пребіотичних умовах без доступу до складних енергетичних молекул.

Нове бачення еволюційного дерева

Зроблені висновки вимагають кардинального перегляду традиційної моделі еволюції. Раніше LUCA уявлявся як єдиний стовбур, від якого відгалузилися всі наявні організми.

Згідно з новими даними, генетичний код справді має спільне походження, проте метаболічна незалежність формувалася паралельно. Це означає, що еволюційне дерево Землі фактично має два окремі стовбури, які розійшлися біля самого коріння – ще до того, як протоклітини стали живими у сучасному розумінні цього слова.

OBOZ.UA писав раніше, що науковці назвали рік зникнення життя на планеті Земля.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.