4,2 миллиарда лет назад: встречайте LUCA, прародителя всего живого

Попытки заглянуть в колыбель земной жизни, разгадать тайну зарождения первого организма, из которого проросло все многообразие живых существ — задача, не дающая покоя ученым уже не одно десятилетие. В центре этого квеста — LUCA, последний универсальный общий предок, тот самый, чьи гены хранят в себе и бактерии, и гигантские синие киты, и мы с вами.

Долгое время наши представления о LUCA напоминали размытые очертания на старинной фотографии. Ученые предполагали, что это был примитивный организм, едва ли способный на нечто большее, чем элементарное самокопирование. Однако недавнее исследование, проведенное международной группой ученых, перевернуло привычные представления о нашем далеком предке.

Используя сложные математические модели и учитывая множество факторов, влияющих на эволюцию генов, ученые смогли реконструировать предполагаемый геном LUCA. Результаты оказались ошеломляющими: вместо примитивного набора генов, LUCA обладал удивительно сложной для своего времени генетической архитектурой. 2600 генов, кодирующих белки — таков был арсенал этого микроскопического организма, в чьем геноме уже тогда были заложены основы для всего будущего биологического

Но и это еще не все. Анализ генома позволил предположить, что LUCA существовал гораздо раньше, чем считалось до сих пор — около 4,2 миллиарда лет назад. Это время — всего несколько мгновений по геологическим меркам после формирования самой планеты — эпоха бурных геологических процессов и беспощадной метеоритной бомбардировки. То, что жизнь могла не просто зародиться, а достичь такого уровня сложности в столь неблагоприятных условиях, заставляет по-новому взглянуть на феномен жизни и ее удивительную способность к адаптации.

Результаты исследования показывают, что LUCA жил около 4,2 млрд лет с 95% доверительным интервалом, охватывающим 4,09-4,33 млрд лет в модели ILN (оранжевый) и 4,18-4,33 млрд лет в модели GBM (бирюзовый). При перекрестном подходе узлы, соответствующие одним и тем же видовым дивергенциям (т. е. зеркальные узлы), имеют одинаковую апостериорную временную плотность. На этом рисунке показаны соответствующие апостериорные временные плотности зеркальных узлов для последних универсальных, архейных, бактериальных и эукариотических общих предков (LUCA, LACA, LBCA и LECA, соответственно); последний общий предок митохондриальной линии (Mito-LECA); и последний пластидный общий предок (LPCA). Фиолетовые звезды обозначают узлы, откалиброванные по окаменелостям. Arc, Архея; Bac, бактерии; Euk, Эукария.
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

Исследователи предполагают, что колыбелью LUCA стал древний океан, омывавший молодую Землю. Об этом свидетельствуют, в частности, гены, отвечающие за защиту от губительного ультрафиолетового излучения. Анализ генома также указывает на то, что LUCA, вероятно, использовал водород как основной источник энергии.

Важно отметить, что LUCA, скорее всего, не был одиноким странником в безбрежном океане ранней Земли. Ученые полагают, что он был частью целой экосистемы примитивных организмов, большинство из которых, к сожалению, не оставили после себя прямых потомков.

a, Представление LUCA, основанное на реконструкции содержимого генов наших предков. Было сделано предположение, что названия генов, выделенные 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, окрашены в серый цвет. 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

Разумеется, реконструкция событий такой давности — дело непростое, и авторы исследования не исключают возможности ошибок. Однако, даже если какие-то детали окажутся неточными, это не умаляет значимости проделанной работы.

Исследование LUCA — это не просто поиск корней на древе жизни. Это попытка понять саму суть жизни, ее невероятную способность к выживанию и трансформации. И по мере того, как мы будем проникать все глубже в тайны прошлого, мы будем все ближе к пониманию того, как на нашей планете зародилось величайшее из чудес — чудо жизни.