Древние микроорганизмы показали, что жизнь появилась в гидротермальной среде

Вопрос «как именно началась жизнь?» являет собой одну из величайших загадок современной науки. В то время как большинство ученых считает, что все формы жизни развились от общего примитивного древнего микроорганизма, на этом детали обрываются. Какого рода генами обладала эта форма жизни и где проживала? Новое исследование, опубликованное в Nature Microbiology, проливает свет на происхождение и развитие этого древнего организма.

Опытные ученые, заинтересованные в происхождении жизни, обычно решают эту проблему двумя различными способами. Один из них — это подход снизу вверх, когда они пытаются представить, как давно появилась жизнь, а затем воссоздать основные этапы ее зарождения в лаборатории. Альтернативный подход — сверху вниз — заключается в анализе и «обрубании» современных клеток, чтобы упростить их и вывести ключевые этапы в эволюции сложности клетки.

Информатики, которые пытаются решить этот вопрос, эксплуатируют огромные объемы данных, появившиеся в результате революции — секвенировании ДНК. Она наводнила ученых информацией о геномах организмов, от бактерий до людей. В них может скрываться информация о последовательностях ДНК примитивных клеток — первых клеток на планете, которые использовали современный генетический код — которые были переданы через миллиарды поколений.

«Последним универсальным общим предком» гипотетически является одна из самых первых клеток, от которой произошла вся жизнь на Земле. Отношения между этим предком и современными организмами часто визуализируются в виде эволюционных деревьев, первые известные примеры которых идут еще от Чарльза Дарвина.

Секвенирование ДНК обеспечивает прекрасную и высоко количественную меру генетической связанности, которая пронизывает всю биологию. Один и тот же код из четырех оснований А, C, G и T используют практически все организмы на планете. Поэтому, в принципе, его можно было бы использовать для построения эволюционных деревьев всей жизни. Мы знаем, что определенные гены существовали на заре клеточной жизни и были унаследованы всеми последующими формами жизни. За четыре миллиарда лет, копии, например, одного небольшого гена 16S rRNA постепенно менялись в процессе случайных мутаций в отдельных родословных, которые привели к разным формами жизни. Из этого следует, что у каждой из них есть характерная последовательность, которая будет похожей у недавно развившихся организмов, но все больше отличаться в родословных, которые появлялись раньше на эволюционном отрезке.

Первые анализы этих «универсальных» последовательностей ДНК, проведенные около 30 лет назад, привели к серьезным изменениям в нашей оценке разнообразия жизни на Земле, и особенно — разнообразия одноклеточных организмов без ядер (прокариот). Они также выделили целый новый домен прокариотической жизни, который нынче называется археями.

Попытки разработать поистине универсальные деревья, которые будут определять происхождение всех современных клеток от их последних универсальных предков, ограничивались рядом технических проблем. Одна из проблем состоит в большом числе групп, которые отделялись друг от друга с самого начала жизни. Более того, бактерии также могут обмениваться генами между собой, из-за чего сложнее определить их происхождение.

Водородоеды?

В рамках нового исследования ученые использовали хитроумный передовой метод организации секвенированных генов прокариот в семьи. Затем поискали сходства и закономерности по всем бактериальным группам и обнаружили небольшой набор генов, который присутствовал как у архей, так и у бактерий. Ученые смогли показать, что эти гены, вероятнее всего, были унаследованы напрямую от общего предка и не были получены в процессе обмена.

Этот результат имеет важное значение, поскольку определяет конкретные группы бактерий (клостридий) и архей (метаногенов), которые несут ранние версии этих генов, и указывает, что они очень древние и могут быть похожи на самые первые организмы, которые привели к появлению отдельных родословных бактерий и архей.

Что еще более важно, природа генов, которые сохранились, рассказывает удивительную историю о среде, в которой жил их последний предок — включая и то, как он получал энергию. Исследование показывает, что мир, населенный этими организмами четыре миллиарда лет назад, сильно отличался от нашего. Доступного кислорода в нем не было, но если верить генам, общий предок получал энергию из водорода, производимого, по всей видимости, геохимической активностью земной коры. «Инертные» газы, включая диоксид углерода и азот, предоставляли основные строительные блоки для производства всех клеточных структур. Железо было доступно в изобилии, а отсутствие кислорода не превращало его в нерастворимую ржавчину, поэтому этот элемент использовался ферментами в первой клетке. Некоторые из генов, как полагают, участвовали в адаптации к высоким температурам, что говорит о другом: организмы развивались в гидротермальной среде — похожей на современные гидротермальные жерла или горячие источники, где до сих пор с удовольствием обитают бактерии.

К сожалению, не имея машины времени, мы не можем непосредственно проверить эти результаты. Но такая информация представляет большой интерес, особенно для ученых, которые пытаются воссоздать формы примитивной жизни. Подумать страшно, что наши первые предки (самые первые) вполне обходились без кислорода.