Най-ясната досега картина на нашия „последен универсален общ прародител“ показва, че той е бил сравнително сложен организъм, живял преди 4,2 милиарда години - свят, който дълго време се смяташе за твърде суров за развитие на живота.
Ако проследите която и да е родословна линия достатъчно далеч назад, ще стигнете до една и съща точка. Независимо дали започвате от горилите, дърветата гинко или бактериите, които живеят дълбоко в недрата на Земята - или от самите нас - всички пътища водят до ЛУКА - LUCA, „последния универсален общ предшественик“ (last universal common ancestor). Този древен, едноклетъчен организъм (или, вероятно, популация от едноклетъчни организми) е бил прародител на всяка разнообразна форма, която днес води живот на нашата планета.
LUCA не е първоизточникът на живота - моментът, в който някаква алхимия е счупила молекулите във форма, позволяваща самовъзпроизвеждане и всички механизми на еволюцията. По-скоро това е моментът, в който животът, какъвто го познаваме, е започнал да съществува. LUCA е най-отдалечената точка в еволюционната история, която можем да видим, като се върнем назад от това, което е живо днес. Това е най-скорошният предшественик, който се споделя от целия съвременен живот“ - нашата колективна линия, проследена до една древна клетъчна популация или организъм.
„Това не е първата клетка, не е първият микроб, не е първото нещо, наистина“, посочва Грег Фурние (Greg Fournier), еволюционен биолог в Масачузетския технологичен институт. „В известен смисъл това е краят на историята за произхода на живота."
Все пак опознаването на LUCA - дали е бил прост или сложен и колко бързо се е появил след възникването на живота - може да помогне да се отговори на някои от най-съкровените ни въпроси за това откъде идваме и дали сме сами във Вселената.
„[LUCA] разказва нашата собствена история“, коментира Едмънд Муди (Edmund Moody), еволюционен биолог от Бристолския университет. „Тя ни дава отправна точка, от която можем да погледнем още по-назад."
В продължение на половин век биолозите са се фокусирали върху различни видове физиологични, геномни и фосилни доказателства, за да пресъздадат портретите на LUCA, които понякога се разминават драматично. През 2024 г. Муди и екип от интердисциплинарни изследователи, включително геолози, палеонтолози, специалисти по системно моделиране и филогенетици, обединяват знанията си, за да изградят вероятностен модел, който реконструира общия предшественик на съвременния живот и оценява кога е живял.
Анализът, публикуван в Nature Ecology and Evolution през юли, очертава изненадващо сложна картина на клетката. Според проучването LUCA се храни с водороден газ и въглероден диоксид, има геном, голям колкото този на някои съвременни бактерии, и вече е разполагал с рудиментарна имунна система. Авторите твърдят, че геномната сложност на LUCA предполага, че е била една от многото линии - останалите вече са изчезнали - живели преди около 4,2 милиарда години - бурно време в началото на историята на Земята, което дълго време се смяташе за твърде сурово за развитие на живота.
Според Аарон Голдман (Aaron Goldman), който изучава молекулярната еволюция на ранния живот в колежа „Оберлин“ и не е участвал в новото изследване, анализът стига до две заключения, които изглеждат в противоречие едно с друго.
„Първото е, че LUCA е бил сложен клетъчен организъм, който вероятно е живял в сложна екологична среда“, посочва Голдман. „Второто е, че LUCA датира от време, което е твърде ранно в историята на Земята."
Резултатите биха могли да означават, че животът е еволюирал от прост репликатор в нещо, наподобяващо съвременните микроби, забележително бързо, заявява Голдман. „Това е наистина вълнуващо."
Портрет на нашата прародителска клетка. Преди повече от 4 милиарда години е живяла клетка, от която произлиза всеки жив организъм на Земята — нашият „последен универсален общ прародител“ или LUCA. Наскоро учените създадоха най-сложната негова реконструкция досега. Кредит: Quanta magazine
„Нашата работа предполага, че тези ранни стъпки на еволюцията не са били трудни; те са доста лесни“, отбелязва съавторът Фил Донохю (Phil Donoghue), еволюционен биолог в Бристолския университет. „Ако се интересувате от произхода на живота от микробен клас, то той очевидно е много лесен и би трябвало да е доста разпространен във Вселената."
Не всички експерти в областта обаче са съгласни с това. Някои твърдят, че няколкостотин милиона години не са достатъчни за развитието на сложен живот. Авторите подчертават, че техният анализ е първи опит да се обрисува по-пълна, макар и размита, картина на LUCA. „Напълно очаквам и се надявам хората да докажат, че грешим в някои аспекти“, заявява Муди, водещ автор на статията, особено ако тези нови резултати предложат по-ясна представа за древния предшественик на целия познат ни живот.
Вероятностен портрет
Не е лека задача да се разгадае природата на същество, живяло толкова отдавна, въз основа на откъслечни и предполагаеми доказателства. Микроскопичните вкаменелости могат да помогнат на изследователите да извървят част от пътя, но най-старите следи от живот датират едва отпреди около 3,5 милиарда години, вероятно много след като е живял LUCA. Остава да се изследват потомците на LUCA. „Начинът за изучаване на LUCA е да сравним разнообразието от гени, физиологии и метаболизми днес и след това да работим назад“, обяснява Фурние, който не е участвал в новата работа.
През 70-те години на миналия век - доста преди геномната ера - изследователите смятат, че последният общ предшественик на всичко живо (все още неназован LUCA) е бил доста примитивен (https://doi.org/10.1007/BF01796132), репликираща се единица, която се още не е усвоила способността да превръща гените в протеини. Но с напредването на технологията за генетично секвениране и с появата на повече геноми изследователите успяват да намират общи гени сред много различни организми, за да направят извод кои от тях са най-древните и запазени във времето.
Така започва работата на екипа на Муди. Те построяват еволюционно дърво, представящо взаимоотношенията между 350 живи бактериални вида и 350 архаични вида. След това анализирали еволюционната история на близо 10 000 генни семейства, споделяни от тези видове, за да създадат еволюционно дърво за всеки ген.
ЛУКА вероятно се е хранел с водород и минерали от подводните вулкани. Кредит NOAA Pmel EOI Program
Когато се сравняват две близкородствени генни линии, естествено е да се заключи, че всеки общ генетичен материал би присъствал в техния общ прародител. Този извод обаче се усложнява с все по-дълбокото навлизане във времето. Ако един от гените на LUCA изчезне в някои по-късни линии, може да изглежда, че той е еволюирал наскоро. Също така ген, еволюирал дълго време след LUCA, може да се е разпространил сред несвързани линии чрез процес, наречен хоризонтален пренос на гени; в този случай генетичният анализ ще изглежда така, сякаш нещо, възникнало много по-късно, е произлязло от LUCA.
„Има много еволюционни процеси, които могат да попречат на получаването на ясен сигнал“, обяснява Голдман.
Един от начините да се изолира сигналът от еволюционния шум е да се изберат само гени и протеини, които показват малко доказателства за хоризонтален трансфер на гени. Най-известният подобен анализ от 2016 г. предполага, че LUCA е сравнително проста структура (https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.116), която е само „наполовина жива“, зависеща от геохимията на хидротермалните извори за енергия. Подобно консервативно съсредоточаване само върху най-очевидно общите гени и протеини обаче може да подведе изследователите, което да доведе до твърде проста концепция за LUCA, посочва Донахю.
LUCA вероятно е била част от по-широка екосистема, от която нейната линия е била единствената оцеляла.
Така че вместо бинарен подход, при който има или няма, Муди и колегите му са изчислили вероятността даден ген да присъства. Сравнявайки дърветата на гените с дърветата на видовете, изследователите оценяват степента на хоризонталния трансфер на гени, загубата на гени и други еволюционни процеси, които биха могли да объркат картината. В края на процеса те определят вероятността всеки ген да е бил част от генома на LUCA.
„Те са използвали най-добрия подход за едно семейство и са го разширили“, смята Голдман.
Екипът идентифицира 399 генни семейства с голяма вероятност да са били в LUCA, брой, който приблизително съответства на консервативния анализ от 2016 г. Интегрирайки също така вероятностите на хиляди други генни семейства, те изчисляват, че геномът на LUCA вероятно е кодирал около 2600 протеина - което го прави сходен по размер с геномите на някои съвременни бактерии.
Като се има предвид това, което е известно за тези протеини, „получаваме картина на един доста сложен организъм“, коментира Муди. LUCA вероятно е съществувал без кислород, като е преобразувал въглеродния диоксид и водородния газ в енергия. Тези ресурси може да са идвали от неживи източници, като хидротермални извори или атмосферни газове на повърхността на океана.
Освен това LUCA може да се е хранил с химическите отпадъци на други същества, което предполага, че той вече е бил част от сложна екосистема с други микроби. Анализът не може да предостави преки доказателства за тази възможна древна екология, тъй като следите от такива линии отдавна са изчезнали. Но е малко вероятно LUCA да е развил сложност в изолация, твърдят авторите. Тъй като метаболизмът му съответства както на разчитане на други микроби, така и на потенциална подкрепа за тях, LUCA вероятно е бил част от по-широка екосистема, от която неговата линия единствена е оцеляла.
Дигитална илюстрация на това как LUCA вече е била атакуван от вируси дори преди 4,2 милиарда години. Кредит: Science Graphic Design/University of Bristol
Най-малкото тази екосистема е съдържала вируси: Изследователите твърдят, че в LUCA вероятно са се намирали 19 гена CRISPR, които бактериите използват, за да унищожават вирусните заплахи.
„Склонни сме да мислим, че ранният живот е някак си по-прост, по-малко сложен ... но не мисля, че има някаква причина да мислим така“, отбелязва Бетюл Качар (Betül Kaçar), еволюционен биолог от Университета на Уисконсин, Медисън, който не е участвал в изследването. „Една сложна екосистема за мен звучи по-реалистично."
Животът може да е лесен
Единствената останала следа от LUCA е в генетичния код на всяко живо същество днес. За щастие изследователите могат да използват един основен факт за живота - той еволюира - за да разберат колко отдавна е живял LUCA. Гените се променят с течение на времето, а тиктакането на случайните, но неизбежни мутации може да служи като своеобразен молекулярен часовник. Като сравняват натрупаните генетични промени между две линии, изследователите могат да преценят преди колко време са се разделили.
Обикновено изследователите калибрират часовниците си с датирани вкаменелости, като използват за сравнение линии, които са се разделили преди интересуващия ги момент. Вкаменелостите обаче започват доста след времето на LUCA. За да добавят корен отпреди LUCA към дървото и да определят по-точно възрастта му, изследователите се обръщат към пет гена с особено древна история.
„Това е хитър начин да се подобрят резултатите им“, посочва Голдман.
Въз основа на тези гени те изчисляват, че LUCA е живял преди около 4,2 милиарда години - приблизително 300 милиона години след образуването на Луната в резултат на сблъсъка на планета с размерите на Марс със Земята. Това е било бурно време в историята на нашата планета. Вероятно са били необходими минимум 100 или 200 милиона години, за да се успокои планетата достатъчно, за да поддържа живот.
Ако тази хронология е вярна, животът е имал само няколкостотин милиона години, за да се появи и да стане доста сложен. LUCA и неговите ранни потомци трябва да са оцелели и в периода, смятан някога за твърде суров за живота, когато Земята е била непрекъснато бомбардирана от астероиди.
Анализът предполага, че LUCA има основните компоненти на съвременните клетки. LUCA по-късно еволюира в бактерии (от последния бактериален общ предшественик или LBCA), археи (от последния археен общ предшественик или LACA) и еукариоти, включително хора (от последния еукариотен общ прародител или LECA). Кредит: Wikimedia Commons
Не всички учени са убедени, че LUCA е толкова стар.
„Много е трудно да си представим, че LUCA е живял преди 4 милиарда години“, коментира Патрик Фортер (Patrick Forterre), бивш ръководител на отдела по микробиология в Института „Пастьор“, който е съорганизатор на конференцията, на която е създаден терминът „LUCA“.
Той твърди, че Земята е имала нужда от повече време, за да се охлади след образуването на Луната, и е скептичен, че можем да направим точна оценка на темповете на еволюция по времето на LUCA.
Все пак 4,2 млрд. години са приблизително в съответствие с няколко други анализа. „Мисля, че LUCA е наистина древен“, заявява Луис Делайе (Luis Delaye), биолог в Cinvestav Irapuato, изследователски институт в Мексико. Но Делайе не е напълно убеден, че LUCA е бил толкова сложен, колкото е установено в проучването. Той посочва ключови разлики в клетъчните мембрани и механизмите за репликация на ДНК между двата клона, отделили се от LUCA - бактерии и археи - като доказателство, че LUCA може да е бил малко по-прост.
Според Делайе, за да се очертае по-ясно тази картина на микроба, от който е еволюирало всичко живо на Земята днес, са необходими по-подробни изследвания на отделните общи гени и протеини, за да се разбере по-добре тяхната еволюционна функция. И в крайна сметка дори перфектната реконструкция на биологията на LUCA ще ни каже само толкова за първите химически стъпки на живота.
„Може би, ако придвижим тази биология дотам, докъдето можем да стигнем“, добавя Делайе, „химиците ще могат да запълнят празнините."
Справка: 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 8, 1654–1666 (2024). https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1
Източник: All Life on Earth Today Descended From a Single Cell. Meet LUCA., Quanta magazine
