Жизнь на Земле могла возникнуть не за один переход от неживой химии к первой клетке. Новое исследование предлагает другой сценарий: задолго до бактерий и архей существовала система, которая уже хранила наследственную информацию, производила белки и проводила часть метаболических реакций, но оставалась привязана к минералам гидротермальных источников. Позже две древнейшие линии клеточной жизни независимо научились поддерживать полный обмен веществ без помощи окружающих пород. При таком сценарии общий генетический код появился один раз, а первые автономные клетки возникли дважды.
В центре работы находится последний универсальный общий предок, или LUCA. Под сокращением понимают общего предка всех современных клеточных организмов. Обычно LUCA реконструируют как очень древнюю и сравнительно простую клетку. Авторы исследования предлагают более раннюю ступень: LUCA еще не мог существовать независимо от окружающей среды и использовал химические свойства морского дна как часть собственного обмена веществ.
Подходящую среду могли создать гидротермальные источники. Морская вода проникает в горячие породы, нагревается за счет геологической активности, вступает с минералами в химические реакции и возвращается на дно уже насыщенной растворенными веществами. В результате рядом с источником постоянно присутствуют энергия, минералы и химические соединения, необходимые для множества реакций. Поэтому глубоководные гидротермальные системы давно входят в число основных кандидатов на место, где могла зародиться земная жизнь.
LUCA, согласно новой модели, уже располагал частью молекулярного инструментария живой клетки. Древняя система могла хранить наследственную информацию и проводить реакции, необходимые для получения энергии. Однако современного набора ферментов у общего предка еще не было. Часть химических превращений вместо белков ускоряли металлы из окружающих минералов. Органическая химия и геология фактически работали вместе: будущая клетка еще не перенесла все необходимые реакции внутрь собственной биохимической системы.
Мысль о зависимости LUCA от окружающей среды появилась раньше. Исследование 2016 года уже указывало, что общий предок мог использовать геохимические процессы вместо части собственных биохимических механизмов. Тогда ученым не хватало экспериментальных данных, позволяющих связать конкретные реакции раннего метаболизма с условиями вокруг гидротермальных источников. Новая работа пытается восстановить недостающие звенья через сравнение генов современных организмов и лабораторные химические эксперименты.
Для реконструкции древней биохимии исследователи сравнили бактерии и археи, два самых древних домена клеточной жизни. У каждой группы есть собственный последний общий предок: последний общий предок бактерий и последний общий предок архей. Ученые проследили, какие гены и метаболические реакции могли присутствовать у предков обеих линий, а затем попытались восстановить еще более ранний набор функций LUCA. Метод называют филогенетической реконструкцией: свойства давно исчезнувших организмов вычисляют по родственным связям и генетическим признакам их потомков.
Особое внимание исследователи уделили метаболизму. Клеточный обмен веществ работает как сеть связанных химических реакций. Организм получает химическую энергию из окружающей среды, запасает ее в подходящих соединениях, расходует запас на другие процессы и возвращает участвующие молекулы в состояние, из которого цикл можно запустить снова. Автономной клетке необходимо самостоятельно поддерживать всю цепочку. Если хотя бы для одного обязательного этапа требуется минерал, находящийся только в конкретной породе, организм остается зависимым от места обитания.
Реконструкция выявила в древних метаболических сетях заметные пробелы. По оценке авторов, у LUCA имелись гены лишь примерно для половины реакций, необходимых позднейшему клеточному метаболизму. Еще важнее различия между бактериями и археями. В ряде случаев обе линии используют разные по строению ферменты для одной и той же обязательной химической реакции. Такое расхождение допускает, что предки бактерий и архей независимо создали собственные белковые решения уже после разделения двух ветвей.
Однако генетическая реконструкция не позволяет автоматически считать каждый отсутствующий фермент доказательством его реального отсутствия у LUCA. Следы очень древних генов могли потеряться настолько сильно, что современные методы уже не способны надежно восстановить исходную последовательность. Возможен и другой путь: общий предок имел один фермент, одна линия сохранила его, а другая позднее заменила белком с тем же назначением. Поэтому вывод о неполном ферментативном метаболизме пока остается гипотезой, которую необходимо проверять другими методами.
Авторы предлагают объяснить пробелы с помощью неорганических катализаторов. Никель, железо, кобальт и палладий способны ускорять химические реакции, причем перечисленные металлы встречаются в минералах гидротермальных систем. До появления соответствующих ферментов металл мог выполнять ту же химическую работу непосредственно в окружающей породе. Позже естественный отбор закреплял белки, которые позволяли проводить реакцию уже внутри клетки и больше не зависеть от конкретного минерала.
Связь между металлами и современным метаболизмом прослеживается до сих пор. Многие ферменты содержат ионы металлов или металлические центры, без которых белок не сможет провести нужную реакцию. Совпадение не доказывает происхождение ферментов от древних минеральных катализаторов, но дает исследователям химический механизм, который можно проверять экспериментально.
Нужные металлы могли накапливаться во время серпентинизации. При серпентинизации вода реагирует с породами земной коры и меняет их минеральный состав. Процесс способен образовывать самородное железо и аваруит, природный сплав железа и никеля, который иногда содержит палладий. На молодой Земле серпентинизация могла происходить чаще и охватывать более доступные участки пород.
Атмосфера молодой планеты содержала очень мало кислорода, поэтому открытые металлы не окислялись с нынешней скоростью. Железо, никель и некоторые сплавы могли дольше сохраняться в химически активном состоянии. Условия повышали вероятность контакта неорганических катализаторов с органическими соединениями возле гидротермальных систем.
Геологическая часть модели пока оставляет серьезную проблему. Серпентинизация в современных системах происходит на глубине нескольких километров под морским дном. Для раннего метаболизма недостаточно самого факта образования железа, никеля или палладия. Необходимо показать, что активные металлы действительно могли попадать из глубины в зону, где шла добиологическая химия, причем в концентрации, достаточной для устойчивых реакций. Пока количество доступного металла в древних гидротермальных системах остается открытым вопросом.
Отдельная загадка касается источника энергии. Современная клетка хранит значительную часть доступной химической энергии в аденозинтрифосфате, или АТФ. Молекула АТФ содержит фосфатные группы и снабжает энергией множество клеточных процессов. Однако для синтеза АТФ современным способом нужны ферменты, которых у реконструированного LUCA, по версии авторов, еще не существовало. Значит, раннему метаболизму требовалась другая энергетическая химия.
Одним из кандидатов оказался фосфит, соединение фосфора, обнаруженное в системах с серпентинизацией. Фосфит лучше растворяется в воде, чем фосфат, поэтому его уже рассматривали как возможный источник фосфора для добиологической химии. В лабораторных опытах авторы новой работы проверили еще одно необходимое звено и показали, что металлический палладий способен катализировать реакции фосфита, имеющие отношение к метаболическим процессам.
Гипотеза с фосфитом требует дополнительного объяснения. Современные микроорганизмы возле гидротермальных источников в основном используют фосфат. Если древние системы начинали с фосфита, эволюционная история должна объяснить переход на фосфат и причину, по которой старый путь практически не сохранился даже в подходящих современных условиях. Новая работа ответа пока не дает.
Еще сложнее разобраться с белками. Фермент состоит из аминокислот, соединенных в строго заданной последовательности. Современные организмы хранят инструкции по сборке белков в ДНК. Клеточная молекулярная машина считывает генетическую информацию и собирает аминокислотную цепочку в соответствии с записанным кодом. Без системы хранения и считывания информации устойчивое производство одинаковых ферментов невозможно.
Авторы считают, что информационная система появилась раньше полностью автономного обмена веществ. LUCA уже мог использовать нуклеиновые кислоты, близкие по назначению к ДНК или РНК, и располагать механизмом синтеза белков. Генетический код при этом должен был соответствовать базовому принципу, которым пользуются современные организмы: определенные последовательности нуклеотидов задают определенные аминокислоты. Иначе бактерии и археи вряд ли унаследовали бы общий способ перевода генетической информации в белок.
Сценарий помогает иначе поставить старый вопрос о первенстве генов или метаболизма. Полноценная клеточная система сталкивается с логическим кругом. Для обмена веществ нужны ферменты, инструкции по сборке ферментов хранят гены, а копирование и обслуживание генетического материала требует энергии и химических реакций. Зависимость от минералов позволяет разорвать круг: генетическая система и биохимия могли усложняться параллельно, пока часть реакций обеспечивала окружающая геологическая среда.
Следующий этап начался после появления собственных ферментов и кофакторов. Кофакторами называют небольшие небелковые компоненты, которые помогают ферментам проводить химические реакции. Накопив достаточный набор ферментов и кофакторов, предки бактерий и архей получили замкнутый метаболизм и перестали зависеть от металлических катализаторов конкретного гидротермального источника. Каждая линия достигла автономности своим путем.
Отсюда и возникает идея двух независимых появлений клеточной жизни. Если считать живым организмом автономную клетку, способную сама поддерживать обмен веществ, LUCA находился еще перед этой границей. Общая система хранения генетической информации возникла раньше разделения бактерий и архей, а полностью самостоятельный метаболизм сформировался отдельно в каждой ветви. Поэтому авторы говорят об одном происхождении генетического кода и двух переходах к автономной жизни.
Новая схема не требует внезапного появления готовой клетки со всем современным набором биохимических механизмов. Сначала геохимическая среда могла ускорять часть реакций. Параллельно развивалась система наследования и появлялись первые белковые катализаторы. Затем ферменты постепенно заменяли минералы, а метаболическая сеть становилась все менее зависимой от конкретного участка морского дна. Полная клеточная автономность возникла уже после длительной химической и биологической эволюции.
При этом LUCA не следует считать плохо собранной клеткой, которой не хватало нескольких деталей до современного состояния. Зависимая от минералов система могла прекрасно работать в своей среде. Эволюция не двигалась к заранее заданной цели. Собственные ферменты давали преимущество лишь потому, что позволяли использовать больше сред обитания и меньше зависеть от наличия конкретных металлических катализаторов.
Существует и другая трактовка различий между древними бактериями и археями. Последний универсальный общий предок мог не предшествовать двум линиям как отдельная клеточная форма. Предки бактерий и архей могли некоторое время сосуществовать с различающимися системами генетического кодирования, обмениваться генетическим материалом и постепенно прийти к общему коду. При таком сценарии LUCA обозначает стадию эволюции, после которой обе ветви уже использовали совместимую систему записи генетической информации. Пока версия остается альтернативой основной модели.
Исследование поэтому переносит внимание с поиска одной даты рождения жизни на последовательность конкретных этапов. Ученым предстоит выяснить, когда появился генетический код, как возникли первые белки, какие метаболические реакции могли идти на поверхности минералов, каким образом ферменты заменяли металлические катализаторы и когда клетки получили полностью автономный обмен веществ. Отдельной проверки требуют доступность активных металлов возле древних гидротермальных источников и предполагаемая роль фосфита.
Предлагаемая картина заметно отличается от сценария, где жизнь начинается со случайно появившейся самокопирующейся молекулы в первичном химическом бульоне. Гидротермальная модель допускает более постепенную последовательность: минералы морского дна сначала выполняли часть функций будущего метаболизма, генетическая система уже позволяла передавать информацию и производить белки, а ферменты со временем перенесли необходимые реакции внутрь клеток. После завершения перехода бактерии и археи смогли поддерживать собственную биохимию без постоянной помощи окружающей породы.