Первые бактерии и археи могли научиться жить независимо друг от друга. К такому выводу учёные пришли после анализа 420 химических реакций, с помощью которых клетки производят аминокислоты, основания РНК, витамины и другие необходимые вещества. Последний общий предок бактерий и архей, вероятно, располагал ферментами лишь для половины этой сети. Остальные реакции ускоряли металлы из окружающей среды.
Исследование касается периода около четырёх миллиардов лет назад, когда ранние клетки ещё зависели от гидротермальных источников . Горячая вода проходила через земную кору, взаимодействовала с горными породами и приносила водород, углекислый газ, аммиак, соединения фосфора и металлы. В такой среде простые вещества накапливались и вступали в реакции.
Метаболизмом называют сеть химических превращений, которая снабжает клетку энергией и создаёт необходимые ей вещества. Современные организмы проводят большинство этих реакций с помощью ферментов, то есть белков-катализаторов. Без них многие процессы шли бы слишком медленно для поддержания жизни.
Учёные изучили всю основную сеть раннего метаболизма, а не отдельные реакции. В неё вошли 420 превращений, начинающихся с молекулярного водорода, аммиака и углекислого газа. В результате образуются аминокислоты для белков, основания РНК и витамины, необходимые для работы ферментов. Сами реакции почти одинаковы у бактерий и архей и сохранились на протяжении всей истории клеточной жизни.
Однако белки, которые ускоряют эти реакции, часто сильно различаются у двух групп. Сравнение геномов и пространственной структуры ферментов показало, что бактерии и археи нередко используют разные белки для одного и того же химического превращения. Значит, последний универсальный общий предок , или LUCA, имел собственные ферменты лишь для части метаболической сети.
LUCA расшифровывается как Last Universal Common Ancestor. Под этим названием понимают не первую живую клетку, а древнюю популяцию, от которой унаследовали основные признаки все современные клеточные организмы. У LUCA уже существовали генетический код, белковый синтез и часть метаболизма, но некоторые реакции всё ещё зависели от окружающей среды.
Недостающие ферменты заменяли неорганические катализаторы. Металлы из гидротермальных источников могли помогать молекулам разрывать старые химические связи и образовывать новые. Ранняя биохимия поэтому сочетала белковые ферменты и минеральные катализаторы.
Такая модель объясняет, как метаболизм мог работать до появления полного набора белков. Для производства фермента клетке нужны другие ферменты, которые считывают генетическую информацию, собирают белок и создают вспомогательные молекулы. Готовая система не могла возникнуть сразу. Металлы поддерживали часть реакций, пока эволюция постепенно создавала белковые катализаторы.
Авторы выделили четыре этапа развития раннего метаболизма. Сначала реакции ускоряли только металлы. Затем у LUCA появились ферменты для части процессов, а остальные по-прежнему зависели от неорганических катализаторов. После разделения общего предка бактерии и археи независимо выработали новые белки. Постепенно ферменты заменили металлы, доступные лишь в определённых геологических условиях.
В некоторых случаях две линии создали разные по строению ферменты для одной и той же реакции. Белки не имели близкого происхождения, но выполняли одинаковую задачу. Независимое появление таких ферментов помогло бактериям и археям снизить зависимость от гидротермальной среды.
Пока клетке требовался металл из окружающей породы, она не могла уйти далеко от источника нужного вещества. Фермент решал эту проблему, поскольку инструкция по его сборке хранилась в генах и передавалась потомкам. Полный набор собственных катализаторов позволил клеткам поддерживать метаболизм в других условиях.
Отдельный вопрос касается энергии. Современные клетки используют аденозинтрифосфат, или АТФ. При расщеплении фосфатной связи молекула высвобождает энергию, необходимую для синтеза веществ, переноса соединений через мембрану и других процессов.
АТФ плохо подходит на роль самого раннего источника энергии. Современные организмы производят эту сложную молекулу с помощью ферментов и специальных белковых комплексов. В гидротермальной среде готовый АТФ не мог постоянно поступать извне, поэтому раннему метаболизму требовался более простой способ присоединять фосфатные группы к органическим соединениям.
Возможным решением оказался фосфит, восстановленная форма фосфора, которая встречается в гидротермальных системах. В присутствии палладия фосфит вступал в реакцию с органическими соединениями и запускал фосфорилирование. Во время этого процесса молекула получает фосфатную группу и может участвовать в переносе и накоплении химической энергии.
Лабораторные опыты показали, что смесь фосфита, палладия и органических соединений проводит такие реакции в воде за одну ночь. Палладий работал как катализатор, а фосфит давал фосфор и энергию. Система обходилась без АТФ и ферментов.
Результат не доказывает, что ранняя жизнь действительно использовала палладий. Опыт лишь показал химически возможный путь фосфорилирования в условиях гидротермального источника. Для оценки его роли нужно учитывать доступность металла, концентрацию фосфита и присутствие веществ, способных мешать реакции.
Учёные также попытались восстановить порядок появления 420 реакций. Метаболизм образует связанную сеть, где продукт одного превращения служит исходным веществом для нескольких следующих. Простой список не показывает, какие этапы могли возникнуть раньше, поскольку поздние реакции часто зависят сразу от нескольких промежуточных соединений.
Для решения задачи разработали математический метод, который располагает реакции от простых к сложным. Сначала исследователи доказали, что для сети существует однозначный порядок. Затем алгоритм выстроил последовательность, в которой продукты ранних реакций открывают путь к следующим. Полученная схема может приблизительно отражать развитие метаболизма от простых неорганических процессов к сложной клеточной системе.
Вывод о двух происхождениях жизни не означает, что жизнь дважды возникла с нуля или получила два независимых генетических кода. Бактерии и археи унаследовали общий код и часть ферментов от LUCA. Независимыми были более поздние переходы к свободной жизни, когда обе линии заменили оставшиеся минеральные катализаторы собственными белками.
Генетический код, вероятно, возник один раз до разделения бактерий и архей. Способность полностью обеспечивать собственный метаболизм могла сформироваться дважды: отдельно у предков бактерий и отдельно у предков архей. На это указывают разные ферменты, которые две группы используют для одинаковых реакций.
Свободноживущая клетка самостоятельно получает энергию и производит основные компоненты из доступных веществ. LUCA, вероятно, ещё не обладал полной независимостью: генетический аппарат и часть метаболизма уже работали, но некоторые реакции продолжали зависеть от металлов и химических условий гидротермальной среды.