Биолозите все още се борят с мистерията на произхода на живота на Земята. Необходимо е да се разбере как са възникнали примитивните бактерии и други форми на живот. Малко се знае за организма на потомството, но геномиката ни позволява да разберем нещо за най-древните същества, обитавали света в зората на неговото съществуване. „Lenta.ru“разказва за статия, публикувана в списанието Nature, в която авторите се опитват да отговорят на въпроса кой е LUCA (последен универсален общ прародител), Лука е универсалният общ прародител на всички съвременни организми.
Все още нямаше три домейна (супер царства) на живота - бактерии, археи и еукариоти, но той вече съществуваше. Този организъм е междинна връзка между неодушевената среда на ранната Земя и първите микроби, които са живели в скали преди 3,8-3,5 милиарда години. Не се знае как е изглеждал Лука и в какви условия е живял. Учените, подобно на детективите, са реконструирали основните му характеристики парче по парче. Изхождахме от следния принцип: тъй като Лука е прародител на всички живи организми, това означава, че те са наследили някои черти от него. Въз основа на биологичните характеристики, присъщи на всяко живо същество, биолозите са създали портрет на Лука: едноклетъчен организъм, наподобяващ бактерия.
Ново проучване на немски учени даде възможност да се изясни вътрешната организация на универсалния прародител. Учените са определили кои гени могат да включват ДНК на Лука. За да направят това, те използваха филогенетичен подход, с други думи, анализираха еволюционните връзки между различните видове живот на Земята. Това беше направено по следния начин. Установили кои протеини са кодирани от прокариотичния геном, биолозите подбраха тези, които отговарят на няколко критерия. Първо, протеинът трябва да присъства в по-високите таксони както на бактериите, така и на археите. Второ, ако изградим филогенетично дърво - диаграма, отразяваща еволюционните връзки - тогава бактериите и археите, които притежават този протеин, трябва да образуват монофилетична група, тоест да имат общ прародител. Последното условие увеличава вероятността същите тези протеини да присъстват в Лука, т.е.и от него бяха предадени на потомци.
Общо бяха анализирани повече от шест милиона гена, кодиращи протеини, в 1847 бактериални и 134 археални генома. От общото количество учените образуват 286 514 групи (клъстери), от които само около 11 хиляди съдържат бактериални и археални протеини. Когато филогенетичните дървета са били изградени и протеиновите групи са били тествани да следват монофилетичния принцип, остават само 335 клъстери, които отговарят на първоначалните условия. Всички протеини в крайната проба, според биолозите, присъстваха в LUCA генома. Трябва да се отбележи, че тези критерии не изключват възможността за хоризонтален трансфер на гени. По този начин, протеин, който за пръв път се появи в ранните бактерии, може да навлезе в Archea и да се разпространи сред представители на всеки от домейните, въпреки че никога не е присъствал в тялото на Лука.
Биолозите се интересували от гените, които съставляват „информационното ядро“в клетките на живите организми. Говорим за 19 протеина, участващи в синтеза на рибозоми, както и осем ензима, които играят основна роля за образуването на транспортна РНК (те преместват аминокиселини до местата на изграждане на протеинови молекули).
Черни пушачи
Промоционално видео:
Снимка: NOAA / Wikipedia
Реконструираният геном на Лука предполага, че той е бил анаеробно (адаптирано към аноксична среда) същество, което е получавало необходимата за живота енергия в резултат на хемосинтеза - химични реакции, които окисляват минералите. Явно универсалният прародител е живял близо до хидротермални отвори, като черни пушачи. Това е показано от възможното присъствие на гирази в него - ензими, специфични за термофилните (термофилните) организми. Също така в LUCA най-вероятно е имало ензими, които правят възможна хемосинтеза, при която въглеродният диоксид е единственият източник на въглерод. По принцип този организъм може да получава енергия от газове като водород, въглероден диоксид и азот.
Някои от ензимите съдържат клъстери от желязо-сяра (FeS), които са група от кофакторни молекули, които специфично се свързват с протеините и определят тяхната каталитична активност. Това показва, че Лука е живял в богата на желязо среда. Определена е друга група протеини, участващи в захарния метаболизъм: гликозилази и хидролази. Тези ензими в съвременните клетки са важни за синтеза на клетъчната стена, което може да показва съществуването на примитивна клетъчна стена в LUCA.
Големият призматичен извор е типично археологическо местообитание
Снимка: Джим Уркхарт / Ройтерс
Констатациите на изследователите потвърждават редица важни тези. FeS клъстерите, както и преходните метали в състава на кофактори, са наследството на древния метаболизъм. Първите живи организми са възникнали в хидротермални отвори. Химичните реакции, протичащи на границата на водната среда и скалните скали, създават условия за появата на живот. Първите представители на бактерии и археи са били автотрофи, зависими от водорода и използващи въглероден диоксид като краен акцептор в енергийния метаболизъм (при животни и растения тази роля се играе от вдишвания кислород).
Изградените филогенетични дървета не позволяват да се изолират протеините, характерни за LUCA, които участват в синтеза на аминокиселини, които съставляват протеини и нуклеозидите, които образуват ДНК и РНК. Въпреки това универсален прародител би могъл да се формира от онези компоненти, които са се образували в резултат на спонтанни химични процеси, характерни за ранната Земя.
Интересно е, че резултатите от немски биолози противоречат на откритията на френски учени, публикувани през 2008 г. Те приписват лука на организми, които предпочитат умерени температури (под 50 градуса по Целзий). Смятало се е, че LUCA не може да бъде термофил поради факта, че неговите протеини не са устойчиви на високи температури. В същото време предците на бактерии и археи биха могли да живеят в силно нагрята среда. Новата работа обръща внимание не на непосредствената стабилност на ензимите, а на това за какви условия на околната среда са характерни тези протеини.
Александър Еникеев
