Прародитель всей жизни на ЗемлеСайт газеты Гардиан (The Gardian).
https://bit.ly/3PMBWjELuca is the progenitor of all life on Earth. But its genesis has implications far beyond our planet
Лука — прародитель всей жизни на Земле. Но его происхождение имеет последствия далеко за пределами нашей планеты
Новое исследование одноклеточных организмов дает представление о том, как выглядела ранняя планета, и повышает вероятность того, что мы можем быть не одиноки во Вселенной.
Филипп Болл
Вс 19 Янв 2025 11.00 GMT
По мнению ученых, нашим самым ранним предком был не Адам или Ева, а Лука. Лука не был похож на нас — это был одноклеточный бактериоподобный организм.
Недавнее исследование группы ученых из Великобритании принесло довольно шокирующие новости об этом прославленном предке. Несмотря на то, что он жил почти так далеко в прошлое, как это кажется возможным, Лука был удивительно похож на современные бактерии — и, что более того, он, по-видимому, жил в процветающем сообществе других организмов, которые не оставили никаких следов на Земле сегодня.
Лука — сокращение от последнего всеобщего предка, прародителя всей известной жизни на Земле — похоже, родился 4,2 млрд лет назад. Тогда наша планета была не Эдемом, а чем-то вроде ада на Земле: бурлящая масса вулканов, избиваемая гигантскими метеоритами, и оправившаяся от космического столкновения, которое разнесло мир на части и создало Луну из некоторых фрагментов. Есть веская причина, по которой геологический эон до 4 млрд лет назад называется Гадеем, в честь греческого бога подземного мира Аида.
Если Лука действительно был таким древним, но уже настолько сложным и встроенным в целую экосистему, то есть поразительное следствие, которое выходит далеко за рамки понимания нашего собственного происхождения. Оно предполагает, что жизнь должна была начаться на Земле так скоро, как это было возможно. Что, в свою очередь, подразумевает, что при правильных условиях и ингредиентах жизнь может быть не чрезвычайно редкой и маловероятной случайностью, как считали некоторые ученые, а скорее почти неизбежностью, и поэтому, вероятно, будет изобиловать во вселенной.
Земля вращалась быстрее вокруг своей оси, поэтому дни были длиннее на 12 часов. Луна была ближе, чем сейчас, поэтому приливы были сильнее
Рика Андерсон, микробиолог
Существование Луки является следствием эволюционной теории Дарвина, согласно которой все живые организмы от микробов до китов произошли от более ранних в одном огромном древе жизни. Мы, люди, имеем общего предка с шимпанзе и бонобо, которые жили около 6-8 млн лет назад. Считается, что все обезьяны и человекообразные обезьяны произошли от общего предка около 25 млн лет назад. Продолжайте спускаться по дереву достаточно далеко, и вы найдете общего предка всех млекопитающих, затем всех позвоночных организмов и так далее.
Лука представляет собой точку, где три домена всей жизни — эукариоты (включая животных, растения и грибы), бактерии и археи (еще один вид микробов) — сходятся в один ствол. Когда это произошло, десятилетиями шли споры. Когда-то считалось, что Лука жил около 3,5–3,8 млрд лет назад, комфортно за пределами Гадея. Но недавние исследования отодвинули его еще дальше назад во времени.
Крабы и другие морские обитатели, живущие рядом с гидротермальным источником на дне океана.
Просмотреть изображение в полноэкранном режиме
Крабы и другие морские обитатели, живущие рядом с гидротермальным источником на дне океана. Некоторые исследователи считают, что именно здесь зародилась жизнь.
Может показаться маловероятным, что мы вообще что-то знаем о Луке. Нет никаких ископаемых записей жизни такого возраста, и очень мало пород остались неизменными с тех времен, чтобы содержать подсказки о том, какой была Земля. Но ученые могут делать выводы о таких ранних организмах, используя технику молекулярной филогенетики. Сравнивая генетические последовательности организмов, живущих сегодня, они могут выяснить из их сходств и различий порядок, в котором различные виды отделились как отдельные ветви эволюционного древа, а также какими генами могли обладать их общие предки. И если они знают скорость, с которой мутации в генах создают такие различия, это дает «молекулярные часы», которые могут предоставить оценки того, когда произошло разветвление.
Растянуть такие анализы вплоть до Луки на очень ранней Земле, основываясь только на генетической информации о современных организмах, — это сложная задача. Реконструированные геномы таких древних предковых организмов — это просто лучшие предположения, и даже тогда они неоднородны. Вот почему возраст и природа Луки были спорными. Но задача становится все более надежной по мере того, как мы собираем все больше генетической информации о современных организмах.
В июле группа под руководством исследователей из Бристольского университета сообщила о передовом молекулярно-филогенетическом исследовании, которое привело к выводу, что Лука жил 4,2 млрд лет назад, плюс-минус 100 млн лет. Это в пределах диапазона, но ближе к самому древнему концу некоторых более ранних оценок.
На этой Гадейской Земле не было пригодного для дыхания воздуха: кислород сегодня вырабатывается фотосинтезом растений и бактерий, который начался гораздо позже. Атмосфера содержала много углекислого газа, говорит Тим Лентон, специалист по системам Земли из Эксетерского университета, соавтор нового исследования, и в результате «небо могло быть менее голубым, чем сегодня». Возможно, оно даже имело оранжевый оттенок из-за дымки метана.
Земля тогда была водным миром, полностью покрытым океаном, и над волнами возвышалось всего несколько вулканических островов. Более того, говорит морской микробиолог Рика Андерсон из Карлтонского колледжа в Нортфилде, штат Миннесота, «Земля вращалась вокруг своей оси быстрее, поэтому день длился 12 часов. А Луна была ближе, чем сейчас, поэтому приливы были сильнее».
Как Лука поддерживал себя? Филогенетический анализ показывает, что у него были все молекулярные механизмы – белковые ферменты – необходимые ему для питания из простых молекул в его окружении, в частности, углекислого газа и водорода. Живя на поверхности моря, он мог получать и то, и другое из атмосферы. С другой стороны, Лука мог почерпнуть их из так называемых гидротермальных источников в глубоком море, где вулканическое тепло посылает горячую воду в трещины в скале, вытекающую из геологических образований, похожих на дымоходы, обогащенную минералами и растворенными газами. Некоторые исследователи считают, что сама жизнь зародилась в таких глубоких источниках, защищенных от бедствий метеоритной бомбардировки.
Это сделало бы Luca хемоавтотрофом: организмом, способным производить необходимые ему химические вещества из простых, образующихся в ходе геологических процессов. Но он также мог быть гетеротрофом, зависящим от химических веществ, вырабатываемых в ходе метаболических реакций другими организмами в экосистеме. В любом случае, новое исследование показывает, что у Luca был довольно сложный набор механизмов метаболических ферментов: это был не грубый первый набросок жизни, а уже довольно сложная и отточенная работа, предполагающая, что она уже эволюционировала в течение многих веков.
Экосистема Луки могла бы породить большее разнообразие, чем могло бы возникнуть в результате традиционной дарвиновской эволюции.
Luca, вероятно, «жил не один», говорит Лентон. Создавая сложные органические молекулы, он создал бы среду, в которой могли бы процветать другие гетеротрофные организмы, возможно, некоторые из них поглотили бы самого Luca. «Он создал бы ниши для других насекомых, чтобы они могли жить на основе его отходов», — говорит палеобиолог Филип Донохью, один из руководителей бристольской команды.
Исследователи полагают, что соседями Луки могли быть организмы, которые, как и многие современные микробы (включая те, что находятся в кишечнике), вырабатывали метан (CH4), тем самым возвращая углерод и водород в атмосферу. «Это создает цикл переработки, который делает всех более продуктивными», — говорит Лентон. Если Лука действительно жил у жерла, говорит Андерсон, некоторые члены его сообщества могли использовать серу или железо в жидкостях жерла в качестве топлива. Недавнее исследование исследователей из Университета Аризоны в Тусоне подтверждает эту идею, обнаружив, что серосодержащие и связывающие металл аминокислоты были одними из первых, которые Лука и его предки использовали для производства белков.
Ученый, изучающий систему Земли, Тим Лентон из Эксетерского университета, является соавтором нового исследования о Луке.
Просмотреть изображение в полноэкранном режиме
Ученый по системе Земли Тим Лентон из Эксетерского университета, соавтор нового исследования о Луке. Фотография: предоставлена Эксетерским университетом
Исследователи также обнаружили, что у Луки была своего рода иммунная система, защищающая его от вирусной инфекции. Некоторые бактерии сегодня обладают защитной системой под названием CRISPR-Cas, которая может сшивать части вирусных геномов с ДНК хозяина, создавая молекулярную память о прошлой инфекции для ускорения защитного ответа, во многом так же, как это делает наша собственная иммунная система. Реконструированный геном Луки, похоже, включает инструкции для аппарата, похожего на CRISPR-Cas, что говорит о том, что вирусы были широко распространены — и представляли потенциальную проблему — в его экосистеме.
Это, возможно, неудивительно, поскольку некоторые исследователи теперь считают, что вирусы — паразиты, которые захватывают механизмы своих клеток-хозяев, чтобы реплицировать себя — являются неизбежным результатом того, как жизнь работает посредством репликации ДНК. «Я склонна думать, что вирусы универсальны для жизни», — говорит Андерсон. Но она добавляет, что не представляет, что вирусы тогда выглядели как вирусы сегодня, «поэтому я была немного удивлена, увидев, что система CRISPR существовала в Луке». Это сложный набор для такого древнего организма.
Но мир, охваченный вирусами, не обязательно был плохим. Напротив, вирусы могли помочь создать такую богатую экологию на ранней Земле. Поскольку они могут вставлять новые гены в ДНК хозяина, вирусы могут выступать в качестве транспортных средств для переноса генетического материала от одного организма к другому посредством «горизонтального переноса генов»: способа для организмов обмениваться генами без их прямого родства. Экосистема Луки могла быть очагом обмена генами с помощью вирусов, вызывая большее разнообразие, чем могло бы возникнуть в результате традиционной дарвиновской эволюции через происхождение и естественный отбор.
яС этой точки зрения, раннее древо жизни было не столько деревом, сколько плотно связанной сетью. (В некотором смысле так оно и есть.) И если кажется немного печальным, что из тех богатых древних биосфер только Лука оставил современных потомков, тем не менее, горизонтальный перенос генов мог внедрить небольшие фрагменты этого утраченного генетического мира в самого Луку.
Андерсон говорит, что почтенный возраст Луки нуждается в большем подтверждении из других источников, таких как геологические данные. И Донохью признает, что «я не думаю, что мы можем сказать что-либо о Луке наверняка, кроме того, что он существовал». Но это исследование, безусловно, не последнее слово. «Я думаю, что это еще не все», — говорит Андерсон. «Наши инструменты и данные становятся все лучше и лучше, и геохимики используют более хитрые способы заглянуть в прошлое, чтобы сделать вывод о том, какими были ранняя Земля и ее обитатели».
Если это так, то древность Луки, похоже, опровергает некоторые более ранние аргументы о том, почему Вселенная в значительной степени безжизненна. «Они основывались на доказательствах того, что потребовалось около миллиарда лет, чтобы жизнь появилась на Земле, а это значит, что эти ранние шаги были трудными и/или маловероятными», — говорит Донохью. Но Лука возрастом 4,2 миллиарда лет и уже довольно высокоразвитый, говорит Лентон, «говорит нам, что [начать] жизнь не так уж и сложно. Она может начаться где угодно на планетах с жидкой водой, возможно, включая ранний Марс или даже раннюю Венеру».
Астрономические поиски планет вокруг других звезд показали, что планеты, подобные Земле, не так уж и редки. Тем не менее, предупреждает Андерсон, у нашей планеты могли быть особые черты, которые сделали ее особенно подходящей для жизни, например, магнитное поле, защищающее нас от солнечной радиации, большая соседняя планета (Юпитер), подбирающая случайные астероиды, и луна, создающая приливы.
Кроме того, говорит Лентон, задача состоит не только в том, чтобы начать биосферу, но и в том, чтобы поддерживать ее: «чтобы жизнь влияла на ее планетарную среду таким образом, чтобы она оставалась пригодной для жизни», как утверждает теория Геи покойного ученого и изобретателя Джеймса Лавлока, с которым Лентон тесно сотрудничал. Он считает, что поддержание биосферы в стиле Геи должно быть довольно распространенным, как только она начнется. «Поэтому я предсказываю, что другие биосферы ждут своего открытия».
Вход
FAQ
Поиск
