Новое захватывающее исследование показывает, что жизнь на Земле могла процветать уже через несколько сотен миллионов лет после образования планеты. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
Все живое сегодня произошло от одного общего предка, известного как LUCA (Last Universal Common Ancestor). LUCA — предполагаемый прародитель всей современной клеточной жизни, от бактерий до секвойи и, конечно же, людей. Он представляет собой корень древа жизни до того, как оно разделилось на группы, признаваемые сегодня: бактерии, археи и эукариоты.
Команда сравнила гены из геномов ныне живущих видов, подсчитав мутации в их последовательностях с течением времени, поскольку у них был общий предок в LUCA. Используя ископаемые останки для датирования разделения некоторых видов, исследователи применили генетический эквивалент уравнения, используемого для расчета скорости в физике, чтобы оценить, когда существовал LUCA. Их результаты показали, что LUCA жил около 4,2 миллиарда лет назад, всего через 400 миллионов лет после образования Земли.
«Мы не ожидали, что LUCA окажется настолько старым, всего в пределах сотен миллионов лет от образования Земли. Однако наши результаты соответствуют современным взглядам на обитаемость ранней Земли», — сказала соавтор доктор Сандра Альварес-Карретеро из Школы наук о Земле Университета Бристоля.
Биологи используют последовательности ДНК современных организмов, чтобы реконструировать Древо Жизни и выяснить вероятные характеристики самого последнего общего предка всех живых существ — «ствола» Древа Жизни.
Все формы жизни, независимо от того, насколько они просты или сложны, используют один и тот же базовый генетический код. Нуклеотиды, составляющие ДНК и РНК , универсальны. В то же время, если бы несколько предков развивались независимо, мы бы ожидали увидеть значительные различия в генетических кодах у разных форм жизни.
Жизнь разделяет удивительно схожие биохимические пути для фундаментальных процессов, таких как репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Ферменты и молекулярные машины, участвующие в этих процессах, высококонсервативны. Кроме того, исследования геномов разных видов показывают поразительное сходство в основном наборе генов, участвующих в основных клеточных функциях.
Те же 20 стандартных аминокислот использовались в белках на протяжении всей истории жизни на Земле. Этот набор, вероятно, был «канонизирован» или стандартизирован в ходе ранней эволюции. До этого меньшие наборы аминокислот постепенно расширялись по мере того, как организмы развивали новые синтетические способности к корректуре и кодированию. Более того, все живые существа используют аденозинтрифосфат, или АТФ, в качестве энергии для питания своих клеток.
Все эти различные линии доказательств, основанные на генетических, биохимических и ископаемых данных, указывают на один и тот же вывод. Кажется, что вся жизнь на Земле может проследить свое происхождение от LUCA. Возможно, другие типы форм жизни с радикально иной биологией появились до нашего LUCA, но они не выжили.
Хотя точная форма LUCA до сих пор остается загадкой, исследователи предполагают, что это была простая клетка с ключевыми компонентами, присутствующими во всех современных формах жизни, такими как рибосомальные белки и АТФ-синтаза.
Самые ранние известные микроископаемые датируются примерно 3,5 миллиардами лет назад. Итак, мы знаем, что жизнь, по крайней мере, так стара. Однако, поскольку отпечатки пальцев LUCA все еще видны в генах современных организмов, ученые могут использовать специальные методы, чтобы повернуть генетические часы вспять и путешествовать в обратном направлении по дереву жизни, пока не достигнут ствола.
Чтобы понять биологию LUCA, новое исследование смоделировало физиологические черты живых видов обратно через генеалогию LUCA. Эволюционная история генов осложняется их обменом между линиями. Однако использование правильной модели может примирить эти различия и даже выявить особенности LUCA.
«Одним из реальных преимуществ здесь является применение подхода согласования генного дерева видового дерева к такому разнообразному набору данных, представляющему основные домены жизни архей и бактерий. Это позволяет нам [говорить] с некоторой уверенностью и оценивать этот уровень уверенности в том, как жил LUCA», — сказал соавтор доктор Том Уильямс
Исследование показало, что LUCA был сложным организмом, похожим на современных прокариот (одноклеточные организмы, клетки которых лишены ядра и других связанных с мембраной органелл), с ранней иммунной системой, указывающей на взаимодействие с вирусами. Профессор Давиде Пизани отметил, что иммунная система LUCA предполагает, что он участвовал в гонке вооружений с вирусами еще 4,2 миллиарда лет назад.
Отходы LUCA, вероятно, питали другие микробы, такие как метаногены, создавая экосистему переработки. Это понимание подразумевает, что экосистема быстро сформировалась на ранней Земле.
Во времена LUCA ранняя Земля была совершенно другим местом по сравнению с сегодняшним днем. Атмосфера планеты была лишена кислорода и вместо этого была покрыта густой дымкой метана, аммиака, водорода и углекислого газа. Поверхность была занята океанами, усеянными вулканическими островами и гидротермальными источниками . Эти источники извергали горячую, богатую минералами воду в море, вероятно, обеспечивая необходимую энергию и химические строительные блоки для ранней жизни. Тем временем земная кора все еще охлаждалась и затвердевала. И планета часто подвергалась бомбардировке кометами и метеоритами .
Ранняя Земля была адом — но каким-то образом жизнь нашла выход только через четыреста миллионов лет после образования планеты. Земле 4,53 миллиарда лет. Более раннее исследование, появившееся в конце 2023 года, предполагает еще более раннюю временную шкалу появления LUCA, где-то между 4,32 и 4,52 миллиардами лет назад.
Авторы исследования подчеркивают, что исследование объединило данные и методы из нескольких дисциплин, чтобы раскрыть понимание ранней Земли и жизни, недостижимое какой-либо одной областью в отдельности. Быстрое формирование экосистемы на ранней Земле предполагает, что жизнь может также процветать в биосферах земного типа в других местах Вселенной.
