Розуміння того, як зародилося та розвинулося життя на Землі, — це питання, яке хвилювало людей протягом тривалого часу, і сучасні вчені досягли великих успіхів, коли справа доходить до пошуку деяких відповідей. Тепер наше нещодавнє дослідження сподівається запропонувати нове розуміння походження життя на Землі.
Близько 375 мільйонів років тому наші рибоподібні предки дихали зябрами. Понад 600 мільйонів років тому з’явився загальний предок усіх тварин – мікроскопічні урманоподібні. Однак за мільярди років до того, як усе це сталося, мав існувати спільний предок усіх живих організмів, останній універсальний спільний предок (Лука).
Протягом десятиліть вчені працювали над ідентифікацією Луки з різними уявленнями про те, яким був Лука. Іншим предметом суперечок є вік Луки. Найдавнішим скам’янілостям, які ми маємо, існує приблизно 3,4 мільярда років. Деякі дослідження відсувають вік Луки, близький до народження Землі, 4,5 мільярда років тому. Інші вважають, що це неможливо через час, який знадобиться для створення генетичного коду та механізму реплікації ДНК.
Лука не був першою формою життя; це був організм, від якого походять усі живі організми. Тим не менш, вчені вважають, що живі організми могли існувати задовго до Луки. Розуміння того, яким був Лука та коли він жив, важливо, щоб допомогти нам зрозуміти, як розвивалося життя на Землі.
У нашому нещодавньому дослідженні, опублікованому в Nature Ecology & Evolution, ми використали комбінацію наукових методів, щоб реконструювати геном Луки та показати, як знайдені нами гени могли дозволити Луці жити. Цей проект став результатом кількох років роботи та міжнародної команди співавторів.
Характер Луки
Щоб реконструювати геном Луки, нам знадобився зразок геномів (уся генетична інформація в організмі) різних груп бактерій і архей (одноклітинні організми, відмінні від бактерій), щоб ми могли бути впевнені, що ми беремо зразки сучасного життя. Ми виключили еукаріоти (рослини, тварини та гриби), оскільки вчені вважають, що вони виникли з об’єднання архей і бактерій набагато пізніше. У нас був набір із 700 геномів (350 архей і 350 бактерій), уже підібраних із дослідження 2022 року, у якому деякі з нас брали участь.
Ми відсортували ці гени в різні родини, щоб зрозуміти їх призначення в сучасних організмах. Для цього ми використали базу даних під назвою KEGG, яка допомагає вченим з’ясувати метаболічні шляхи організмів (як вони підтримують життя). Далі ми використали ці родини, щоб вивести філогенетичні дерева (або філогенії, щось на зразок генеалогічного дерева), щоб зрозуміти зв’язок між різними видами та побачити, як вони еволюціонували з часом.
Ми також створили окремий набір із 57 генів, які є спільними для всіх 700 організмів у нашому дослідженні та, ймовірно, присутні майже в усіх живих організмах. Ці типи генів не зазнали значних змін за останні кілька мільярдів років.
Ми використали ці 57 генів, щоб побудувати дерево видів, яке демонструє дарвінівський зв’язок різних організмів. Потім ми могли б поєднати наші генні дерева KEGG з деревом видів, моделюючи темпи дублювання генів, перенесення та втрати генів. Це також дозволило нам розрахувати ймовірність наявності в Luca різних сімейств генів.
Реконструкція геному Луки дозволила нам оцінити його метаболізм, ніби він живий сьогодні. Ми уявляємо Луку як досить складний організм, такий як сучасні бактерії та археї, з невеликим геномом. Однак ми не знайшли доказів фотосинтезу (який використовують деякі бактерії) або фіксації азоту, хімічного процесу, який деякі сучасні бактерії та археї використовують, щоб залишатися в живих.
Скільки років було Луці?
Ми також спробували новий метод оцінити вік Луки, використовуючи гени, які, на нашу думку, дублювалися до Луки разом з інформацією зі скам’янілостей. Зазвичай, щоб зробити висновок про еволюційні часові рамки, ми отримали б філогенію нашого цікавого виду з гомологічними генами, які сходять до спільного предка.
Потім ми знайдемо групу видів, які мають віддалену спорідненість (зовнішню групу) з видами, які цікавлять нас, щоб встановити корінь філогенезу.
«Гілки», які з’єднують види в філогенезі, містять інформацію про швидкість, з якою відбулися генетичні зміни (мутації), і час, коли види розійшлися. Ми можемо використовувати копалини або геологічні докази, щоб повідомити молекулярному годиннику про потенційний мінімальний вік, коли відбулися події видоутворення.
Однак із Лукою у нас дві проблеми. Немає жодної сторонньої групи походження життя, і існує небагато скам’янілостей або багато геологічних доказів ранньої Землі, які ми можемо використати для калібрування молекулярного годинника.
Щоб подолати ці обмеження, ми використали паралогічні гени, які вчені вже відстежили в Luca. Паралогічні гени пов’язані один з одним через подвоєння генів. Це може статися, коли вид розпадається на два, кожен з яких має власну копію дубльованого гена.
За нашими оцінками, Лука блукав Землею приблизно 4,2 мільярда років тому. Якщо наша оцінка часу близька до істини, такі речі, як генетичний код, трансляція білків і саме життя, мабуть, еволюціонували швидко, майже відразу після формування Землі.
Наша реконструкція Луки не перша і точно не остання. Щороку відкривається та секвенується все більше організмів, комп’ютери стають потужнішими, а еволюційні моделі постійно вдосконалюються. Тому наше розуміння Луки може змінитися, коли буде доступно більше даних і потужних методів.
Наприклад, ми повинні враховувати, що, ймовірно, за часів Луки жило багато інших організмів, які сьогодні більше не представлені жодними організмами. Якщо хтось із ранніх нащадків Луки не дожив до сучасності, і їхні гени не збереглися, ми ніколи не зможемо відобразити ці сімейства генів назад до Луки, а це означає, що наша реконструкція Луки може бути неповною.
Незважаючи на всі технічні обмеження, наше дослідження відкриває новий шлях до розуміння Луки. Але попереду ще багато роботи, щоб краще зрозуміти, як розвивалося життя з моменту утворення нашої планети Земля.